Figura 4.9 – Tela “Operação”: controle de posição com ganho Kp = 5,0.
Portanto, nota-se que, quando a velocidade desejada for alcançada, o valor de MV_out será mantido.
A condição básica para a existência do controle de velocidade da haste é que a vazão que entra no cilindro seja inferior à entregue pela bomba ao sistema, o que se dá mediante desvio de parte da vazão da bomba ao reservatório através da válvula de alívio (von LINSINGEN, 2003).
O gráfico da Figura 4.11 permite a realização de uma importante análise sobre o funcionamento do controle proporcional a malha fechada da velocidade, além da análise sobre o efeito da estabilidade proporcionada pelo filtro utilizado durante o passo 2.
Controle de velocidade
-10 -5 0 5 10
2 3,5 5 6,5 8
9,5 11 12,5 14
15,5 17 18,5 20
21,5 23 24,5 26
27,5 29 30,5 32
33,5 35 36,5 38
39,5 41 42,5 44
45,5 47
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.11 – Gráfico de tendência do Excel: resposta do controle de velocidade.
Na figura 4.11 têm-se uma visão geral de todo o ciclo de furação, onde o efeito do filtro sobre a indicação da velocidade é bastante perceptível: nos passos 1 e 3 há grandes variações que sugerem mudanças de sentido do atuador, o que não corresponde à realidade;
enquanto que no passo 2, além do atuador se deslocar pouco, o efeito do filtro (com 0,9 de ganho) minimiza as oscilações na indicação e no controle da velocidade. Quando ocorre a transição para o passo 2, destacado em amarelo, o valor da saída de controle é próximo a zero, já que a variável controlada no passo 1 atinge o valor de referência neste momento. Desta forma, o cálculo do controlador é realizado conforme a Equação 4 e o tag PV_Veloc, em
verde claro, começa em zero e avança lentamente em busca do valor do SP_Veloc, em verde escuro, que é o valor de referência do controlador.
No ciclo de furação visualizado na Figura 4.11, a corrente de salto (Ijump) foi ajustada em 180 mA, o valor de referência em -0,5 %Pos/seg e ganho proporcional do controlador de velocidade estava igual a 1. Contudo, a opção por esses fatores é justificada pela prioridade dada à segurança da operação, minimizando o risco de dano material ou pessoal, e pela vontade de gerar velocidades bastante baixas, com o intuito de furar peças metálicas.
Além do mais, no caso analisado, a furação se deu apenas da posição 35 até 30.
Porém, já que a velocidade é incrementada pouco a pouco até atingir o valor de referência, a melhor aplicação do controle com esses parâmetros se dá em furações com maiores profundidades, que permitem manter a velocidade por mais tempo sendo controlada bem próxima ao valor desejado.
A fim de refinar as análises sobre a resposta do controle da velocidade, os gráficos mostrados nas Figuras 4.12 a 4.16 foram extraídos a partir de simulações do passo 2 com diversos ganhos proporcionais (Kp) do controle de velocidade. Todos os gráficos foram gerados com os mesmos parâmetros, exceto o ganho proporcional:
Valor de referência igual a -0,5;
Início do passo 2 na posição 35;
Término na posição 20;
Pressão de operação entre 15 e 20 bar;
Corrente de salto de 180 mA;
Filtro com ganho de 0,9.
É importante ressaltar que, propositalmente, as amplitudes (eixo y) das Figuras 4.12 a 4.16 são bastante reduzidas em relação ao gráfico da Figura 4.11; e, assim, as oscilações visualizadas são bem mais desprezíveis.
Os principais pontos a serem observados são:
Tempo para a velocidade (verde claro) atingir o valor de referência (verde escuro). Quanto menor o tempo, melhor é o controle.
Tempo no qual a velocidade é mantida próxima à referência. O ideal é permanecer todo o tempo sob controle.
As oscilações, ou seja, o quanto a velocidade ultrapassa a referência. Por questões de segurança, a velocidade não deve ultrapassar demasiadamente o valor de referência.
Segundo OGATA (1998), a resposta de um sistema de controle com retroação unitária para uma entrada em degrau envolve um erro estacionário se não houver integração no percurso direto. (Se erros pequenos à solicitação em degrau puderem ser tolerados, então um sistema do tipo 0 pode ser admissível, contanto que o ganho K seja suficientemente grande.
Entretanto, se o ganho K for grande demais, fica difícil obter-se uma estabilidade relativa adequada.) Se for desejado um erro estacionário nulo para uma solicitação em degrau, então o tipo do sistema deve ser 1 ou maior. O critério de classificação de sistemas (tipo 0, 1, 2, etc) é baseado no número de integrações indicadas pela função de transferência a malha aberta.
Desta forma, na aplicação em questão, percebe-se que os ganhos Kp=0,5 e Kp=1,0 oferecem maior segurança à operação da furadeira, devido à tolerância a pequenos erros que não ultrapassam a velocidade de referência. Por outro lado, ganhos maiores (Kp=1,5, Kp=2,0 ou Kp=3,0) permitem alcançar o valor de referência com maior rapidez, mas em detrimento do empobrecimento da estabilidade do sistema de controle.
Controle de velocidade (Kp = 0,5)
-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3
0,5 2 3,5 5 6,5 8 9,5 11 12,5 14
15,5 17 18,5 20
21,5 23 24,5 26
27,5 29 30,5 32
33,5 35 36,5 38
39,5 41 42,5 44
45,5 47 48,5 50
51,5
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.12 – Gráfico de tendência do Excel: controle de velocidade com Kp = 0,5
Controle de velocidade (Kp = 1,0)
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 25,5 26,5 27,5 28,5 29,5 30,5 31,5 32,5 33,5 34,5 35,5 36,5
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.13 – Gráfico de tendência do Excel: controle de velocidade com Kp = 1,0
Controle de velocidade (Kp = 1,5)
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5
11,5 12,5
13,5 14,5
15,5 16,5
17,5 18,5
19,5 20,5
21,5 22,5
23,5 24,5
25,5 26,5
27,5 28,5
29,5 30,5
31,5
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.14 – Gráfico de tendência do Excel: controle de velocidade com Kp = 1,5
Controle de velocidade (Kp = 2,0)
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2
0,5 1,5
2,5 3,5
4,5 5,5
6,5 7,5
8,5 9,5
10,5 11,5
12,5 13,5
14,5 15,5
16,5 17,5
18,5 19,5
20,5 21,5
22,5 23,5
24,5 25,5
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.15 – Gráfico de tendência do Excel: controle de velocidade com Kp = 2,0
Controle de velocidade (Kp = 3,0)
-0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
10,5 11,5
12,5 13,5
14,5 15,5
16,5 17,5
18,5 19,5
Tempo (s)
Amplitude
PV_Veloc SP_Veloc Passo2
Figura 4.16 – Gráfico de tendência do Excel: controle de velocidade com Kp = 3,0
5 CONCLUSÃO
Inicialmente existiu a dificuldade de entender o manual da placa de aquisição de sinais, que trata de maneira bem condensada a instalação deste equipamento, além do obstáculo inicial para configurar o driver de comunicação. Foram necessárias várias tentativas e consultas ao suporte técnico especializado para conseguir a aquisição das entradas analógicas.
Após isso, houve uma demora para identificar a necessidade de calibração dos canais analógicos e, somente algum tempo depois, é que foram habilitados os canais de saída analógica.
A tarefa que tinha o maior grau de dificuldade seria o desenvolvimento do driver de comunicação, mas isso pôde ser evitado com a obtenção disto no site http://www.lri.com.br, que é do fornecedor da placa de aquisição. Esta facilidade mudou a escolha do software de supervisão pensado inicialmente, do Intouch para o Elipse.
A partir do desenvolvimento deste trabalho, as principais conclusões obtidas foram:
1. Observou-se que a placa de aquisição de sinais, mesmo que de pequeno porte, aliada ao software de supervisão, ainda que na versão de demonstração, promovem adequadamente as funções de aquisição e monitoramento de pequenos empreendimentos, tornando-os automatizados sem a necessidade de um controlador lógico programável, diferenciando-se do que é normalmente utilizado.
2. Se aliada a outras ferramentas, quer seja um controlador, um software de simulação dinâmica ou um supervisório com recursos além dos obtidos na versão de demonstração, a placa de E/S pode prover soluções mais elaboradas para a automação de sistemas mais complexos, com monitoramento através da Internet, por exemplo.
3. Os objetivos de aquisição, monitoramento e controle propostos inicialmente foram, não apenas realizados, mas superados após melhor conhecimento do supervisório. Assim, foi possível realizar o controle pelo software, ao invés de se utilizar o controlador analógico pensado no início do projeto. Esta condição permitiu o desenvolvimento de recursos extras, tal como o uso da saída de controle, ora a malha aberta, ora fechada, e até mesmo alterar os parâmetros sem a necessidade se deslocar a bancada ou a estrutura física do dispositivo numa suposta área industrial. Entretanto, as limitações de alguns componentes da arquitetura montada revelam que esse sistema não se aplica em todos os casos, principalmente, os que
requerem alta atualização dos dados monitorados. Mesmo assim, existem inúmeras aplicações tanto para a placa quanto para o supervisório.
4. A aplicação utilizou a placa DAC com aquisição sob demanda. Não foram realizados testes com taxa DAC definida pelo hardware, podendo apresentar melhores resultados.
5. A monitoração desenvolvida no Elipse para este trabalho teve o propósito de acompanhar a operação da furadeira. Contudo, para melhor observação e análise das regiões transientes, deve-se otimizar as configurações do gráfico de tendência, reduzindo a janela de tempo, por exemplo.
6. Em comparação a um CLP, o sistema de aquisição de dados baseado em computador tem como ponto positivo o ganho de espaço físico e a possibilidade de utilizar um computador doméstico sem o alto custo de um CLP. Por outro lado, o ponto negativo do computador, tal como utilizado neste projeto, consiste no fato de que a unidade de processamento central (CPU) não é dedicada para a aplicação, influenciando o tempo de varredura e a confiabilidade.
7. Os desenvolvimentos de outros trabalhos poderão se basear neste material, que, por ter objetivo didático, teve por preocupação de ser bem claro, principalmente, nas etapas de instalação e configuração dos principais componentes.
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Considerando que a tendência dos sistemas de supervisão para os próximos anos deve estar baseada na supervisão remota (sistemas de telemetria através da internet e tecnologias sem fios, como celular, rádio ou satélite), um recurso bastante interessante a ser explorado é o Elipse Web (ou o Elipse E3), que é uma ferramenta adicional ao Elipse para a supervisão de processos através da Internet. Assim, utilizando um browser, o Elipse Web permite que o usuário se conecte a uma estação de supervisão remota, recebendo dados em tempo real, sendo visualizadas as mesmas telas monitoradas e controladas pelo Elipse SCADA, sem a necessidade de hardware adicional ao normalmente usado para acesso à Internet. Segundo informação fornecida no site do Elipse (http://www.elipse.com.br – acessado em 30/06/2004), a configuração desta ferramenta é extremamente fácil, bastando acionar um comando para gerar as telas para publicação na web.
Outra proposta a ser implementada seria o controle a malha fechada sobre a pressão do sistema hidráulico nos mesmos moldes do que foi realizado nesta monografia, pois seria útil na correção da queda de pressão causada pela partida do motor rotativo, de modo a não impactar na velocidade de avanço. Com isso, facilmente poderia ser criado um script para comandar uma eletro-válvula limitadora de pressão proporcional, de modo a aumentar a pressão enquanto o motor rotativo funciona, ou implementar o controle a malha fechada durante todo o ciclo. Isto, também torna possível a despressurização do circuito hidráulico em caso de emergência.
Os sinais provenientes dos transdutores de posição, temperatura e pressão apresentaram pequenas oscilações. Embora tenha sido implementado um filtro no Elipse para a variável posição, acredita-se que o condicionamento dos sinais dos transdutores pode ser melhorado com a utilização de filtros analógicos (hardware).
Com o intuito de aumentar a segurança em situações de emergência, o botão de parada de emergência pode ser incrementado com outras funções. Como exemplo, pode-se citar o comando da inversão do sentido de rotação antes do recuo à posição inicial, já que, em algumas situações, é o modo possível de retirar a broca da peça usinada. Ou ainda, promover a parada total do sistema em caso de emergência.
REFERÊNCIAS
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Rio de Janeiro: 1985.
BEGA, Egídio Alberto (org.). Instrumentação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2006.
BRAVO, Rafael R. S. Apostila de graduação: Introdução à hidráulica proporcional:
sistemas proporcionais para controle e automação. Campos dos Goytacazes: Cefet Campos, 2004.
CAMPOS, Mario César M. Massa de; TEIXEIRA, Herbert C. G. Controles típicos de equipamentos e processos industriais. São Paulo: Edgard Blücher, 2006.
DILDA, Vanessa. et al. Estudo do comportamento dinâmico de um atuador hidráulico e suas características não lineares. Ijuí: UNIJUI, 2007.
DORF, Richard C.; BISHOP, Robert H. Sistemas de controle modernos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.
LINSINGEN, Irlan von. Fundamentos de sistemas hidráulicos. 2. ed. Florianópolis: UFSC, 2003.
NATALE, Ferdinando. Automação industrial. 4. ed. São Paulo: Érica, 2000.
NEGRI, Victor Juliano de. Sistemas hidráulicos e pneumáticos para automação e controle: PARTE III – Sistemas hidráulicos para controle. Florianópolis: UFSC, 2004.
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 3. ed. Rio de Janeiro: Prentice-hall do Brasil, 1998.
OLIVEIRA, Adalberto Luiz de Lima. Fundamentos de controle de processo. Vitória:
SENAI, 1999.
PROAKIS, John G.; MANOLAKIS, Dimitris G. Digital signal processing: Principles, algorithms, and applications. 4. ed.New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2007.
SIGHIERI, Luciano; NISHINARI, Akiyoshi. Controle automático de processos industriais: Instrumentação. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1977.
ELIPSE SCADA: Manual do usuário. [s.l.]: 2006.
CONTROLADOR PID. [s.l.]: SENAI/CETEL/CENATEC, 199-.
GROUNDING considerations: Intermediate analog concepts. Disponível em:
<ftp://ftp.ni.com/pub/devzone/pdf/tut_5362.pdf>. Acesso em: 11 março 2008.
ISA products: Analog input & I/O - 12-bit or less resolution. Disponível em:
<http://www.measurementcomputing.com/cbicatalog/directory.asp?dept%5Fid=117&top%5F id=6&dept%5Fname=Analog+Input+%26+I%2FO&mscssid=3NDTHPF5X1168H1BX4A1R D42LFER9JBD>. Acesso em: 15 setembro 2007.
ANEXOS
1. Manual da placa CIO-DAS08-Jr/AO 2. Manual do driver CBoards32.dll
ANEXO 1: Manual da placa CIO-DAS08-Jr/AO
CIO-DAS08/JR
&
CIO-DAS08/JR-AO
Analog I/O and Digital I/O Board User’s Manual
Revision 4 April, 2001
1 INTRODUCTION
The CIO-DAS08/JR combines analog inputs with digital input and output capability. The CIO- DAS08/JR-AO adds analog output capability. Throughout this manual, we will refer to the CIO- DAS08/JR except where the analog outputs are being discussed. In all other respects, the boards are identical.
The CIO-DAS08/JR can be upgraded to a CIO-DAS08/JR-AO by purchasing and installing the CIO- DUAL-DAC chip set. See the “Upgrading the CIO-DAS08/JR” section.
1.1 ANALOG INPUTS AND OUTPUTS
The CIO-DAS08/JR has eight single-ended analog inputs and can supply two analog outputs. Twelve- bit resolution at a fixed ±5V range is provided for both inputs and outputs.
1.2 DIGITAL INPUTS AND OUTPUTS
There are eight inputs and eight outputs for sensing and controlling digital devices. They are port- addressable and are dedicated to either input or output. The digital outputs and inputs are TTL level.
2 SOFTWARE INSTALLATION
The board has a set of address switches to set before installing the board in your computer. The simplest way to configure your board is to use the InstaCalTM program provided as part of your software package. InstaCalTM will show you how to configure the switches to match your application requirements, and will create a configuration file that your application software (and the Universal Library) will refer to so the software you use will automatically know the exact configuration of the board.
Please refer to the Software Installation Manual regarding the installation and operation of InstaCalTM. The following information will allow you to do the hardware configuration of the board if you do not have immediate access to InstaCalTM and/or your computer.
3 HARDWARE INSTALLATION
3.2 INSTALLING THE CIO-DAS08/JR IN THE COMPUTER 1. Turn the power off.
2. Remove the cover of your computer. Please be careful not to dislodge any of the cables installed on the boards in your computer as you slide the cover off.
3. Locate an empty expansion slot in your computer.
4. Push the board firmly down into the expansion bus connector. If it is not seated fully it may fail to work and could short circuit the PC bus power onto a PC bus signal. This could damage the motherboard in your PC as well as the CIO-DAS08/JR.
4 CALIBRATION AND TEST
The CIO-DAS08/JR is supplied with software for calibration and test in the InstaCal program under the CALIBRATE option. The CIO-DAS08/JR has a fixed input range and does not have any input amplification or gain/offset compensation electronics. When using the optional Universal Library, all compensation for gain/offset errors is done in software after the signal is acquired. The gain and offset calibration factors are stored in the CB.CFG file and applied to the analog samples after they are acquired.
The calibration factors can be set as often as you like. Simply run the CALIBRATE option from the InstaCal menu.
5 SIGNAL CONNECTIONS
NOTE: The Analog Out pins apply only to the CIO-DAS08/JR-AO.
The CIO-DAS08/JR analog connector is a 37-pin, D-type connector accessible from the rear of the PC through the expansion backplate.
The connector accepts female 37-pin, D-type connectors, such as the C37FF-2, a 2-foot cable with connectors. For quick and easy access to the board, use a CIO-MINI37 screw terminal board.
6 REGISTER ARCHITECTURE
All of the programmable functions of the CIO-DAS08/JR are accessible through the control and data registers, which are explained here. We recommend programming with Universal Library rather than direct register programming.
6.1 REGISTER LAYOUT
The CIO-DAS08/JR is controlled and monitored by writing to and reading from four consecutive 8-bit I/O addresses (eight consecutive addresses on the CIO-DAS08/JR-AO). The first address, or BASE ADDRESS, is determined by setting a bank of switches on the board.
Most often, register manipulation is best left to ASSEMBLY language programs as most possible functions are implemented in Universal Library routines.
Note that an X is an unspecified bit. There is no function associated with that bit position. All X bits should be masked out of reads.
To write to or read from a register in decimal or HEX, the following weights apply:
To write control words or data to a register, the individual bits must be set to 0 or 1 then combined to form a byte. Data read from registers must be analyzed to determine which bits are on or off.
The registers and their function are listed on Table 6-2. Each register has eight bits which may constitute a byte of data or eight individual bit set/read functions.
6.2 A/D REGISTERS
A read only register.
On a read, it supplies the least significant four digits of the analog input data. These four bits of analog input data must be combined with the eight bits of analog input data in BASE + 1 to form a complete 12-bit number. The data is in the format 0 = minus FS (full scale); 4095 = +FS.
READ: The most significant A/D byte is read.
WRITE: Any write to this register causes an immediate A/D conversion.
A note of caution: Place several NO-OP instructions between consecutive 12-bit A/D conversions to avoid over-running the A/D converter.
6.3 STATUS AND CONTROL REGISTER BASE ADDRESS + 2
This register address is two registers, one for reading and one for writing.
EOC = 1 the A/D is busy converting and data should not be read.
EOC = 0 the A/D is not busy and data may be read.
ChAdd 2 to ChAdd 0 is the current analog input multiplexer channel. The current channel is a binary coded number between 0 and 7.
ChAdd 2 to ChAdd 0. Set the current channel address by writing a binary coded number between 0 and 7 to these three bits.
6.4 DIGITAL I/O CONTROL REGISTER BASE ADDRESS + 3
This address contains two registers, one for output and one for input. The output register is latched and holds the last value written to it. The input register is not latched. Each time the register is read the current state of the inputs is passed through this port into the computer.
WRITE = Set digital output port, all bits.
READ = Read digital input port, all bits and update both D/A channels simultaneously with the last values written to D/A output registers.
6.5 D/A CONTROL REGISTERS (CIO-DAS08/JR-AO ONLY)
Each D/A is controlled by a pair of 8-bit write only registers. These registers contain the high nibble and the low byte of the D/A 12 bit control word. The value written to these two registers controls the output of the D/A chip.
To update the D/A outputs with the values in the D/A output registers, read the register at BASE + 3.
The D/A output range can be calculated as [(#/4096) * 10V] 5V (for # between 0 and 4095 inclusive). The #/4096 is a proportion of the Full Scale Range, which is ±5V.
7 UPGRADING THE CIO-DAS08/JR
To add analog output capability to a CIO-DAS08/JR, order and install the CIO-DUAL-DAC upgrade kit. Insert the AD7237 received in the CIO-DUAL-DAC kit into the socket labeled U13. Align the notch or dimple indicating pin 1 on the chip with the notch in the white silkscreen outline printed on the board at the U13 position.