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Trabalho de Conclusão de Curso
Tipologia: Trabalhos
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Trabalho acadêmico de conclusão de curso apresentado ao colegiado específico de engenharia de controle e automação, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – IFPA, como parte dos requisitos para obtenção do grau de bacharel em engenharia de controle e automação, sob a orientação dos professores Msc. Agesandro Caetano Corrêa (orientador) e Vitor Hugo Pereira de Souza (Coorientador).
Data de Defesa: 16/04/
Conceito: ________________
Banca Examinadora
_______________________________________________ Prof. Msc. Agesandro Caetano Corrêa (IFPA) ORIENTADOR
_______________________________________________ Prof. Vitor Hugo Pereira de Souza (IFPA) COORIENTADOR
_______________________________________________ Profa. Msc. Regina Coeli Lira da Conceição (IFPA) MEMBRO DA BANCA EXAMINADORA
______________________________________________ Esp. Valdomiro Melo Pereira (IFPA) MEMBRO DA BANCA EXAMINADORA
Este trabalho é dedicado a todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para que ele se tornasse realidade. Em especial a minha família, por de certa forma ter compreendido sobre o tempo dela subtraído para que este manuscrito ficasse pronto.
Este trabalho acadêmico de conclusão de curso trata do desenvolvimento de um sistema supervisório para uma planta de temperatura Didacta Itália , modelo 916921, do Laboratório de Controle de Processos Industriais do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará. Com o auxílio de uma placa condicionadora de sinais, o software WinCC Flexible®, o controlador lógico programável S7-200®^ da Siemens, o software PC Access® para a comunicação de variáveis, e adição de alguns componentes de hardware para tornar automática as ações da planta de temperatura, foi desenvolvido um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados que permite, entre outras funcionalidades, realizar experiências com três técnicas tradicionais de controle, a saber: o controle manual, o controle ON-OFF e o controle proporcional-integral e derivativo, com telas que propiciam a visualização em tempo real das variáveis do processo na malha de temperatura e na malha de vazão das técnicas desenvolvidas, além de consulta a telas de ajuda e mensagens e a gravação em um banco de dados do comportamento das variáveis monitoradas do processo, a fim de serem realizadas futuras análises e estudos.
Palavras chaves: controle de supervisão e aquisição de dados, controlador lógico programável, controle proporcional-integral e derivativo, controle manual, controle ON-OFF.
This completion of course work presents the development of a supervisory system for a temperature control system Didacta Itália , model 916921, of the Industrial Process Control Laboratory of the Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará. With the aid of a conditioning plate signals, the WinCC Flexible®^ software, the programmable logic controller S7-200®^ from Siemens, the PC Access®^ software for communication variables, and adding some hardware to perform automatic checks of the temperature control system, was developed a supervisory control and data acquisition system which allows, among other functions, implement three traditional control techniques, namely: manual control, ON-OFF control and proportional-integral and derivative control, with screens that allows in real time visualization of the process variables (for the developed techniques) in the temperature and flow loops, query to help and massage screens, and recording in a behavior database of monitored variables of the process to be performed further analyzes and studies.
KEYWORDS: supervisory control and data acquisition, programmable logic controller,
proportional-integral and derivative control, manual control, ON-OFF control.
Figura 28 Diagrama de blocos do sistema térmico. 56
Figura 29 Identificação das unidades da planta de temperatura Didacta Itália. 58
Figura 30 Diagrama P&ID da planta de temperatura. 59 Figura 31 Novo diagrama P&ID da planta de temperatura, com a adição da malha de controle de fluxo. 61
Figura 32 Diagrama para verificação dos gráficos de vazão em razão da tensão do sensor de fluxo e do comando da bomba hidráulica. 64
Figura 33 Gráfico de tensão do sensor de fluxo versus vazão, e aproximação a uma reta. 66
Figura 34 Gráfico de comando da bomba versus vazão, e aproximação a um sistema de primeira ordem. 68
Figura 35 Gráfico de comando da bomba versus vazão, e aproximação a um sistema de quarta ordem. 68
Figura 36 Diagrama para se medir a temperatura do fluido no tubo pirex e a tensão informada pela planta relativa ao PT-100. 69
Figura 37 Temperatura observada (em graus Celsius) para tensões (em volts) apresentadas pela planta de temperatura. 70
Figura 38 Circuito de controle de velocidade do motor usando modulação PWM. 71 Figura 39 Configuração final da etapa de acionamento da bomba hidráulica. 72 Figura 40 Circuito utilizado para converter o sinal de frequência do sensor de vazão em tensão analógica. 74
Figura 41 Circuito com alimentação simétrica utilizado na construção do amplificador. 75 Figura 42 Circuito de acionamento da válvula solenoide a partir da saída digital do PLC. 76 Figura 43 Diagrama de conexões I. 79
Figura 44 Diagrama de conexões II. 80
Figura 45 Diagrama de conexões III. 81
Figura 46 Tela de operação e visualização do estado das tags no PC Access. 82
Figura 47 Estrutura do sistema supervisório desenvolvida em WinCC Flexible. 84
Figura 48 Tela do menu inicial. 85
Figura 49 Tela de ajuda do menu inicial. 86
Figura 50 Tela de controle manual. 87
Figura 51 Tela de ajuda do controle manual. 89
Figura 52 Tela do gráfico de temperatura do controle manual. 90
Figura 53 Tela de mensagens do controle manual. 91
Figura 54 Tela do gráfico de vazão. 92
Figura 55 Tela de controle ON-OFF. 93
Figura 56 Tela de ajuda do controle ON-OFF. 94
Figura 57 Tela do gráfico de temperatura do controle ON-OFF. 95
Figura 58 Tela de controle PID. 96
Figura 59 Tela de ajuda do controle PID. 97 Figura 60 Tela do gráfico de temperatura do controle PID. 98
Figura 61 Gravação das variáveis analógicas em um banco de dados. 99
Figura 62 Conversão do sinal analógico de 0 a 10 volts dos sensores de temperatura (a) e vazão (b) para um número real de 0 a 100%. (^100) Figura 63 Habilitação da válvula solenoide (saída digital Q0.0) (b), e sinalização de painel (saída Q0.1) de fluxo habilitado (a). 107
Figura 64 Controlador PID para o controle de velocidade da bomba hidráulica (a), malha para anular o sinal de controle em condições de comando nulo (b), conversão do sinal de controle normalizado (c), e alarme de vazão (d, e).
Figura 65 Conversão dos valores mínimo e máximo do intervalo diferencial (b, c, d, e, f, g), e indicação de painel de controle ON-OFF ligado (a). 110 -^111
Figura 66 Ciclos de aquecimento e de resfriamento (a, b, c, d, e, f) e malhas de desligamento (g, h) do controle ON-OFF. 111 -^112
Figura 67 Interlock do controle ON-OFF com a malha de fluxo. Acionamento (a) e desligamento (b) da malha de fluxo. 113
Figura 68 Sinalização de painel de controle manual e PID ligado (a, b); Controle manual e PID (c, d, e, f) e malha de desligamento (g). 114 -^115
Figura 69 Malha de proteção contra sobretemperatura. Sinalização de painel (a); desligamento (c); e rearme do sistema (b). 116
Figura 70 Malha de intertravamento para inibição dos controles manual (a); PID (b); e ON-OFF. 116 -^117 Figura 71 Diagrama de interconexões entre a placa PCS e o conector DB-25. 118 Figura 72 Diagrama de ligações entre o conector DB-25 e o módulo didático do PLC S7-200. 119
Figura 73 Diagrama de ligações entre o conector DB-25 e os equipamentos/ instrumentos adicionados à malha de fluxo. 120
Figura 74 Leiaute da placa PCS. (^121) Figura 75 Disposição dos componentes na placa PCS (^122)
A&E Alarm & Events (Alarmes e Eventos) AD/DA Analog to Digital Converter ou ADC/Digital to Analog Converter ou DAC (conversor Analógico para Digital/conversor Digital para Analógico)
COM Component Object Model (Modelo de Objeto de Documentos) CPU Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento) CRT Controle de Regulação da Temperatura DA Data Access (Acesso aos Dados) DCOM Distributed Component Object Model (Modelo de Objeto de Documentos Distribuído) DCS Distributed Control Systems (Sistema Digital de Controle Distribuído) EDDL Electronic Device Description Language (Linguagem de Descrição de Dispositivos Eletrônicos)
ERP Enterprise Resource Planning (Planejamento dos Recursos da Empresa) FBD Function Block Diagram (linguagem em Diagrama de Blocos de Função) FDI Field Device Integration (Integração de Dispositivos de Campo) FDT Field Device Tool (Ferramentas de Dispositivos de Campo) HD Hard Disk (Disco Rígido) HDA Historical Data Access (Acesso aos Dados do Histórico) HMI Human-Machine Interface (Interface Homem-Máquina) HTML HyperText Markup Language (Linguagem de Marcação de Hipertexto) HTTP HyperText Transfer Protocol (Protocolo de Transferência de Hipertexto) ICS Industrial Control Systems (Sistemas de Controle Industrial) IED Intelligent Electronic Device (Dispositivo Eletrônico Inteligente) IFPA Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará IL Instruction List (linguagem baseada em Listas de Instruções) LACOPI Laboratório de Controle de Processos Industriais LD Ladder Diagram (linguagem baseada em Diagrama de Escada) MES Manufacturing Execution System (Sistemas de Execução da Manufatura) OLE Object Linking and Embedding (Vinculação e Incorporação de Objetos) OPC OLE for Process Control (OLE para Controle de Processos)
OPC UA OPC Unified Architecture (Arquitetura Unificada OPC)
P Proportional (Proporcional) P&ID Process and Instrument Diagram (Diagrama de Processos e Instrumentação) PC Personal Computer (Computador Pessoal) PCS Placa de Condicionamento de Sinais PD Proportional-Derivative (Proporcional-Derivativo) PI Proportional-Integral (Proporcional-Integral) PID Proportional-Integral-Derivative (Proporcional-Integral-Derivativo) PLC Programmable Logic Controllers (Controladores Lógicos Programáveis) PV Process Variable (Variável do Processo) PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso)
RTU Remote Terminal Unit (Unidade de Telemetria Remota) SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (Controle de Supervisão e Aquisição de Dados)
SFC Sequential Function Chart (linguagem gráfica em Diagrama Funcional Sequencial) SP Set Point (valor de referência ou ponto de ajuste) ST Structured Text (linguagem por Texto Estruturado) TAC Trabalho Acadêmico de Conclusão de Curso TCP Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) TRIAC Triode for Alternating Current (Triodo para Corrente Alternada) VLSI Very Large Scale Integration (Integração em Escala Muito Larga) XML Extensible Markup Language (Linguagem Extensível de Marcação Genérica)
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1.2 Motivação
O estado anterior ao desenvolvimento do sistema supervisório para a planta de temperatura do Laboratório de Controle de Processos Industriais (LACOPI) do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará (IFPA) apresentava algumas situações adversas que em tese dificultavam o andamento de pesquisas, como por exemplo:
a) A bomba de fluxo de ruído encontrava-se com problemas, inviabilizando a inserção de perturbações;
b) A interação do operador com a planta era realizada através de uma placa de aquisição de dados (conversor analógico-digital/digital-analógico) interna ao computador IBM-PC ®^ (conectada em barramento obsoleto). Plataforma esta que rodava sobre o sistema operacional Windows 95® , para o qual não se tinha mais suporte e cuja atualização tornar-se- ia inviável técnica e economicamente;
c) A aquisição de dados da planta, realizada através de um computador IBM PC 486DX2 ® , era feita gravando-se as informações em drive de disquete de 3 ½”, o que se sabe ser algo descontinuado, e para tal, a posterior coleta de dados para análise em software necessitava que se tivesse um computador com drive de disquete, o que estava se tornado cada vez mais raro na atualidade. Por outro lado, durante os experimentos, muitas das vezes notava-se que em determinado momento o IBM-PC ®^ apresentava travamentos, o que significava a perda total da observação em curso, necessitando-se que a pesquisa e análise fossem reiniciadas;
d) A atuação de alguns comandos da planta, como a inserção de perturbações pelo acionamento da bomba e controle de fluxo de água de ruído realizado através de uma válvula manual, não dava um caráter automático em sua plenitude, necessitando-se que o operador atuasse fisicamente junto aos elementos que compõe o sistema. Em um ambiente educacional, seria desejável que tal atuação fosse mais próxima possível do nível industrial, onde as instalações de um sistema de controle, que ocupam muitas das vezes centenas de metros quadrados, resultam em inviabilidade técnica para o operador atuar pessoalmente sobre os elementos que o compõe;
e) A substituição do sistema de aquisição de dados da planta de temperatura, composto pelo computador IBM-PC ®^ e o software ARTAN ® , foi previsto no processo de atualização do laboratório, que já dispõe de um PLC S7-200 ®^ da Siemens em conjunto com uma estação de trabalho com todos os componentes de hardware e software necessários para este propósito;
f) A sociedade brasileira vive um momento diferenciado, onde cobra-se o retorno dos serviços advindos do pagamento de tributos, muitas das vezes negligenciados há décadas. Em razão desse fato, as instituições públicas de ensino procuram cada vez mais e em todos os aspectos, seja no caráter de ensino, pesquisa ou prestação de serviços à sociedade, adequar-se a esta nova realidade e mostrar que os recursos recebidos estão satisfatoriamente sendo empregados. A apresentação de pesquisas e o desenvolvimento de trabalhos dentro da instituição que justifiquem seu objetivo e razão de ser e existir é algo imprescindível.
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Levando-se em consideração os pontos abordados nos parágrafos anteriores, as justificativas para a realização do trabalho se subsidiam nos seguintes fatos:
a) A necessidade de apresentação de um trabalho de conclusão de curso que justifique ao graduando obter por merecimento o grau de bacharel em engenharia de controle e automação do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará;
b) A necessidade de apresentação de um trabalho de conclusão de curso do qual realmente possa se extrair algo de proveitoso, tanto para o graduando quanto para a instituição, servindo de base para futuros trabalhos acadêmicos;
c) Servir como a contraprestação dos serviços prestados aos graduandos. Consideram- se os serviços prestados como a formação profissional propiciada pela instituição. Este trabalho visa não só dar uma resposta à instituição como também à sociedade brasileira e ao contribuinte, que compulsoriamente e através de seus impostos investem no desenvolvimento da pesquisa, possuindo o direito de saber de que maneira esses tributos estão sendo aplicados, preferencialmente de forma documental.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo Geral
Este trabalho acadêmico de conclusão de curso tem o objetivo principal de desenvolver um sistema supervisório para propiciar análises de técnicas de controle para a planta de temperatura do Laboratório de Controle de Processos Industriais (LACOPI) do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará (IFPA).
1.3.2 Objetivos Específicos
