Sistema de Tanques Acoplados e Desacoplados – STAD

O Sistema de Tanques Acoplados e Desacoplados (STAD) é um módulo didático desenvolvido para estudos de algoritmos de controle e automação de processos em la- boratório, tendo como problemática principal o controle de nível. A motivação de se construir um sistema real de controle de nível, com e sem acoplamento, para simulações em laboratório, provém do fato de que estes são problemas de controle comumente en- contrados na indústria (SHINSKEY, 1996; ÅSTRÖM e HÄGGLUND, 2006).

4.1.1. Descrição do Problema de Controle

O módulo consiste em uma base de sustentação para quatro tanques: TQ1, TQ2,

TQ3 e TQ4. No intuito de se evitar complicações excessivas no processo de modelagem,

três dos tanques possuem a mesma geometria uniforme, i.e., tanques cilíndricos de mesma altura e mesmo volume. O quarto tanque possui a geometria de um paralelepí-

82 pedo, sendo capaz de armazenar quantidade de fluido suficiente para preencher os ou- tros três. O fluido é bombeado por meio da bomba do tipo centrífuga BA01, até o tanque

TQ1. Após encontrar TQ1, o fluido pode escoar-se para os outros tanques, TQ2 ou TQ3,

por meio de registros do tipo esféricos FV01, FV02 e FV03, que são utilizados para rea- lizar as diferentes configurações possíveis oferecidas pelo STAD, i.e., forma acoplada e desacoplada. A seguir, a Figura 4.1 mostra os dois tipos de configurações possíveis ofe- recidas pelo STAD.

Figura 4.1. Configurações possíveis do STAD (a) Tanques desacoplados (b) Tanques acoplados.

A Figura 4.1a ilustra o problema de controle conhecido como Tanques Desaco- plados (TD), ou não-interativos. Neste caso, não há dependência mútua entre as vazões dos tanques, i.e., as vazões de saída de TQ1 e TQ3, e , dependem apenas da altura de coluna de fluido presente neles, i.e., o nível de fluido residente em cada um. Para esta configuração os registros FV01e FV03 devem ser manipulados para se obter a resistên- cia hidráulica de saída de TQ1 e TQ3 e FV02 deve permanecer fechado.

TQ2 TQ4 TQ1 TQ3 FV01 qe FV03 BA01 FV01 FV02 qe FV03 BA01 TQ1 TQ2 TQ3 TQ4 (a) (b)

83 Por outro lado, na Figura 4.1b, é possível perceber um acoplamento existente en- tre os dois tanques através de _{. Neste caso, tem-se que a vazão de saída de TQ2,} ,

depende do nível de TQ1, sendo que, pelo projeto do STAD, esta também é a vazão de saída do próprio TQ1. Nesta configuração, os registros FV01 e FV02 devem ser manipu- lados para se obter a resistência hidráulica de acoplamento e saída desejadas e deve permanecer totalmente aberto, a fim de se obter um escoamento livre até o tanque de armazenamento TQ4. Este problema de controle é também conhecido como Tanques Acoplados (TA), ou interativos.

O nível de fluido nos tanques TQ2 e TQ3 é medido por meio de um sensor de pressão diferencial do tipo strain-gauge, ou célula de carga, com faixa de medição de 1psi (pound square inch, i.e., libras por polegada quadrada), que equivale aproximada- mente a 27,71inH20 (inch of water column, i.e., _{polegadas de coluna d’água ou} , cmH centímetros de coluna d’água . Este sensor possui uma resolução mínima de 0,005psi ou aproximadamente 0,35cmH20. Trata-se do modelo 26PCAFA6D, do fa- bricante Honeywell (HONEYWELL, 1998).

A proposta é, então, interpretar a variação do sinal de pressão da coluna de líqui- do como sendo a variação de altura da coluna de líquido. Para os sensores de pressão foram desenvolvidos transmissores eletrônicos de pressão diferencial que condicionam o sinal medido no padrão industrial de 4 a 20mA. Assim, os transmissores foram cali- brados de forma que estando o nível em seu valor mínimo, o sinal transmitido é de 4mA, caso contrário, i.e., o nível em seu valor máximo, o sinal transmitido é de 20mA. É impor- tante dizer, que por motivos referentes à construção do STAD, o nível mínimo situa-se em 1,5cm e o nível máximo em 25,5cm, com relação ao fundo do recipiente (TQ2 ou

TQ3).

O nível de fluido, i.e., a variável controlada (CV), é controlado tanto em TQ2 (TA)

como em TQ3 (TD). Os níveis e são controlados manipulando-se a vazão de entra-

da em TQ1 ( ), que por sua vez é alterada, manipulando-se a velocidade da bomba d’água, que por sua vez irá variar a vazão de entrada, , i.e., a variável manipulada (MV). Para variar a velocidade desenvolveu-se um circuito eletrônico, i.e., o atuador, para o acionamento da bomba que possui tensão de alimentação de 12Vcc. Neste atuador, dado um sinal de entrada com tensão variável entre 1,0 e 3,5Vcc, um sinal com período de 100µs e largura de pulso variável (PWM) entre 0 e 100µs mantém um valor médio de

84 tensão entre 0 e 12Vcc na bomba, variando sua velocidade e consequentemente a vazão

. A Figura 4.2 mostra o STAD conforme desenvolvido em laboratório.

Figura 4.2. Sistema de Tanques Desacoplados e Acoplados - STAD.

4.1.2. Metodologia Utilizada para o Sistema de Controle

A Figura 4.3 apresenta um diagrama esquemático ilustrando a metodologia utili- zada para o sistema de controle proposto.

TQ2

TQ1

TQ3

TQ4

BA01

85 Figura 4.3. Metodologia utilizada para o controle do STAD.

Na figura acima, pode-se listar os quatro componentes distintos de uma malha de controle. Primeiramente, tem-se o controlador, composto de um computador, cuja ar- quitetura é do tipo PC (Personal Computer), mais uma placa de aquisição de dados insta- lada, cujo barramento é do tipo PCMCIA (Personal Computer Memory Card International

Association). Mais adiante, tem-se o atuador_{, composto pela bomba d’água e o seu cir-}

cuito de acionamento. À frente, o processo composto pelo sistema de tanques TQ1, TQ2, TQ3 e TQ4, finalmente, o sensor, composto pelo sensor + transmissor eletrônico de 4 a 20mA de TQ2 ou pelo sensor + transmissor eletrônico de 4 a 20mA de TQ3.

Conforme mostra a Figura 4.3, a placa de aquisição é a interface entre o controla- dor e o STAD, sendo responsável pela leitura dos sinais de 4 a 20mA proveniente dos transmissores eletrônicos de pressão diferencial, conectados aos sensores de pressão

em TQ2 e TQ3, como também por enviar ao circuito de acio_{namento da bomba d’água}

BA01, um sinal de controle em tensão de 1 a 3,5V. Trata-se de uma placa modelo DAQ- Card-6062E do fabricante National Instruments com 8 canais de entrada analógicos di- ferenciais, com conversão Analógico/Digital (ADC), e 2 canais de saídas analógicos, com conversão Digital/Analógica (DAC), tendo ambos 12bits de resolução (NI, 2005). A Figu- ra 4.4 mostra em detalhes a conexão da placa de aquisição ao computador e os transmis- sores diferenciais e o circuito de acionamento PWM junto ao atuador BA01.

Set-point _{Nível em TQ2} Controle do

ou em TQ3 Conversor D/A Placa de Aquisição Controlador Atuador Processo Sensor Algoritmo de Controle PID Conversor A/D Placa de Aquisição Bomba d’água Sensor + Transmissor (TQ2) Sensor + Transmissor (TQ3) Tanques

86 Figura 4.4. (a) Circuitos eletrônicos do STAD (b) Conexão da placa de aquisição com o notebook.

Sendo assim, o controle é realizado pelo computador, mais propriamente um lap-

top conectado a placa de aquisição de dados, onde o algoritmo de controle descrito no

item 2.3.4 é executado em uma aplicação de tempo real por meio do software Ma- tlab/Simulink®. Dessa forma, diante do sinal adquirido pelo ADC da placa de aquisição, um sinal de erro referente ao set-point é gerado e por sua vez, utilizado para calcular a ação de controle PID, enviada a_{o circuito de acionamento da bomba d’água por meio do} DAC da placa.