Desenvolvimento da automação, controle e supervisão de um sistema de ensaios de vazão e temperatura com tanques em desnível

(1)

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DIRETORIA DE GRADUAC

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CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAC

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DESENVOLVIMENTO DA AUTOMAC

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AO DE UM SISTEMA DE ENSAIOS DE VAZ ˜

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TEMPERATURA COM TANQUES EM DESN´IVEL

TRABALHO DE CONCLUS ˜

AO DE CURSO

CORN ´ELIO PROC ´OPIO

(2)

DESENVOLVIMENTO DA AUTOMAC

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AO, CONTROLE E

SUPERVIS ˜

AO DE UM SISTEMA DE ENSAIOS DE VAZ ˜

AO E

TEMPERATURA COM TANQUES EM DESN´IVEL

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apre-sentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso da Universidade Tecnológica Federal do Pa-raná como requisito parcial para obtenção do t´ıtulo de Bacharel

Orientador: Prof. Dr. Wagner Endo

CORN ´ELIO PROC ´OPIO

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Campus Cornélio Procópio

Departamento Acadêmico de Elétrica

Curso de Engenharia de Controle e Automação

FOLHA DE APROVAÇÃO

Gabriel Nassar

Desenvolvimento da automação, controle e supervisão de um sistema de ensaios de temperatura e vazão com tanques em desnível

Trabalho de conclusão de curso apresentado às 17:00hs do dia 23/11/2017 como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação no programa de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O candidato foi arguido pela Banca Avaliadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Avaliadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________________________ Prof(a). Dr(a). Wagner Endo - Presidente (Orientador)

______________________________________________ Prof(a). Dr(a). Emerson Ravazzi Pires da Silva - (Membro)

______________________________________________ Prof(a). Dr(a). Cristiano Marcos Agulhari - (Membro)

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Agradec¸o a Deus por guiar a caminhada que temos durante a vida.

A todos os professores que me guiaram durante esta graduação e em especial ao pro-fessor Wagner Endo pela orientação durante todo este trabalho e aos propro-fessores que formam a banca avaliadora: Emerson Ravazzi Pires da Silva e Cristiano Marcos Agulhari, não somente pela contribuição a este trabalho, mas também às aulas ministradas durante o curso. Incluindo todos os funcionários da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP), que busca o melhor para esta universidade, por onde passará muitas pessoas buscando novos aprendizados.

Aos meus amigos que querendo ou não, se tornaram minha fam´ılia no Paraná, e me acompanharam tanto nas aulas como nas descontrações durante o tempo em que vivemos juntos. Um agradecimento as repúblicas de Cornélio Procópio, Buraqueira, Pilar, P7, Cafofo, Amnésia e entre outras, mas em especial àqueles que compartilharam a casa comigo na Repilek: Lucas Balandis da Costa, Max Millian Ferreira e Souza, Guilherme Bender Sartori, Renan Rabello, Leonan Sampaio, Mario Gobbo, Vitor Valério, Kayo Savoia, Bruno Souza e Guilherme Correa. E aqueles também da Batcaverna: Kauan Xavier, Leandro D. Bertarelli, Leonardo Eiji Sassaki, Murilo Cabreira, Fernando Bonfim Martins, Luiz Felipe Prado, Rafael Nascimento dos Santos, André Avila Costa, Renan Reis de Carvalho Maria e ao Caio Silva. Além de tantos outros que não dividiram o mesmo teto, mas compartilham das mesmas histórias.

Aos amigos e parentes de Ribeir˜ao Preto que mesmo longe, s˜ao especiais. Especi-almente minha fam´ılia que esteve sempre ao meu lado me apoiando de todos os jeitos que conseguiam e me dando suporte para trilhar os caminhos desconhecidos.

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NASSAR, Gabriel. Desenvolvimento da automação, controle e supervisão de um sistema de ensaios de vazão e temperatura com tanques em desn´ıvel. 70 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Cornélio Procópio, 2017.

Neste projeto é realizado o desenvolvimento de uma planta didática industrial com tanques em desn´ıvel. E também a implementação da automação, controle e supervisão da mesma, re-alizando ensaios de vazão e temperatura. Para tanto é utilizado o software ScadaBR para a execução do sistema supervisório que contém licença gratuita. Desta forma, os conteúdos abor-dados são relacionados a controle de processos industriais, controladores lógicos programáveis e suas linguagens e sistemas supervisórios.

Palavras-chave: Sistema de controle, automação, supervisão, CLP, ScadaBR, vazão, planta didática industrial

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NASSAR, Gabriel. Development of automation, control and supervision of a system of flow and temperature tests with tanks in gap. 70 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Cornélio Procópio, 2017.

This project is the development of a didactic industrial plant with tanks in gap. And also the implementation of automation, control and supervision of the same, conducting tests of flow and temperature. It is used the ScadaBR software for the implementation of the supervisory system which contains a free license. In this way, the contents are related to industrial process control, programmable logic controllers and their languages and supervisory systems.

Keywords: System of control, automation, supervision, CLP, ScadaBR, flow, industrial didac-tic plant

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FIGURA 1 Malha de controle aberta . . . 15 –

FIGURA 2 Malha de controle fechada . . . 15 –

FIGURA 3 Princ´ıpio de funcionamento do CLP . . . 17 –

FIGURA 4 Diagrama de blocos dos m´odulos do CLP . . . 18 –

FIGURA 5 Representac¸˜ao de alguns contatos utilizados nas entradas do CLP . . . 20 –

FIGURA 6 Representac¸˜ao de tipos diferentes de bobinas na linguagem Ladder . . . . 21 –

FIGURA 7 Esquem´atico dos tanques em desn´ıvel . . . 23 –

FIGURA 8 Diagrama de tubulação e instrumentação da planta didática . . . 24 –

FIGURA 9 Rel´e de n´ıvel utilizado no projeto . . . 27 –

FIGURA 10 Placa de circuito impresso para acionamento de v´alvulas e bomba (frente) 28 –

FIGURA 11 Placa de circuito impresso para acionamento de v´alvulas e bomba (fundo) 28 –

FIGURA 12 Terceiro tanque de inox . . . 29 –

FIGURA 13 Bicos sendo torneado atrav´es de um tarugo de inox . . . 29 –

FIGURA 14 Bicos prontos . . . 30 –

FIGURA 15 Mangueira instalada no bico de inox . . . 31 –

FIGURA 16 Representac¸˜ao de contato aberto, fechado e bobina em linguagem Ladder 33 –

FIGURA 17 Fluxograma do ensaio de vaz˜ao . . . 34 –

FIGURA 18 Fluxograma do ensaio de histerese on/off . . . 35 –

FIGURA 19 Continuac¸˜ao do fluxograma do ensaio de histerese on/off . . . 36 –

FIGURA 20 Fluxograma do ensaio de temperatura . . . 37 –

FIGURA 21 Planta did´atica com tanques em desn´ıvel . . . 39 –

FIGURA 22 Lógica ladder para a comunicação com SCADABR . . . 40 –

FIGURA 23 Tela de supervis˜ao no software ScadaBR . . . 41 –

FIGURA 24 Representac¸˜ao da entrada de um tanque e sa´ıda do orif´ıcio . . . 42 –

FIGURA 25 Registro instalado entre tanques . . . 44 –

FIGURA 26 Enchimento do tanque 1 a partir do 3 . . . 45 –

FIGURA 27 Enchimento do tanque 3 a partir do 2 . . . 46 –

FIGURA 28 Janela de monitorac¸˜ao . . . 47 –

FIGURA 29 Configuração das variáveis da função PID . . . 48 –

FIGURA 30 In´ıcio da monitorac¸˜ao do controle PID . . . 49 –

FIGURA 31 Valor medido e desejado pr´oximos . . . 49 –

FIGURA 32 Valor medido ´e o valor desejado . . . 50 –

FIGURA 33 Gr´afico da temperatura do tanque dois e aquecimento atrav´es do tempo . 51 –

FIGURA 34 Entradas e sa´ıdas digitais . . . 56 –

FIGURA 35 Entradas e sa´ıdas anal´ogicas e bot˜oes de ensaio . . . 57 –

FIGURA 36 Relac¸˜oes da COM3 . . . 58 –

FIGURA 37 Relac¸˜oes do offset . . . 59 –

FIGURA 38 Propriedades do modbus serial . . . 60 –

FIGURA 39 Detalhes do data point . . . 61 –

FIGURA 40 Vers˜ao JAVA . . . 62 –

FIGURA 41 Seleção de idioma na instalação do SCADABR . . . 63 –

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FIGURA 45 Instalac¸˜ao e escolha do Banco de Dados . . . 65 –

FIGURA 46 Conclusão da instalação do SCADABR . . . 65 –

FIGURA 47 L´ogica de enchimento do tanque 1 a partir do 3 . . . 66 –

FIGURA 48 Lógica de enchimento do tanque 2 a partir do 1 - três válvulas abertas . . 67 –

FIGURA 49 L´ogica de enchimento do tanque 2 a partir do 1 - duas v´alvulas abertas . 67 –

FIGURA 50 L´ogica de enchimento do tanque 2 a partir do 1 - uma v´alvula aberta . . . 68 –

FIGURA 51 Lógica de enchimento do tanque 3 a partir do 2 - três válvulas abertas . . 68 –

FIGURA 52 L´ogica de enchimento do tanque 3 a partir do 2 - duas v´alvulas abertas . 69 –

FIGURA 53 L´ogica de enchimento do tanque 3 a partir do 2 - uma v´alvula aberta . . . 69 –

FIGURA 54 L´ogica ladder para o controlador PID . . . 69 –

FIGURA 55 L´ogica das v´alvulas 1, 2 e 3 do alto . . . 70 –

FIGURA 56 L´ogica das v´alvulas 4, 5 e 6 de baixo . . . 70 –

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TABELA 1 Vantagens e desvantagens da linguagem Ladder . . . 19 –

TABELA 2 Idenficicac¸˜ao funcional dos instrumentos . . . 25 –

TABELA 3 TAG e descrições dos instrumentos de medição existentes na planta didática . . . 25 –

TABELA 4 TAG e descrições dos instrumentos existentes na planta didática . . . 26 –

TABELA 5 Componentes utilizados na placa de circuito impresso . . . 27 –

TABELA 6 Identificação do endereço das entradas e sa´ıdas que serão utilizadas no CLP . . . 32

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CLP Controlador L´ogico Program´avel PLC Programmable Logic Controller

IEC International Electrotechnical Commision ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NEMA National Electrical Manufacturers Association UCP Unidade Central de Processamento

CPU Central Processing Unit IL Instruction List

ST Structured Text

LD Ladder Diagram

FBD Function Block Diagram SFC Sequential Function Chart

NA Normalmente aberto

NF Normalmente fechado

IHM Interface Homem-M´aquina

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1 INTRODUÇ ÃO . . . 11 1.1 OBJETIVOS . . . 12 1.1.1 Objetivo Geral . . . 13 1.1.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 13 1.2 ORGANIZAÇ ÃO DO TEXTO . . . 13 2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA . . . 14

2.1 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS . . . 14

2.1.1 Controladores PID . . . 16

2.2 CONTROLADOR L ´OGICO PROGRAM ´AVEL . . . 16

2.2.1 Linguagens de programação para controladores programáveis . . . 18

2.3 SISTEMAS SUPERVIS ´ORIOS . . . 21

3 PROPOSTA DA AUTOMAÇ ÃO E DESENVOLVIMENTO DA PLANTA DID ÁTICA INDUSTRIAL . . . 23

3.1 IMPLEMENTAÇ ÃO DA AUTOMAÇ ÃO DA PLANTA DID ÁTICA . . . 31

3.2 ENSAIOS PROPOSTOS . . . 33

4 RESULTADOS E DISCUSS ˜OES . . . 38

4.1 ENSAIOS . . . 41

4.1.1 Ensaio da velocidade e vaz˜ao de sa´ıda das v´alvulas . . . 41

4.1.2 Ensaio ON-OFF de histerese . . . 44

4.1.3 Ensaio do controle PID da temperatura . . . 46

5 CONSIDERAC¸ ˜OES FINAIS . . . 52

5.1 PROJETOS FUTUROS . . . 53

REFER ˆENCIAS . . . 54

Anexo A -- TABELA DE OPERANDOS E FUNC¸ ˜OES UTILIZADOS NO MASTER-TOOL . . . 56

Anexo B -- CONFIGURAC¸ ˜AO DOS OPERANDOS ENTRE MASTERTOOL E SCA-DABR . . . 58

Anexo C -- INSTALAC¸ ˜AO DO SOFTWARE SCADABR . . . 62

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1 INTRODUC¸ ˜AO

O avanço da tecnologia vem com a necessidade de se resolver problemas de maior complexidade para um ser humano ou até mesmo para uma máquina. Essa evolução chegou aos modos de produções, levando as indústrias a uma era de produção automatizada. Além dos processos fabris, os sistemas controlados estão cada vez mais presentes no cotidiano das pessoas (JUNIOR, 2013).

As produções se baseiam em processos industriais. Um processo é definido de uma forma geral como operações que são realizadas em série sobre materiais sólidos ou fluidos, com o objetivo de deixá-los em um estado melhor de utilização (CHAVES, 2016).

Uma das ferramentas mais utilizadas na automação de sistemas é o Controlador Lógico Programável, usualmente chamado pelas siglas: CLP (Controlador Lógico Programável) ou PLC (Programmable Logic Controller) (MADUREIRA, 2011).

O CLP é bem aplicado em instalações onde o sistema produtivo necessita de manobra, controle e supervisão. Por consequência disto, ele é empregado em vários tipos de processos. Algumas das aplicações fabris em que o controlador é bem empregado estão relacionadas às indústrias de plástico, petroqu´ımica, açúcar e álcool, aliment´ıcias, entre outros (FRANCHI; CAMARGO, 2008).

Por ser bem utilizado, a IEC (International Electrotechnical Commision), organização normativa internacional, criou a norma IEC 61131, visando a padronização de algumas instruções relacionadas aos CLPs, com o objetivo de facilitar as técnicas e linguagens de programação para o desenvolvimento de softwares para esses sistemas (NAKAGAWA, 2009).

Nos dias atuais, os processos realizados nas indústrias necessitam não apenas de um profissional que conheça uma certa área de atuação, e sim daquele que tem o conhecimento de várias áreas. Por exemplo, em uma produção que contém sistemas automatizados para obter uma certa cor de tinta, um profissional da área de controle e automação não conseguirá resolver sozinho o problema, sendo necessário trabalhar em conjunto com uma pessoa que entenda da área de qu´ımica. Portanto, trabalhos que envolvam mais de uma área são de grande valia.

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Em um processo industrial, existem variáveis distintas em um mesmo procedimento, como malhas de temperatura, vazão, n´ıvel e pressão por exemplo. Deste modo, o trabalho bus-cou o desenvolvimento de uma planta industrial didática para a implementação da automação, controle e supervisão, permitindo a execução de ensaios e manobras que são realizadas nos processos reais em uma indústria.

Neste projeto, conta-se com uma planta desenvolvida com tanques em desn´ıveis con-tando com a ajuda da gravidade para o escoamento do flu´ıdo entre os tanques, permitindo en-saios com a variável de vazão. A planta didática conta com um aquecedor no tanque central e termopares do tipo J em todos os tanques, possibilitando um acompanhamento da variável temperatura e o controle desta variável.

Nos processos industriais a vazão é a terceira grandeza que é medida. Ela é utilizada muito para o controle de fluxo de l´ıquidos, sólidos granulados e até gases. Além da medida ser feita para se ter a quantidade do produto produzido, o controle da vazão também é muito realizado para a verificação do rendimento do processo (ARA ÚJO et al., 2015).

Por estar em contato com a temperatura durante o dia a dia tem-se que é uma variável de fácil manuseio no controle. Mas ela reflete um estado energético das vibrações médias das moléculas ou átomos de um meio. Dessa forma tem-se o quente, frio, gelado e assim por diante, sendo hoje uma das grandezas mais medidas e controladas em todo o mundo, mesmo não sendo tão simples o seu entendimento, e até mesmo o seu controle (SILVA, 2013).

Desta forma, este projeto busca o contato com instrumentos e processos que são uti-lizados nas indústrias, como indicadores de temperatura, termopares do tipo J, Controlador Lógico Programável, válvulas solenoides e conversor de potência, que executam procedimen-tos semelhantes aos encontrados no desenvolver da planta didática industrial e a implementação da automação, controle e supervisão dos processos.

Por fim, como algumas empresas possuem programas que necessitam de pagamentos de licenças para serem utilizados, e as informações contidas neles ficam guardadas e ao alcance de poucas pessoas, será utilizado o software ScadaBR, que é um software open source.Isso significa que ele tem o código aberto e que pode ser adaptado para diferentes fins, além de possu´ırem fóruns de discussões com o objetivo de disseminar ideias novas e tirar dúvidas sobre instalações, programações e outras atividades.

1.1 OBJETIVOS

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1.1.1 OBJETIVO GERAL

O presente trabalho busca automatizar uma planta didática industrial desenvolvida em conjunto com os alunos Heliton Macedo e Hudson Junior Silva. Busca também implementar o controle com um software de programação para CLP, e a supervisão para ensaios de vazão e temperatura com tanques em desn´ıvel com um software open source. Desse modo, deixar um primeiro trabalho acadêmico sobre esta planta didática em espec´ıfico, da qual foi desenvolvida desde o in´ıcio por alunos da universidade.

1.1.2 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS

Nos itens definidos a seguir est˜ao os objetivos espec´ıficos que este projeto busca con-cluir.

• Construção da planta didática industrial;

• Implementar a automação da planta didática;

• Modelar e identificar o processo de vaz˜ao da planta did´atica;

• Desenvolver o sistema de controle da planta didática através de software de programação;

• Realizar ensaios de vaz˜ao e temperatura;

• Desenvolver um sistema supervis´orio atrav´es do ScadaBR.

1.2 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TEXTO

A proposta está estruturada em cap´ıtulos. No Cap´ıtulo 2 está presente a fundamentação teórica, descrevendo detalhadamente as áreas de conhecimento abordadas. No Cap´ıtulo 3 são descritas a proposta deste trabalho e as ferramentas que serão utilizadas. No Cap´ıtulo 4 estão os resultados e discussões apresentados no presente projeto, junto com os ensaios realizados na planta didática industrial. Por fim, o Cap´ıtulo 5 expõe as considerações finais do trabalho de conclusão de curso.

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2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA

Neste cap´ıtulo serão apresentadas as áreas estudadas para a execução do projeto. Por-tanto, há uma abordagem de controle de processos industriais, de controladores lógicos pro-gramáveis e suas linguagens de programação e de sistemas supervisórios.

2.1 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Um processo realiza algumas etapas quando se trata de sistemas de controle. Primei-ramente são feitas medições de um estado, em seguida o controlador realiza uma ação para chegar de um valor medido para o valor desejado, posteriormente o sinal de sa´ıda do controla-dor manipula o atuacontrola-dor fazendo com que o processo reaja mudando o seu estado (FRANCHI, 2011).

Alguns termos utilizados para o controle de processos s˜ao:

• Variável de processo: o que pode alterar de alguma forma o processo (pressão, tempera-tura, n´ıvel, vazão, entre outros).

• Setpoint: valor desejável que a variável de processo permaneça.

• Vari´avel manipulada: uma grandeza que se altera para manter o processo no setpoint.

• Erro (offset): a diferenc¸a entre o estado da vari´avel de processo e o valor desejado.

Há uma medição através de sensores, da variável de processo, o controlador por sua vez trabalha com a variável manipulada para diminuir o erro e fazer com que a variável de processo fique o mais próxima poss´ıvel do valor desejado (FRANCHI; CAMARGO, 2008).

Existem malhas de controle aberta e fechada. A diferença entre elas é que a malha aberta não tem um retorno, ou seja, a informação na sa´ıda do sistema não afeta a entrada, já na malha fechada a sua sa´ıda influencia a entrada. As Figuras 1 e 2 representam as malhas aberta e fechada, respectivamente.

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Figura 1: Malha de controle aberta Fonte: Adaptado de (OGATA et al., 2003)

Figura 2: Malha de controle fechada Fonte: Adaptado de (OGATA et al., 2003)

Em todo sistema de controle, há três componentes básicos. O sensor/transmissor, ele-mentos primários e secundários do sistema; o Controlador, “cérebro”do sistema; e os eleele-mentos finais de controle, sendo comumente utilizados válvulas, bombas de velocidade variável e mo-tores elétricos (SMITH; CORRIPIO, 1997).

Como citado, existem alguns dispositivos utilizados nas malhas de controle. Os ele-mentos primários são aquele que estão conectados à variável do processo e que conseguem medir suas alterações, como os termopares, placas de orif´ıcio entre outros. Existem também os transdutores, são eles que transformam um sinal mecânico em elétrico, no caso por exemplo de se medir a pressão por capacitância, outro dispositivo de transformação são os conversores, que traduz sinal um tipo de sinal em outro (analógico para digital por exemplo). O transmissor é o elemento que transmite esses sinais para um mostrador ou controlador, e o indicador é o que mostra o estado de uma variável, como o termômetro no chão de fábrica. E por último existem os elementos finais de controle, conhecidos como atuadores, e são eles que atuam para alterar fisicamente a variável manipulada (FRANCHI, 2011).

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2.1.1 CONTROLADORES PID

Uma das técnicas mais utilizadas para controle de um sistema é o controle proporci-onal, integral e derivativo, PID. Devido a uma grande variedade de ferramentas existentes, a implementação do controle PID é mais prática (GUERRA, 2009). Atualmente existem algorit-mos já definidos pelo software, e é o caso que utilizarealgorit-mos neste projeto, através do bloco de função do software Mastertool, da Altus.

A parte proporcional do controlador tem o objetivo de atenuar as oscilações que tem durante um processo industrial, enquanto a parte integral elimina algum tipo de erro exis-tente (offset). Já a parte derivativa antecipa o desvio entre valores medidos e desejados, muito utilizado em processos que envolvem controles de temperatura. O controle PID tem sua vanta-gem de estar reunindo três tipos de controladores em apenas um (OLIVEIRA, 1999).

O controlador PID tem a função transferência como na Equação (1) (adaptado de (DORF; BISHOP, 1998)). Onde Gc(s) é a função do controlador PID e Kp, Ki e Kd são os ganhos proporcional, integral e derivativo, respectivamente.

G_c(s) = Kp+ K_i

s + Kds (1)

Uma das técnicas mais utilizadas para ajuste dos parâmetros do PID é a regra de Ziegler-Nichols que se baseia no ajuste emp´ırico através de ensaios experimentais, buscando uma resposta aceitável (MORGADO, 2007).

2.2 CONTROLADOR L ´OGICO PROGRAM ´AVEL

Como já citado, neste trabalho será utilizado um CLP para o controle e automação da planta didática. Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), o CLP é definido como “um equipamento eletrônico digital com hardware e software compat´ıveis com aplicações industriais”. E a NEMA (National Electrical Manufacturers Association) define um CLP como “aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armaze-namento interno de instruções para implementações espec´ıficas, tais como lógica, sequencia-mento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e sa´ıdas, vários tipos de máquinas ou processos”.

Segundo (FRANCHI; CAMARGO, 2008) geralmente o CLP ´e dividido em duas par-tes:

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• A UCP (Unidade Central de Processamento) que comanda o controlador em si, e contém elementos como processador, memória e fonte de alimentação;

• Entradas e sa´ıdas.

A execução de um CLP comum está divido em três estágios: varredura das entradas, execução do programa e atualização das sa´ıdas, conforme ilustra a Figura 3.

Figura 3: Princ´ıpio de funcionamento do CLP Fonte: Adaptado de (MIAZAKI; FR ´E, 2010)

A Figura 4 mostra um diagrama de blocos dos módulos dos controladores lógicos programáveis. Existem, portanto, o bloco contendo uma fonte de alimentação; um bloco de en-tradas digitais, que de acordo com as caracter´ısticas fornecidas pelo fabricante do CLP utilizado no trabalho possui 16 pontos com tensões que podem ser de 24V ou 120V , que são utilizadas para sensores de dois ou três fios; outro bloco representa as sa´ıdas digitais, que também pos-sui 16 pontos com contatos secos. As entradas analógicas possuem 8 pontos para a medição de tensão, corrente, uso de termopares e resistências. Já as sa´ıdas analógicas contêm 4 contatos que permitem uma variação de 0 a 20mA, 4 a 20mA, 0 a 10V ou −10 a 10V . O bloco que representa a UCP, conhecido também por CPU (Central Processing Unit), é a unidade de programação e está destinada a supervisão e controle de processos. Há também o bloco de comunicação no diagrama e representa os módulos do CLP que permitem a comunicação com redes que seguem o padrão TCP-IP.

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Figura 4: Diagrama de blocos dos m´odulos do CLP Fonte: Adaptado de (FRANCHI; CAMARGO, 2008)

2.2.1 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇ ÃO PARA CONTROLADORES PROGRAM ÁVEIS

Como já citado, nos últimos anos, as indústrias estão em constante mudança com o objetivo de alcançar o melhor patamar. Assim, algumas vezes a empresa precisa atualizar o CLP, quando o mesmo já não consegue suprir suas necessidades, e desse modo a comunidade industrial reconheceu que era preciso estabelecer alguns padrões para os CLPs. Então foi criado o IEC e com ele, a norma IEC 61131, cuja terceira parte trata das linguagens de programação (FRANCHI; CAMARGO, 2008).

Existem duas linguagens textuais: lista de instruções ou IL (Instruction List), e texto estruturado ou ST (Structured Text), bem como duas linguagens gráficas, diagrama Ladder ou LD (Ladder Diagram) e o diagrama de blocos de funções ou FBD (Function Block Diagram). Há também um conjunto de elementos textuais e gráficos cuja linguagem recebe o nome de diagrama de função sequencial ou SFC (Sequential Function Chart) (IEC, 2013).

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por linha, recomendada para pequenas aplicações. Já a de texto estruturado é reconhecida como sendo de alto n´ıvel, contendo conceitos intuitivos e sendo utilizada em implementações complexas. O diagrama Ladder possui barras paralelas e, entre elas, a lógica de controle, com s´ımbolos como contatos abertos e fechados e bobinas. Diagrama de blocos de funções utiliza uma combinação de bloco de lógicas AND, OR, NOT, entre outros. Por fim o diagrama de função sequencial, chamado também de Grafcet, que mescla os tipos de linguagens utilizadas nos controladores programáveis e contém blocos que representam o estado do sistema e são interligadas pelas transições, que executam a troca de estado do processo (NAKAGAWA, 2009).

A linguagem Ladder foi a primeira utilizada pelos fabricantes de CLPs e desse modo é uma das mais difundidas nas indústrias, sendo a linguagem a ser usada neste projeto. No in´ıcio, geralmente, os encarregados da programação dos CLPs eram os técnicos e engenheiros. Assim, a linguagem teria que ser algo onde todos conseguissem se adaptar, portanto foi desenvolvida para conter conceitos dos diagramas de comando elétricos (bobinas e contatos) (FRANCHI; CAMARGO, 2008).

Todas as linguagens possuem suas vantagens e desvantagens, de acordo com o (FRAN-CHI; CAMARGO, 2008). As caracter´ısticas da linguagem Ladder est˜ao mostradas na Tabela 1.

Tabela 1: Vantagens e desvantagens da linguagem Ladder

Vantagens Desvantagens

Rápida adaptação para quem programa Utilização em programas extensos e complexos

Racioc´ınio lógico - comando de relés Programadores não familiarizados com operações com relés

Fácil visualização dos estados das variáveis Edição mais lenta

Mais rápida a documentação

S´ımbolos padronizados mundialmente

Fonte: Adaptado de (FRANCHI; CAMARGO, 2008)

O diagrama Ladder utiliza-se da lógica de contatos, onde é definido se o mesmo está aberto ou fechado. Quando aberto, não permite a passagem de energia (corrente elétrica) e quando fechado, permite. Esses contatos podem ser botões (pushbutton) ou chaves e são

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re-presentados atrav´es de alguns s´ımbolos, como mostrados na Figura 5, e classificados como NA (Normalmente aberto) ou NF (Normalmente fechado).

Figura 5: Representac¸˜ao de alguns contatos utilizados nas entradas do CLP Fonte: Adaptado de (MARTINS, 2007)

Outra representação existente na linguagem Ladder, são as bobinas, e podem apare-cer de diferentes modos. Quando há a circulação de corrente elétrica na bobina, cria-se um campo magnético que faz com que se feche um circuito e quando não existem essa circulação de corrente, não há o campo magnético e por consequência não há o fechamento do circuito (FRANCHI; CAMARGO, 2008).

Na Figura 6, estão esquematizados linhas de comando do diagrama Ladder represen-tado alguns tipos de bobinas. Suponha-se que sempre há energia no terminal esquerdo e quando ela consegue passar pela lógica de controle e chegar a bobina normal, o terminal direito se torna energizado e aciona seus contatos, quando essa energia é cortada, o mesmo terminal direito volta a ficar desenergizado e seus contatos retornam ao estado que estavam antes. Já na bobina negada, faz o papel inverso da normal. E a Set quando energizada, se mantem acionada, inde-pendente do cessamento da energia no terminal esquerdo, o único modo de fazer ela retornar ao estado inicial, é usando a bobina Reset, representada por fim no esquema.

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Figura 6: Representac¸˜ao de tipos diferentes de bobinas na linguagem Ladder Fonte: Adaptado de (MARTINS, 2007)

2.3 SISTEMAS SUPERVIS ´ORIOS

Segundo (PAIOLA, 2016), o sistema que permite a visualização e operação de um processo de maneira remota, através de uma IHM (Interface Homem-Máquina), é o chamado sistema supervisório, ou sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) e essa não é a única função deste sistema.

De acordo com (SCADABR, 2010), algumas funções utilizadas em sistemas SCADA são:

• Gerar gráficos e relatórios com históricos dos processos;

• Detectar alarmes;

• Registrar eventos nos sistemas automatizados;

• Possibilitar o controle remoto;

• Enviar parˆametros e valores desejados;

• Acionar e comandar equipamentos.

Por esse sistema ser visual, através da IHM, ele é muito utilizado no chão-de-fábrica. Por permitir que se acompanhe o andamento e os status das variáveis envolvidas no processo em andamento. E com isso aumentou-se o uso ds sistema SCADA, nas produções em larga escala e que necessitam de aplicações industriais mais complexas (DANEELS; SALTER, 1999).

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Com o sistema SCADA também existe a aquisição de dados. Em uma empresa é de extrema importância a documentação dos dados de forma correta, para setores como gerência, direção e entre outros, terem em mãos informações relevantes da produção. Porque através desses relatórios, é poss´ıvel ter um controle mais preciso em relação ao processo fabril, e dessa forma, melhorá-lo, modificá-lo e até mesmo estudá-lo (SCADABR, 2010).

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3 PROPOSTA DA AUTOMAÇ ÃO E DESENVOLVIMENTO DA PLANTA DID ÁTICA INDUSTRIAL

A planta didática que será utilizada para esse projeto contará com três tanques em desn´ıvel, para assim tornar a força da gravidade uma aliada à vazão. Será incorporado um termômetro no tanque intermediário, e termopares em todos. Entre o primeiro e o segundo tanque existirá três válvulas, assim como entre o intermediário e o terceiro, para que se consiga uma vazão alta (com as três válvulas abertas), média (duas delas) ou baixa (com apenas uma delas aberta).

Os tanques da planta didática estarão em desn´ıvel, conforme esquematizado na Figura 7. O fluxo do l´ıquido passará pelo tanque 1, 2 e 3 através de válvulas e aux´ılio da força da gra-vidade. Já o fluxo do terceiro para o primeiro tanque contará com a ajuda de uma eletrobomba.

Figura 7: Esquem´atico dos tanques em desn´ıvel Fonte: Autoria pr´opria

´

E proposta a implementação da automação através do desenvolvimento do painel de controle, que contará com o controlador lógico programável, para fazer as manobras e ensaios de vazão. O painel também contará com relés de n´ıvel que auxiliarão no projeto da automação e controle. Para os ensaios e manobras envolvendo a temperatura, haverá um aquecedor no

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tanque intermediário, que contará com um termopar e termômetro.

O diagrama de tubulação e instrumentação da planta didática está representado na Fi-gura 8. O diagrama mostra o fluxo que o l´ıquido fará através dos tanques, válvulas e a eletro-bomba, além de indicar os instrumentos que estão instalados no campo e painel. Os relés de n´ıvel, estarão localizados no painel, e através de um sinal elétrico (fios r´ıgidos) eles indicarão se o n´ıvel estará alto ou baixo em função da referência, portanto, conseguem indicar e transmitir a variável n´ıvel para o controlador.

Figura 8: Diagrama de tubulação da planta didática industrial. Mostrando seus tanques e a instrumentação industrial utilizada.

Fonte: Autoria pr´opria

As TAG são criadas para a identificação funcional dos instrumentos industriais e sua localização, por exemplo em um diagrama de tubulação. Elas são formadas por algumas letras

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e números, a primeira letra representa a variável que o instrumento está medindo, as letras seguintes representam as funções dos instrumentos e os números identificam alguma área que o instrumento se localiza, ou setor, grupo e até mesmo número de identificação do aparelho (ELETROBR ÁS, 2008). A Tabela 2 mostra como são formadas as TAG utilizadas no projeto.

Tabela 2: Idenficicac¸˜ao funcional dos instrumentos

Letra Variável medida (primeira letra) Função (demais letras)

I Corrente el´etrica Indicador

L N´ıvel Lˆampada piloto ou baixo

T Temperatura Transmissor

Fonte: Adaptado de (ELETROBR ´AS, 2008)

Na Tabela 3 estão descritos os instrumentos de medição do diagrama de tubulação com suas TAG, utilizadas para localizá-los na planta didática.

Tabela 3: TAG e descrições dos instrumentos de medição existentes na planta didática

TAG Descric¸˜ao

LIT-01 Indicador transmissor de n´ıvel do tanque 1 TT-01 Transmissor de temperatura do tanque 1 LIT-02 Indicador e transmissor de n´ıvel do tanque 2

TT-02 Transmissor de temperatura do tanque 2 TI-02 Indicador de temperatura do tanque 2 LIT-03 Indicador e transmissor de n´ıvel do tanque 3

TT-03 Transmissor de temperatura do tanque 3

A Tabela 4 demonstra as TAG que são utilizadas no diagrama de tubulação para a localização dos instrumentos que não são de medição, como o do controlador, dos tanques, das válvulas solenoides, do aquecedor e da eletrobomba.

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Tabela 4: TAG e descrições dos instrumentos existentes na planta didática

TAG Descric¸˜ao

PLC-00 Controlador lógico programável T-01 Tanque mais alto (primeiro) V-01 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) V-02 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) V-03 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) T-02 Tanque intermediário (segundo) A-01 Aquecedor do T-02 V-04 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) V-05 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) V-06 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) T-03 Tanque final (terceiro) B-01 Eletrobomba (sa´ıda do T-03)

Para o entendimento da programação (especificamente dos contatos utilizados para o n´ıvel dos tanques) será explicado o funcionamento dos relés de n´ıvel utilizado no projeto. Eles são chamados de relés de n´ıvel superior e inferior e são destinados a supervisão de l´ıquidos condutores de corrente elétrica não combust´ıveis. Existem três eletrodos, o de n´ıvel superior, inferior e um referência. Quando todos estão em contato com o l´ıquido fecha-se o circuito e então o relé aciona o contato, desse modo mostra que o n´ıvel está cheio (superior). Para o relé voltar, ficar novamente aberto, o l´ıquido não pode estar em contato com os eletrodos de n´ıvel superior e inferior, caso esteja em contato somente com o inferior ele continua setado pois ainda tem l´ıquido entre o n´ıvel mais alto e mais baixo. Quando o fluido fica somente no eletrodo de referência então o relé desarma e assim identifica-se que o tanque está vazio.

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Figura 9: Rel´e de n´ıvel utilizado no projeto Fonte: Autoria pr´opria

As válvulas solenoides utilizadas no projeto são de 127volts mas a sa´ıda do CLP é de 24volts. Uma placa de circuito impresso foi utilizada para resolver este problema e é feita com relés 24volts para o acionamento das válvulas e da bomba de retorno. A bomba de retorno é acionada através de uma fonte de computador, que também é de 127volts, ou seja, o CLP aciona a fonte através da mesma placa de circuito impresso que por sua vez aciona a bomba de retorno.

Os componente utilizados e suas quantidades no projeto da placa de acionamento est˜ao mostrados na Tabela 5.

Tabela 5: Componentes utilizados na placa de circuito impresso

Quantidade Componente 02 Placa de fenolite de 10x14cm

09 LEDs 3mm da cor vermelha

09 Resistores de 3.3KΩ

09 Rel´es 24V dc MOD. HJR-3FF-S-Z 4

09 Diodos N4001

23 Conectores Borne KRE 2 vias

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A Figura 10 mostra a frente da placa de circuito impresso, desenvolvida para o painel de controle da bancada did´atica. O seu circuito foi projetado no software DipTrace e em seguida foi impresso nas placas de fenolite, corro´ıdo e por ´ultimo os componentes foram soldados.

Figura 10: Placa de circuito impresso para acionamento de v´alvulas e bomba (frente) Fonte: (MACEDO; SILVA, 2016)

A Figura 11 mostra o circuito el´etrico que foi impresso na placa de fenolite.

Figura 11: Placa de circuito impresso para acionamento de v´alvulas e bomba (fundo) Fonte: (MACEDO; SILVA, 2016)

Os três tanques foram desenvolvidos com chapas de inox, com medidas de 30x30x30cm. O primeiro tanque tem uma entrada de água (que será da bomba de retorno), três sa´ıdas para o segundo tanque e uma entrada rosqueada para a instalação de um termopar. O segundo conta com três entradas de água do primeiro tanque e três sa´ıdas para o terceiro, com duas roscas para um termopar e um termômetro. No terceiro tanque existem três entradas de água do segundo tanque e uma sa´ıda para a bomba levar o fluido até o primeiro, e um furo rosqueado para instalar um termopar, a Figura 12 mostra o tanque três.

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Figura 12: Terceiro tanque de inox Fonte: (MACEDO; SILVA, 2016)

As entradas e sa´ıdas de água do tanque foram feitas através de um tarugo de inox 304. Foram torneados 15 bicos: 14 para os tanques e um para a instalação da mangueira na bomba de retorno de água. A Figura 13 mostra o tarugo no processo de torneamento.

Figura 13: Bicos sendo torneado atrav´es de um tarugo de inox Fonte: Autoria pr´opria

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Figura 14: Bicos prontos Fonte: Autoria pr´opria

A Figura 15 mostra o bico de entrada de ´agua do primeiro tanque com a mangueira instalada.

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Figura 15: Mangueira instalada no bico de inox Fonte: Autoria pr´opria

3.1 IMPLEMENTAÇ ÃO DA AUTOMAÇ ÃO DA PLANTA DID ÁTICA

A proposta da implementação da automação consiste em executar a instalação do CLP nas suas interfaces corretas, instalando os indicadores de n´ıvel como entradas digitais; válvulas e eletrobomba, como sa´ıdas digitais; termopares, como entradas analógicas; e aquecedor, ligado ao conversor de potência que está na sa´ıda analógica do controlador.

Com o uso do software de programação, a implementação continua ao realizar os testes das entradas e sa´ıdas dos módulos do CLP, para a verificação do funcionamento das interfaces do controlador e a sua comunicação com o software.

A importância da verificação se dá na identificação das entradas e sa´ıdas do controla-dor, de modo a realizar uma documentação, que auxiliará no desenvolvimento dos ensaios de vazão e temperatura da planta didática.

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Nesta identificação das entradas e sa´ıdas do CLP, é utilizada a Tabela 6 que está re-presentando as TAG dos instrumentos que existem na planta didática industrial e o endereço que o software utiliza para executar as manobras e ensaios. Este endereço é atribu´ıdo ao ins-trumento, de maneira que os instrumentos que funcionam como entradas digitais apresentam a forma %E000X.X, onde X.X representa a sa´ıda digital do controlador. Por exemplo, se o medidor de n´ıvel estiver no contato 01, o seu endereço será %E0000.1 e assim por diante. Já as sa´ıdas digitais são representadas com o padrão %S005X.X e as entradas e sa´ıdas analógicas são representadas como %M020X e %M050X, respectivamente.

Tabela 6: Identificação do endereço das entradas e sa´ıdas que serão utilizadas no CLP

TAG Descrição Endereçamento no software

LIT-01 Indicador transmissor de n´ıvel do T-01 %E0001.1 TT-01 Transmissor de temperatura do T-01 %M0200

V-01 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) %S0050.0 V-02 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) %S0050.1 V-03 Válvula solenoide (sa´ıda do T-01) %S0050.2 LIT-02 Indicador e transmissor de n´ıvel do T-02 %E0001.2 TT-02 Transmissor de temperatura do T-02 %M0201

A-01 Aquecedor do T-02 %M0500

V-04 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) %S0050.3 V-05 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) %S0050.4 V-06 Válvula solenoide (sa´ıda do T-02) %S0050.5 LIT-03 Indicador e transmissor de n´ıvel do T-03 %E0001.3 TT-03 Transmissor de temperatura do T-03 %M0202

B-01 Eletrobomba (sa´ıda do T-03) %S0050.6

Na Figura 16, está mostrada a tela do software MasterTool XE de programação utili-zado no projeto, exibindo um contato aberto (representado pelo endereço %E0000.5), fechado (%E0000.6) e a bobina (%S0051.0), na linguagem Ladder.

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Figura 16: Nota-se que na captura de tela do software Mastertool há a representação de um contato aberto, um fechado e uma bobina em linguagem Ladder

3.2 ENSAIOS PROPOSTOS

São realizados três ensaios, envolvendo as variáveis: vazão, temperatura e n´ıvel. Os fluxogramas mostrados nas Figuras 17 a 20 estão demonstrando os ensaios.

Na Figura 17 está representado o fluxograma do ensaio sobre a vazão. Primeiramente verifica-se a coluna de água existente nos três tanques, para realizar a conta após o ensaio, posteriormente se inicia o ensaio pressionando o botão no software SCADABR (ou forçando a mesma variável no software Mastertool), após pressionado o programa verificará se todos os tanques não estão cheios para não acontecer o transbordamento de água durante o ensaio. Se nenhum estiver cheio, todas as válvulas se abrirão e se iniciará a contagem de um tempo determinado anteriormente (de acordo com o programador no software Mastertool). Quando terminar a contagem todas as válvulas serão desligadas. Então verifica-se as colunas de água novamente e então as contas são realizadas, baseado na diferença de coluna de água do tanque 1 e do 3, pois o 2 ficará com um n´ıvel constante. Com o tempo (antes determinado) e o volume deslocado entre os tanques, determina-se a velocidade de sa´ıda das válvulas e com a área de abertura da válvula consegue-se a vazão existente nas válvulas de sa´ıda do tanque 2.

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Figura 17: Fluxograma do ensaio de vaz˜ao Fonte: Autoria pr´opria

Na Figura 18 e 19 está representado o fluxograma do ensaio de histerese, com válvulas on-off. Para cada enchimento de tanque, necessita-se de um botão de start. Inicialmente o tanque 1 e 2 estarão vazios e o 3 completamente cheio. Com o botão apertado para encher o tanque 1, será verificado se somente o 3 está cheio e então liga-se a bomba para levar o fluido do ultimo para o primeiro tanque. Quando n´ıvel do tanque 1 estiver cheio, desliga-se a bomba e o botão. Para encher o tanque 2, outro botão verifica se somente o tanque 1 está cheio, se sim, todas as válvulas entre o tanque 1 e 2 são abertas e se inicia a contagem de um tempo que foi

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pré determinado no software Mastertool. Após esse tempo se esgotar uma das válvulas fecha e continua a contagem para a terceira válvula ser fechada. Quando esgotar o tempo total, fecha-se então a válvula restante. E do mesmo modo ocorre o enchimento do tanque 3 a partir do tanque 2.

Figura 18: Fluxograma do ensaio de histerese on/off Fonte: Autoria pr´opria

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Figura 19: Continuação do fluxograma do ensaio de histerese on/off Fonte: Autoria própria

Na Figura 20 está representado o fluxograma do ensaio de temperatura utilizando o bloco de PID do software Mastertool. Após pressionar o botão para iniciar o ensaio, o con-trolador verificará se o segundo tanque, onde tem o aquecedor, está com água ou não. Se sim, será verificada a temperatura e caso não esteja no valor desejado (setpoint) o controlador PID manipulará o aquecedor para diminuir o erro (offset).

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Figura 20: Fluxograma do ensaio de temperatura Fonte: Autoria pr´opria

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4 RESULTADOS E DISCUSS ˜OES

A planta didática que foi constru´ıda para o desenvolvimento deste projeto está exposta na Figura 21. Ela foi elaborada e desenvolvida em conjunto com os alunos Heliton Macedo e Hudson Junior Silva, inicialmente para o trabalho de conclusão do curso de tecnologia em automação industrial e posteriormente houve a continuação dos estudos para o trabalho de con-clusão de curso de engenharia de controle e automação.

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Figura 21: Planta didática com tanques em desn´ıvel desenvolvida em conjuntos com os alunos Heliton Macedo e Hudson Junior da Silva, com as instrumentações industriais já instaladas e a parte elétrica pronta.

Após a conclusão da estrutura f´ısica da planta industrial, deu-se in´ıcio a implementação da automação. Foram instalados os dispositivos e verificadas as ligações elétricas.

Com o CLP devidamente instalado no painel, realizou-se a sua configuração de acordo os módulos presentes em sua instalação. Finalizada a configuração do controlador, foram reali-zados os testes para verificação das entradas e sa´ıdas digitais.

Os testes das entradas e sa´ıdas digitais foram feitos através do software Mastertool XE em linguagem Ladder. Declarou-se um contato NA (entrada da linha de programação) e uma bobina (no fim da linha) com um endereçamento do CLP e então forçou-se o fechamento do contato e, consequentemente, a bobina foi acionada. Conforme uma sa´ıda digital era verificada, trocava-se o endereçamento dela pela sa´ıda seguinte, e assim foram verificadas todas as sa´ıdas

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digitais.

Com todo o CLP comunicando corretamente com o software de programação e suas entradas e sa´ıdas operando normalmente, fez-se a comunicação com o software open source SCADABR, como está ilustrado na Figura 22. O operando que se refere a uma memória do Mastertool está comunicando com um operando do software do supervisório. Quando se pres-siona o botão do supervisório da válvula que está ligada na sa´ıda %S0050.0 (no caso é a válvula 1 entre o primeiro e segundo tanque) ele fecha o contato da memória %M0017.0 ligando então a válvula.

Figura 22: Lógica ladder que foi utilizada para a comunicação do software Mastertool com o Sca-daBR. Acionando as seis válvulas existentes na planta didática e uma bomba para retorno de água.

Utilizando o software ScadaBR, foi desenvolvida uma tela para a supervisão dos pro-cessos, representada na Figura 23. A imagem do supervisório conta com o desenho da planta f´ısica (estrutura metálica, tanques, mangueiras e válvulas) e também de um painel de controle com as ligações que podem ser feitas, do aquecedor, bomba e válvulas. Além de um espaço reservado para dar in´ıcio aos ensaios desenvolvidos. Toda vez que liga uma válvula ou bomba, seu respectivo LED acende, representando o ON-OFF. A tela de supervisão conta também com a leitura de temperatura de todos os tanques.

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Figura 23: Tela de supervisão desenvolvida para utilização no software ScadaBR. Contendo todos os botões de ensaios e leitura das temperaturas dos três tanques.

4.1 ENSAIOS

Nesta seção são apresentados os ensaios realizados. O primeiro será o ensaio de his-terese para o enchimento dos tanques, o segundo será realizado para descobrir a velocidade de sa´ıda do fluido pelas válvulas e o terceiro é o ensaio envolvendo o controle PID da temperatura, conforme descrito na seção 3.2.

4.1.1 ENSAIO DA VELOCIDADE E VAZ ÃO DE SAÍDA DAS V ÁLVULAS

O objetivo do ensaio é aplicar a teoria de Bernoulli para estimar a vazão que pode existir de um tanque para outro através das aplicações da hidrodinâmica. Considerando o esco-amento do l´ıquido com um atrito aproximadamente nulo e ao longo de uma linha que contenha fluxo, a equação de Bernoulli é válida (WHITE, 2010). A Equação (2) é amplamente

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utili-zada para representação de Bernoulli, considerando escoamento incompress´ıvel, sem atrito e ao longo de uma linha. As variáveis p1, V1e z1representam respectivamente a pressão, velocidade e altura do l´ıquido no ponto um (no caso, na entrada do fluido), e p2, V2 e z2a pressão, veloci-dade e altura do l´ıquido no ponto dois (sa´ıda do fluido). A força da graviveloci-dade e a densiveloci-dade do fluido estão representadas por g e ρ respectivamente.

p₁ ρ + 1 2V 2 1 + gz1= p₂ ρ + 1 2V 2 2 + gz2= constante (2)

A entrada de um tanque e sa´ıda do orif´ıcio s˜ao representadas na Figura 24.

Figura 24: Representação da entrada de um tanque e sa´ıda do orif´ıcio Fonte: Autoria própria

Considerando as pressões p1 e p2como atmosféricas, elas se anulam na Equação (2). Com manipulações matemáticas e igualando h = z1− z2, chega-se à Equação (3), onde V2 é a velocidade de sa´ıda do orif´ıcio, h a altura do l´ıquido no reservatório, e g a força da gravidade (valor utilizado g = 9, 807m/s2).

V2≈ p

2gh (3)

Para manter uma altura h do l´ıquido no tanque constante, a velocidade de sa´ıda do l´ıquido de um orif´ıcio deste mesmo tanque também será constante. Desse modo, através da definição de vazão, mostrada na Equação (4), sendo que Q representa a vazão, V a velocidade do fluxo e A a área por onde o l´ıquido transcorre, percebe-se que a vazão dependerá da área, e neste caso está diretamente relacionada a abertura de uma, duas ou três das válvulas da planta didática.

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Para a aplicação da equação de Bernoulli o fluido tem que ser ideal, ou seja, ter carac-ter´ısticas como: escoamento laminar (independente do tempo, em um ponto fixo, a velocidade do fluido não muda), escoamento incompress´ıvel (a densidade do fluido é constante), escoa-mento não viscoso e não rotacional. O escoaescoa-mento ideal não apresenta tensões de cisalhaescoa-mento atuante durante o movimento do fluido (ELIAS, 2009).

Considere o ambiente inicial como o tanque 1 com uma coluna de água de aproxima-damente 12cm, o segundo tanque com n´ıvel intermediário (aproximaaproxima-damente 10cm de coluna de água - do topo até a sa´ıda entretanto, têm 8cm de coluna de água) e o último tanque com uma coluna de água de aproximadamente 4cm. Substituindo os valores na Equação (3), tem-se a Equação (5), onde h tem o valor da altura da coluna de água do tanque 2 em metros.

V₂≈p2 · 9, 807 · 0, 08 ≈ 1, 2526m/s (5)

Substituindo (5) em (4) descobre-se a vazão do fluido ideal do tanque 2 para o tanque 3, demonstrado na Equação (6). Sabe-se que a área de passagem do fluido através da válvula solenoide é de aproximadamente 122, 65mm2(Raio de 6, 25mm).

Q= 1, 2526 · 122, 65 · 10−6[m3/s] (6)

Transforma-se a vaz˜ao do l´ıquido ideal de Bernoulli de m3/s (demonstrado em 6) para L/min mostrado em 7.

Q= 9, 2L/min (7)

Como a válvula solenoide não consegue manter as caracter´ısticas do fluido ideal, a velocidade de sa´ıda não é a mesma, consequentemente a vazão e o tempo também não.

Para verificar a diferença do fluido ideal utilizado na equação de Bernoulli, foi reali-zado o ensaio para descobrir a vazão das válvulas, da seguinte maneira: no primeiro tanque, deixou-se uma coluna de água de 12cm, no tanque intermediário a coluna foi de 10cm e no ter-ceiro tanque deixou-se uma coluna de 4cm. Foram abertas todas as válvulas da planta didática e ficaram abertas durante 30min. O n´ıvel do tanque intermediário permaneceu constante durante o tempo todo.

Os valores de coluna de água após os 30min nos tanques 1 e 3 foram de: 11cm e 5cm, respectivamente. Portanto a válvula não consegue fazer com o ocorra um escoamento como

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deveria ser nos estudos de Bernoulli. Realizando uma proporção entre o tempo de válvula aberta e a quantidade de coluna de água, em 30min houve uma troca de 0, 9L entre o tanque 1 e 3, chega-se a conclusão que a vazão é de aproximadamente 0, 03L/min (ocorre um gotejamento), uma diferença considerável em relação aos fluidos e escoamentos ideais de Bernoulli.

Substituindo uma das válvulas solenoide por um registro abre e fecha entre os tanques 1 e 2 e entre o 2 e 3 (representado na Figura 25), encheu-se novamente os tanques nas proporções anteriores (12cm no primeiro, 10cm no segundo e 4cm no terceiro) e abriu ambas as válvulas manualmente. Com os n´ıveis marcados, o tanque intermediário continuo com a altura constante, e em 10, 31s a altura do tanque três foi de 4 para 5cm.

Figura 25: Registro instalado entre tanques para a realização de ensaio do problema de Bernoulli, com o objetivo de não se ter reguladores de pressão, como nas válvulas

Neste caso, percebe-se que a vazão foi de aproximadamente 5, 23L/min, não se chega aos 9L/min que se chegou através de Bernoulli, primeiramente, não há somente um orif´ıcio por onde o fluido passará. No caso em estudo, ele atravessa um registro que está ligado ao tanque por mangueiras, deste modo ocorre atrito, várias trocas da área de secção por onde o fluido passa e desse modo já deixa de ser um fluido ideal apresentado por Bernoulli, mas ja é bem maior considerando os 0, 03L/min de vazão que tem na válvula solenoide utilizada, pensando em ensaios para o problema de Bernoulli.

4.1.2 ENSAIO ON-OFF DE HISTERESE

O ambiente do ensaio se inicia somente com o terceiro tanque cheio e deixando os outros dois sem l´ıquido. O primeiro enchimento se dar´a do tanque 3 para o tanque 1 atrav´es da

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bomba utilizada para retorno do l´ıquido. Quando o primeiro tanque estiver totalmente cheio, o software receberá o sinal do relé de n´ıvel e desligará a bomba. O enchimento do tanque 1 somente se iniciará a partir do momento em que se pressiona o botão no SCADABR e o contato de n´ıvel alto do tanque 3 estiver acionado.

Com o tanque 1 cheio, seu contato de n´ıvel estará fechado, e a partir deste ponto aciona-se outro botão no SCADABR para o enchimento do tanque 2, lembrando que só aciona-será aceito o acionamento se o tanque 1 estiver completamente cheio. Com valores definidos no software Mastertool as três válvulas (entre o tanque 1 e 2) serão ligadas ao mesmo tempo e ficarão abertas durante o tempo estipulado. Após esse tempo terminar, uma das válvulas fecha e as outras duas se mantêm abertas durante outro tempo determinado previamente. Por último, outra válvula desliga e continua apenas uma ligada durante outro tempo determinado pelo usuário. O enchimento do tanque 3 a partir do 2 se dá da mesma forma que o enchimento do 1 para o 2.

Para a contagem de tempo, utiliza-se o temporizador de desenergização (existente no software Mastertool) das válvulas solenóides. Tal bloco temporizador, quando ativado, liga todas as suas sa´ıdas e começa a contagem de um tempo determinado pelo usuário. Quando a contagem do tempo chegar ao valor que foi determinado, o bloco de função inverte a sa´ıda, desligando então as suas sa´ıdas.

No in´ıcio da programação, percebe-se de acordo com a Figura 26 que existe o contato %E0001.3 que é o n´ıvel do terceiro tanque, caso não esteja completamente cheio o ensaio não terá inicio. O contato %M0017.7 é o botão existente no SCADABR. Ou seja, quando o tanque 3 está cheio e o botão do supervisório é acionado, a bomba de retorno é ligada (%M0017.6) e quando o tanque 1 ficar completamente cheio o botão é desligado. O contato %E0001.1 representa o tanque 1 cheio.

Figura 26: Enchimento do tanque 1 a partir do 3, verificando se o tanque 1 não está cheio e contendo um botão de emergência no in´ıcio da lógica ladder, caso ocorra algum problema externo

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Este intertravamento com relação ao n´ıvel dos tanques acontece também no enchi-mento dos outros dois tanques. Somente se inicia o enchienchi-mento de algum tanque caso o tanque anterior esteja cheio. Como mostra a Figura 27, o contato %E0001.2 representa o n´ıvel alto do tanque 2 e o contato %M0017.9 está representando o botão com relação no SCADABR, quando ambos forem acionados todas as sa´ıdas serão acionadas, ligando então todas as válvulas repre-sentadas pelas memórias %M0017.3, %M0017.4 e %M0017.5 e também o contato de memória auxiliar %M0000.2 utilizado na lógica seguinte para desativar outra válvula. O bloco TED é um temporizador na desenergização, ou seja, quando sua energia é cortada começa a contagem do tempo de zero até a constante representada por %KM + 24300 localizada dentro do bloco, o valor 600 dessa constante equivale a 1 minuto. Quando a variável %M0003 chega ao valor de 24300 todas as sa´ıdas do bloco TED são desenergizadas.

Figura 27: Enchimento do tanque 3 a partir do 2. Ligam-se todas as vávulas e após o per´ıodo de tempo estipulado fecha-se uma delas. Existe um operando auxiliar para dar in´ıcio na contagem de desenergização da próxima válvula que será delisgada, neste caso, o operando é %M0000.2

Toda a programação em ladder realizada para os ensaios, está exposta no ANEXO D, com suas lógicas detalhadas.

4.1.3 ENSAIO DO CONTROLE PID DA TEMPERATURA

No segundo tanque existe um aquecedor, indicador de temperatura e um termopar. Desse modo consegue-se realizar o controle da temperatura e será utilizado o bloco de funções com controlador PID do software Mastertool. Com esta função é poss´ıvel monitorar as variáveis envolvidas no processo, e a monitoração é feita através da janela mostrada na Figura 28. Do lado esquerdo da figura pode-se notar: Valor PA, é o valor do setpoint; Valor GP, TI e TD são os parâmetros do controlador PID, a parte proporcional, integral e derivativa,

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respectiva-mente; Valor VA, variável de atuação, ou seja o valor que a variável que está atuando está no determinado momento de tempo que está sendo monitorada. Do lado direito da figura, uma variável apenas que não foi citada, é o Valor VM, como o nome diz, variável medida, ou seja, é a variável que está sendo monitorada para o controle.

Figura 28: Do lado esquerdo notam-se os valores de setpoint, parâmetros do controlador PID e valor da variável de atuação. Do lado direito a proporção entre as variáveis manipuladas. E no centro, a janela de monitoração

Configurou-se o controlador e suas variáveis, como mostra a Figura 29, a variável medida é o operando %M0201 que é a temperatura do tanque dois. O operando %M0300 é o setpoint, valor desejado. E o operando %M0500 o atuador, ou seja, o aquecedor.

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Figura 29: Configuração das variáveis da função PID, enquanto a monitoração das variáveis es-tiver ativa, não tem como ser mudada, como mostra na figura. A configuração só é permitida se parar o monitoramento das variáveis

Para este ensaio os valores dos parâmetros do controlador PID foram definidos empi-ricamente: Kp = 7, Ki = 2 e Kd = 5. A partir da definição desses parâmetros, iniciou-se o monitoramento das variáveis (medida, desejada e a que atua). Porém o controlador começa a atuar somente depois de pressionar o botão de start no ensaio.

A Figura 30 mostra o inicio do controle. Como o valor medido está abaixo do desejado, o aquecedor liga no máximo permitido (na escala do software Mastertool é um valor de 21000, equivalendo-se dos 10volts da sa´ıda analógica onde está ligado). O gráfico mostra a curva do Valor VA subindo para os 21000 enquanto o Valor PA permanece constante e o Valor VM varia conforme é medida a temperatura do tanque dois. Os valores das temperaturas obedecem a escala do software Mastertool, a conversão está detalhada no Anexo B.

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Figura 30: In´ıcio da monitoração do controle PID Fonte: Autoria própria

Conforme o tempo passa e a água é aquecida, os valores desejados e medidos ficam próximos, e então o atuador começa a oscilar, para continuar diminuindo este erro (diferença entre esses valores). Na Figura 31 é mostrando o in´ıcio da oscilação do atuador.

Figura 31: Nota-se que o valor medido e desejado estão próximos, ao mesmo tempo, a curva do atuador começa a oscilar

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Quando o valor medido já ultrapassa o valor desejado, o controlador diminui a atuação do aquecedor, para não ultrapassar de maneira expressiva o setpoint, e começa a desligar o aquecimento para manter a temperatura desejada. A Figura 32 mostra a curva do atuador dimi-nuindo, e após um tempo, a curva chega a zero, não precisando mais aquecer a água, somente se há um distúrbio externo, como troca de calor ou abertura de válvulas, nesses casos o atuador volta a ser acionado e se inicia novamente o aquecimento para manter a temperatura no valor desejado.

Figura 32: Percebe-se que o valor medido j´a chegou ao valor desejado, portanto a curva do atuador tende a ir para zero, desligando o aquecimento

Através do software ScadaBR, é poss´ıvel gerar um gráfico com as variáveis: tempera-tura do tanque dois (variável manipulada), e o aquecedor (atuador). Este gráfico está mostrado na Figura 33, percebe-se que a partir do momento em que a temperatura chega-se no valor dese-jado, em torno de 27◦Co atuador que estava ligado com 10volts (no máximo) começa a decair, ou seja, já não é mais necessário o aquecimento.

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Figura 33: Gr´afico da temperatura do tanque dois e aquecimento (atuador) atrav´es do tempo. Nota-se o decaimento da curva do aquecedor quando a temperatura chega ao valor desejado, em torno de 27◦C

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5 CONSIDERAC¸ ˜OES FINAIS

Com uma planta industrial didática constru´ıda do zero e com o envolvimento doo alu-nos Heliton Macedo e Hudson Junior da Silva, os objetivos criados para este trabalho foram con-clu´ıdos. Foi poss´ıvel realizar a automação, controle e supervisão da planta realizando ensaios de vazão e temperatura com tanques em desn´ıvel utilizando um sistema supervisório através do ScadaBR.

A planta gerou resultados que são encontrados em processos industriais. Através de ensaios, foi poss´ıvel calcular vazões, velocidades de escape, tempo que se leva para encher e esvaziar tanques, controlando seu n´ıvel máximo e m´ınimo.

A planta didática possibilita a realização de manobras com variáveis de processos como a vazão, temperatura e n´ıvel através da implementação dos sistemas de controle, automação e supervisão da planta didática. Dessa forma, os estudantes que utilizarão a planta didática ne-cessitarão de informações da mesma dispon´ıvel para futuros estudos e consultas para o aux´ılio nos novos projetos.

O estudo com uma das ferramentas mais utilizada na indústria, o CLP, permite ter uma experiência similar ao que se encontrará na prática no mercado de trabalho, nas indústrias, ou até mesmo uma bagagem para o estudo mais detalhado do controlador e suas aplicações. Além da programação também ser feita com uma linguagem mais difundida entre os profissionais que atuam com controladores, que é a linguagem Ladder. Vale também mencionar o contato com sistemas supervisórios, ou SCADA, que estão bem difundidos nos processos fabris atualmente.

Desta forma, o desenvolvimento da planta didática industrial auxiliará nos estudos focados para áreas fabris, gerando resultados que são encontrados em empresas que utilizam variáveis como vazão, n´ıvel e temperatura em seus processos de fabricação, utilizando sistemas de controle, automação e supervisão abordados por este trabalho.

Por tudo que foi exposto no presente trabalho, conclui-se que a realização de um pro-duto real (no caso o desenvolvimento de uma planta didática industrial) necessita de muita atenção, pois a cada dia pode se encontrar um erro, uma solução e até mesmo uma melhoria.

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Desta forma, um projeto nesta ´area mostra um pouco como pode ser a realidade em muitos projetos fabris, que o engenheiro tem que estar sempre atento e disposto a solucionar.

5.1 PROJETOS FUTUROS

Em se tratando de um projeto de desenvolvimento de um produto f´ısico para novos es-tudos, muitas coisas já foram alteradas, como os bicos de aço utilizados nas entradas e sa´ıdas de água que foram trocados por bicos de inox. Para a planta não perder a modularidade que ela tem de realizar ensaios com mais de uma variável, para ensaios de vazão foram instalados registros para o melhor escoamento da água e os mesmos podem ser trocados a qualquer momento por válvulas solenoides, ou até mesmo outros tipos de válvulas.

O projeto desenvolvido possibilita o estudo de vários projetos futuros. Atualmente não há troca de fluido do meio externo, apenas entre os tanques, outro ensaio pode ser desenvolvido futuramente.

Troca de tanques de inox por tanques de acr´ılico, ajudará na questão de medir n´ıvel por sensores capacitivos, mais utilizados na indústria do que os relés de n´ıvel que medem n´ıvel cheio ou vazio.

Instalar aquecedores em todos os tanques, e não somente no intermediário. Possibi-litando a realização do controle da temperatura em todos os tanques. Além de desenvolver uma melhoria na medição que é realizada na temperatura, com o objetivo de retirar a grande oscilação que aparece na Figura 33.

Realizar o controle da bomba de retorno, pois no atual projeto ela funciona como uma chave liga e desliga somente, n˜ao h´a o controle da velocidade da mesma.

A mudança f´ısica da planta didática também poderá ser um projeto futuro, pois os tanques tem somente 30cm de altura, fazendo uma coluna de água baixa em relação a tanques maiores, ou até mesmo as colunas de água utilizada pelos encanamentos nas indústrias.

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