Implementação em Ambiente Centralizado

Na implementação do sistema de controle do STEC-NVT em ambiente centralizado, as funções de controle deixaram de ser executadas pelos dispositivos da rede Fieldbus

Foundation e passaram a ser todas elas executadas em um único equipamento, no caso

um CLP.

É possível implementar as lógicas de controle no CLP utilizado, que é um controlador programável LC700 fabricado pela Smar, tanto em linguagem Ladder quanto por meio de blocos funcionais. Para isto existe um aplicativo denominado CONF700, que é utilizado também para configurar todo o hardware do CLP, como os módulos de entrada e saída, a fonte, a CPU, entre outros [Smar, 2004a].

4.2.1 Configuração da Rede Foundation Fieldbus

A configuração da rede Foundation Fieldbus para a implementação da estratégia de controle em ambiente centralizado é feita de forma semelhante à configuração para o controle distribuído. O número de dispositivos continua sendo o mesmo, o que difere esta configuração da anterior é a retirada de alguns blocos funcionais e inclusão de outros.

Neste caso, os blocos funcionais utilizados para a configuração dos dispositivos da rede Foundation Fieldbus são:

- Entrada Analógica (Analog Input - AI) - Saída Analógica (Analog Output - AO)

- Display (DSP)

- Entrada Múltipla Analógica (Multiple Analog Input - MAI) - Saída Múltipla Analógica (Multiple Analog Output - MAO)

É importante observar que, para o controle centralizado, os blocos funcionais PID foram retirados dos dispositivos, bem como os alarmes analógicos e o bloco MDO, pois tanto o controle quanto os alarmes passaram a ser implementados no CLP.

Para implementação dos alarmes no CLP foram utilizados blocos funcionais de com-paração. Estes blocos comparam os valores das variáveis de processo com seus respec-tivos limites previamente definidos. Desta forma, se, por exemplo, o nível de um dos tanques for maior do que o valor limite definido, uma variável auxiliar indica esta ocor-rência fazendo com que uma das bombas seja desligada automaticamente.

Foram acrescentados dois novos blocos: os blocos funcionais de entrada múltipla analógica (MAI) e de saída múltipla analógica (MAO). O bloco MAI permite que as informações disponibilizadas pelo CLP (variáveis manipuladas) sejam lidas pelos dis-positivos da rede Foundation Fieldbus enquanto que o bloco MAO permite que o CLP acesse informações contidas na rede Foundation Fieldbus (variáveis de processo). Para que isso seja possível, foram criados dois blocos no CLP que são capazes de trocar informações com os blocos MAI e MAO, denominados, respectivamente, COAD (saída analógica para comunicação de dados) e CIAD (entrada analógica para comunicação de dados) [Smar, 2004a].

4.2.2 Implementação dos Controladores

O algoritmo de controle utilizado para implementação dos controladores PI e PID em ambiente centralizado é análogo ao algoritmo utilizado para a implementação em ambiente distribuído, conforme equação (4.1). Novamente não é permitido configurar o filtro da ação derivativa (parâmetro α) do controlador PID.

A Figura 4.5 mostra o bloco funcional PID do CLP utilizado para implementar as estratégias de controle em ambiente centralizado.

Como pode ser visto na Figura 4.5, o bloco de controle PID do CLP apresenta os seguintes parâmetros:

Figura 4.5: Bloco funcional de controle PID do CLP [Smar, 2004a]

- EN: Habilitação do bloco

- TRF: Seleção de funcionamento: automático ou manual - SP(%): Entrada do valor de referência

- PV(%): Entrada da variável de processo

- FB(%): Entrada de realimentação do controlador - ENO: Habilitação da saída

- OUT(%): Valor de saída do controlador (variável manipulada)

Na implementação em ambiente centralizado, como os blocos funcionais PID foram eliminados, a conexão entre as entradas e saídas analógicas passou a ser feita dire-tamente ao CLP, que passou a ser responsável pelo controle das malhas do sistema, conforme mostrado na Figura 4.6.

Figura 4.6: Diagrama mostrando a ligação dos blocos funcionais da rede Foundation

Segundo o manual de configuração do CLP [Smar, 2004a], os valores analógicos utilizados pelo controlador são representados por valores inteiros na faixa compreendida entre 0 e 10000, representando 0% a 100%. Desta forma, como os dados oriundos dos dispositivos da rede Foundation Fieldbus estão em unidades de engenharia, foi necessário fazer um escalonamento destes valores para que eles pudessem ser utilizados no CLP.

Este escalonamento foi feito no próprio CLP por meio de operações com blocos matemáticos de soma, subtração, multiplicação e divisão, já que não existe um único um bloco funcional que faça a operação de mudança de escala dos dados. Assim, foram implementadas as seguintes equações para a realização destes escalonamentos:

V alor_(0−10000) = ^{(V alor − MIN)10000}

MAX − MIN ^{, (4.3)}

V alor = ^{V alor(0−10000)(MAX − MIN )}

10000 ^{+ MIN. (4.4)}

Por meio da equação (4.3) é feita a conversão dos valores em unidades de engenharia (V alor) para valores entre 0 e 10000 (V alor(0−10000)), enquanto que a partir da equação (4.4) a operação inversa é realizada. A Tabela 4.2 mostra as constantes MAX e MIN que correspondem, respectivamente, aos valores máximos e mínimos das grandezas que são controladas em cada malha do STEC-NVT, conforme definidos em [Carvalho, 1998].

Tabela 4.2: Valores máximos e mínimos das malhas de controle.

Malha de Controle MIN MAX Nível do TP 0 650 mm Nível do TAQ 0 440 mm Vazão de saída do TP 0 52 l/min

Temperatura do TP 20◦C 65◦C

4.2.3 Implementação dos Desacopladores

A implementação dos desacopladores para as malhas de controle do STEC-NVT no CLP não foi feita de forma direta, como na implementação em ambiente distribuído, pois, neste caso, o bloco funcional PID do LC700 não possui a entrada feedforward como no caso anterior.

Desta forma, para implementar o desacoplador é feita uma adição do valor da MV da malha causadora do distúrbio multiplicada pelo ganho do desacoplador na saída do controlador PID da malha afetada pelo distúrbio, conforme mostra a Figura 4.7.

Figura 4.7: Implementação dos desacopladores no LC700

Um problema encontrado durante a implementação dos desacopladores se deve ao fato do controlador PID contido no CLP ser um bloco fechado, cuja saída é limitada de 0 a 10000. Assim, como a saída do bloco PID só apresenta valores positivos (0 a 10000), o valor da variável manipulada da malha afetada pelo distúrbio, que posteriormente será enviada aos dispositivos atuadores, não será menor do que a variável manipulada da malha causadora do distúrbio multiplicada pelo ganho do desacoplador.

Portanto, para que os desacopladores pudessem ser implementados de forma correta, foi feita uma mudança de variável na saída do controlador PID do CLP, fazendo com que o valor que originalmente era de 0 a 10000 passasse a variar de -500 a 500. Esta conversão é feita logo na saída do controlador PID, conforme pode ser visto na Figura 4.8. Posteriormente é feita uma nova mudança na variável manipulada que vai para a planta, retornando ao valor original de 0 a 10000. As seguintes equações para a realização destas mudanças de variáveis foram implementadas:

V alor_(−500a500)= ^{V alor(0a10000)}

V alor_(0a10000)= ^{V alor(−500a500)+ 500}

10 ^{. (4.6)}

Assim, a equação (4.5) converte valores que variam de 0 e 10000 (V alor_(0a10000)) para valores entre -500 a 500 (V alor_(−500a500)), enquanto que a equação (4.6) faz a operação inversa.

A Figura 4.8 ilustra a seqüencia de conversões que é feita nas variáveis do processo para a implementação no CLP do sistema de controle com desacopladores, sendo que

u.e. representa valores em unidade de engenharia.

Figura 4.8: Seqüencia de conversões feita nas variáveis do processo

Na configuração de controle centralizado, foram implementados, inicialmente, os desacopladores estáticos para as malhas de controle com acoplamentos mais fortes, conforme Tabela 4.1. Posteriormente, com o intuito de mostrar a flexibilidade na im-plementação dos desacopladores no sistema distribuído, foram implementados também todos os desacopladores possíveis para o STEC-NVT, como será visto no capítulo 5.

Utilizando a configuração de controle distribuído, é possível também implementar os desacopladores convencionais, apesar desta implementação não ter sido considerada neste trabalho. Isto se deve ao fato de a entrada feedforward ser externa ao bloco PID. Devido às características de programação do CLP, também é possível a implementa-ção de desacopladores dinâmicos. Mas, como os desacopladores estáticos foram eficazes no desacoplamento das malhas de controle do STEC-NVT, como será visto no capítulo 5, esta abordagem também não foi considerada neste trabalho.