Sistema Didático de Processos Contínuos

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Sistema Didático de Processos Contínuos João Duarte Salgueiro Domingues Silva VERSÃO FINAL Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Automação Orientador: Paulo José Lopes Machado Portugal 26 de Junho de 2016 © João Duarte Salgueiro Domingues Silva, 2016 iii Resumo Nas unidades curriculares lecionadas no ramo de automação do MIEEC da FEUP são ensinados e postos em prática, tanto conceitos básicos como sistemas de controlo. Na aplicação deste último constata-se que é necessário utilizar equipamentos mais dispendiosos, de maior complexidade e que permitam o desenvolvimento de sistemas de controlo dinâmico. É com o propósito de desenvolver um conjunto de equipamento que permita implementar, testar e validar sistemas de processos contínuos que esta dissertação foi desenvolvida, permitindo aos estudantes do ramo de automação o contacto com um sistema didático complexo. Foram desenvolvidas três estações que constituem o sistema didático em causa: uma estação de controlo de nível, uma de controlo de temperatura, e uma de controlo de fluxo. Cada uma destas tem um processo contínuo associado, muito utilizado nos setores industriais atualmente. Foram desenvolvidas quatro aplicações que permitem diferentes modos de controlo do sistema:  Um modo de demonstração do funcionamento de cada uma das estações;  Um modo de controlo manual, para analisar o comportamento do sistema;  Um modo de controlo por sinais digitais e analógicos, para controlar o sistema remotamente através de ligações com uma plataforma externa;  Um modo de comunicação rede, que permite o controlo remoto do sistema com uma plataforma externa, recorrendo a comunicações de rede. Para realizar a interação com o sistema foi integrada uma consola tátil. Foram ainda desenvolvidos dois sistemas de proteção:  Interlock que protege o sistema e o operador, de comandos que que possam ser prejudiciais para o normal funcionamento do equipamento ou pôr pessoas em situação de risco;  Circuito de isolamento de sinal para as ligações físicas entre o sistema didático e a plataforma externa. O sistema didático de processos contínuos permite o contacto com equipamentos utilizados atualmente na automação industrial, o desenvolvimento de sistemas de controlo para o mesmo, a análise do impacto que diferentes controladores podem ter no sistema a controlar e uma melhor perceção do controlo de um sistema. v Abstract The courses taught in the automation branch of MIEEC from FEUP are taught and put into practice basic concepts such as control systems. In application of control systems it appears that it is necessary to use more expensive equipment, more complex and allow the development of dynamic control systems. It is with the purpose to develop a set of equipment which implement, test and validate continuous process systems this thesis was developed, allowing students from the automation branch to have contact with a complex educational system. Three stations have been developed which constitute the didatic system in question: a level control station, a temperature control station and a flow control station. Each of these stations has associated a continuous process widely used in industries related to continuos production today. Four applications have been developed that allow different modes to control the system: • A demonstration mode of operation of each station; • A manual control mode, to analyze system behavior; • A control method by digital and analog signals to control the system remotely with an external computer system; • A network communication mode, which allows remote control of the system with an external computer system, using network communications. To interact with the system a tactile console has been integrated. They were also developed two protection systems: • Interlock that protects the system and the operator of commands that can be harmful to the normal operation or put people at risk; • Signal isolation circuit for the physical links between the educational system and the external computer system. The educational system of continuous processes allows contact with equipment currently used in the industrial automation, the development of control systems for the same, analysis of the impact that different controllers may have on the system to control and better perception of controlling a system. vii Agradecimentos Agradeço aos meus pais, por toda a dedicação e empenho na minha formação pessoal e académica e pela compreensão demonstrada ao longo deste meu percurso. Sem o seu apoio seria mais difícil atingir esta jornada da minha vida. Quero também agradecer aos meus amigos, com especial menção ao Flávio Amorim, que para além de um grande amigo de longa data, acompanhou de muito perto toda esta etapa da dissertação, com todos os altos e baixos que marcaram este percurso. É digno de referência a parceria e companheirismo entre os dois no laboratório onde trabalhamos, cada um na sua dissertação durante estes últimos cinco meses. Quero agradecer também à minha namorada, Teresa Sousa. Por tudo o que fez, pelo acompanhamento ao longo da dissertação, pelos momentos menos felizes e mais difíceis de ultrapassar e pelos momentos que me divertiu e motivou. Por último, quero agradecer reconhecidamente ao meu orientador, Professor Paulo Portugal, pela sua disponibilidade, apoio prestado na preparação e desenvolvimento da minha dissertação, à qual dedicou toda a atenção, mesmo com os condicionalismos inerentes à atividade profissional e desempenho das suas funções. ix Índice Introdução ......................................................................................................... 1 1.1 Contexto ................................................................................................. 1 1.2 Motivação ............................................................................................... 1 1.3 Objetivos ................................................................................................ 2 1.4 Organização do documento .......................................................................... 2 Sistemas didáticos comerciais ................................................................................. 3 2.1 IPA 3 2.2 CPIC ...................................................................................................... 4 2.3 MPS-PA ................................................................................................... 5 Estação de Filtragem ............................................................................. 6 2.3.1 Estação de Mistura ................................................................................ 6 2.3.2 Estação de Aquecimento ........................................................................ 6 2.3.3 Estação de Engarrafamento ..................................................................... 6 2.3.4 2.4 Conclusões dos sistemas analisados ................................................................ 7 Arquitetura do Sistema ......................................................................................... 8 3.1 Requisitos do sistema ................................................................................. 8 3.2 Arquitetura proposta .................................................................................. 9 3.3 Estações ............................................................................................... 11 Estação de Nível ................................................................................ 11 3.3.1 Estação de temperatura ....................................................................... 12 3.3.2 Estação de fluxo ................................................................................ 14 3.3.3 3.4 Modos de Funcionamento........................................................................... 15 Modo Demonstração ............................................................................ 15 3.4.1 Modo Manual ..................................................................................... 15 3.4.2 Modo Comunicação Rede ...................................................................... 15 3.4.3 Modo controlo por sinais digitais e analógicos ............................................. 16 3.4.4 3.5 Interlock ............................................................................................... 16 Hardware desenvolvido ....................................................................................... 17 4.1 Sistema computacional ............................................................................. 17 4.2 Componentes do sistema ........................................................................... 19 Componentes comuns .......................................................................... 19 4.2.1 4.2.1.1 Reservatório .............................................................................. 19 19 4.2.1.2 Bomba de enchimento .................................................................. 20 4.2.1.3 Electroválvulas ........................................................................... 20 4.2.1.4 Sensor capacitivo ........................................................................ 21 4.2.1.5 Sensor de Boia ........................................................................... 22 4.2.1.6 Canalizações .............................................................................. 22 4.2.1.7 Tanques ................................................................................... 22 Estação de nível ................................................................................. 23 4.2.2 4.2.2.1 Bomba regulável ......................................................................... 24 4.2.2.2 Ultrassons ................................................................................. 26 4.2.2.3 Componentes utilizados na estação de nível ....................................... 26 2 Introdução 1.3 Objetivos Através do sistema didático desenvolvido pretende-se melhorar a formação dos estudantes na área de automação, ao integrar experiências como:  Compreender, analisar e controlar sistemas de processos contínuos;  Desenvolver controladores como P, PI e PID para controlar processos contínuos;  Analisar a resposta de um sistema de processos contínuos controlado por diferentes tipos de controladores;  Analisar as respostas para controladores com diferentes parâmetros;  Perceber o princípio de funcionamento e áreas de aplicação dos sensores e atuadores, digitais e analógicos. 1.4 Organização do documento Pala além deste capítulo de introdução, este documento é composto por mais seis capítulos. No capítulo 2 são apresentados alguns sistemas didáticos de processos contínuos disponíveis comercialmente, com objetivos e funcionalidades semelhantes ao desenvolvido nesta dissertação. No capítulo 3 é apresentada a arquitetura do sistema didático desenvolvido, onde são expostos os requisitos e objetivos do sistema, a proposta de implementação e as características do mesmo. No capítulo 4 é apresentada a componente de hardware do sistema desenvolvido. No capítulo 5 é apresentada a componente de software do sistema desenvolvido. No capítulo 6 é apresentada a interface desenvolvida para controlar e monitorizar o sistema. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões e enumeradas possibilidades de novos desenvolvimentos que poderão ocorrer, futuramente, através de novos projetos. Capítulo 2 Sistemas didáticos comerciais Neste capítulo são apresentados sistemas didáticos com um objetivo semelhante ao sistema desenvolvido. São analisados sistemas de fabricantes, características e áreas de atuação diferentes. Em particular é analisado o sistema didático da FESTO, mais relevante para esta dissertação, uma vez que o conceito de funcionamento é semelhante ao desenvolvido nesta dissertação. 2.1 IPA A Lucas-Nülle é uma empresa alemã que desenvolve sistemas didáticos e de treino para as mais diversas áreas de engenharia. Entre outros sistemas didáticos esta empresa disponibiliza um sistema didático de processos industriais. Este sistema didático é o “Industrial Process Automation”[1], IPA, que tem como objetivo formar e dar uma experiencia prática nas áreas de automação, mecatrónica e autómatos. Com o sistema IPA é possível realizar testes a equipamentos individuais ou realizar o controlo de processos de automação, com recurso a alguns equipamentos utilizados na área de automação industrial. Ilustração 2-1 - Sistema didático IPA (adaptado de [1]) Figura 2.1 - Sistema didático IPA (adaptado de [1]) 4 Sistemas didáticos comerciais O sistema IPA disponibiliza cinco módulos de controlo de processos:  Módulo compacto, para realizar o controlo de pressão, temperatura, volume e fluxo;  Módulo de mistura de líquidos, para realizar o controlo de mistura precisa de líquidos;  Módulo de enchimento de garrafas, para realizar o controlo do enchimento de garrafas com doses definidas;  Módulo de fecho de garrafas, para realizar o controlo do processo de fecho de garrafas;  Módulo de abertura de garrafas, para realizar o controlo de uma linha de abertura de garrafas e separação por tampas e garrafas. Em todos estes módulos do sistema IPA, é necessário projetar as ligações a fazer para realizar o controlo dos processos e selecionar e ligar os diferentes sensores envolvidos. Depois de realizada a montagem do processo é necessário desenvolver o sistema de controlo, através de controladores dinâmicos e definir os parâmetros dos controladores. É possível controlar e monitorizar os processos. 2.2 CPIC Outra empresa que tem um sistema didático para o controlo de processos contínuos é a Edibon, com sede em Espanha, focada no desenvolvimento e pesquisa de material para ensino técnico. Um dos equipamentos desenvolvidos por esta empresa é o CPIC, “Computerized Process Industrial Control”[2], um sistema didático que apresenta vários processos contínuos integrados em alguns tipos de industria. Este sistema é constituído por uma unidade principal onde estão montados os equipamentos diretamente associados ao processo, uma unidade de serviço, uma interface de controlo, uma placa de aquisição e o software para controlar e monitorizar o sistema. Todos estes elementos têm de ser adquiridos em conjunto para ser possível trabalhar com o sistema didático. Figura 2.2 - Sistema didático CPIC (adaptado de [2]) 5 A unidade principal contém sensores de nível, de pressão e de temperatura, electroválvulas, válvulas pneumáticas e uma bomba de água dispostos de forma a ser possível recriar alguns processos contínuos para que seja feito o seu controlo. A unidade de serviço tem um reservatório de água, um equipamento responsável por aquecer a água e um compressor de ar. Estes equipamentos servem para alimentar os elementos da unidade principal tornando possível funcionar com a mesma. A interface de controlo é responsável pela comunicação entre o sistema e o computador. Apresenta um esquema do sistema e conectores para ligar os cabos provenientes dos sensores e atuadores do sistema e contem toda a eletrónica necessária para fazer o tratamento dos sinais para serem lidos no computador. A placa de aquisição permite a leitura da informação enviada pela interface de controlo no computador, com recurso ao software fornecido com o sistema. Este sistema permite realizar experiências para pesquisa, simulações industriais e cursos de treino para controlo de processos contínuos. Este sistema permite desenvolver o controlo de fluxo, temperatura, nível e pressão. É possível controlar o sistema em tempo real ou através de controladores PID. 2.3 MPS-PA A FESTO é uma empresa muito conhecida na área de engenharia e automação, que tem uma divisão exclusivamente dedicada ao ensino nestas áreas, a Festo Didatic. A Festo Didatic disponibiliza vários equipamentos e soluções didáticas para áreas de robótica, automação de processos, indústrias mineiras e tratamento de águas e prestam formação relativamente às mesmas. A referência para esta dissertação incide na área de automação de processos. A Festo Didatic disponibiliza o “Modular Production Systems – Process Automation[3]”, MPS-PA, que inclui quatro estações de processos contínuos diferentes, utilizados em vários sectores industriais, para aprendizagem e experimentação de controlo destes processos. As quatros estações constituintes do MPS-PA são:  Estação de Filtragem;  Estação de Mistura;  Estação de Aquecimento;  Estação de Engarrafamento. Figura 2.3 - Sistema didático MPS-PA (adaptado de [3]) 6 Sistemas didáticos comerciais Em todas estas estações existem sensores de nível para dar informação sobre o nível de líquido nos tanques das estações e que permitem realizar experiências de controlo digital mais básicas do que o controlo de um processo. Estação de Filtragem 2.3.1 A estação de filtragem tem como objetivo a filtragem de líquidos. O líquido a filtrar está num tanque e é enviado para o segundo tanque, por recurso a uma bomba de água, atravessando um filtro. Este filtro é soprado por ar a pressão controlada, para limpar o filtro de depósitos contidos no líquido. Estação de Mistura 2.3.2 A estação de mistura realiza a mistura de três líquidos. Esta é constituída por três tanques pequenos, que contêm os líquidos a misturar, e um tanque maior, onde é realizada a mistura dos líquidos. O controlo do processo de mistura é feito através da relação de fluxo de líquido enviado de cada um dos três tanques iniciais para o tanque de mistura. A leitura do caudal é realizada por recurso a um sensor de fluxo em que o seu sinal é convertido num sinal analógico de 0 a 10 Volt, para ser adquirido pelo sistema computacional da estação. Para regulação do fluxo são utilizadas bombas com controlo analógico, que pode ser um controlo lógico ou um controlador dinâmico. Estação de Aquecimento 2.3.3 A estação de aquecimento realiza o aquecimento de um líquido até uma determinada temperatura. Nesta estação existe um tanque onde é realizado todo o processo de controlo associado à mesma. A temperatura do líquido da estação é lida por recurso a um sensor de temperatura PT100. O controlo do processo nesta estação pode ser feito por recurso a controlo lógico ou a controladores dinâmicos como P, PI ou PID. Estação de Engarrafamento 2.3.4 A estação de engarrafamento consiste no enchimento de garrafas com líquido. Esta estação é composta por tapetes que levam as garrafas vazias até à zona de enchimento, onde são cheias e é feito o controlo da quantidade de líquido introduzido nas garrafas. A quantidade de líquido inserido nas garrafas é verificada através de um sensor analógico e é utilizada uma bomba de água para enviar o respetivo líquido para o interior das garrafas. O controlo nesta estação também pode ser através de um controlador lógico ou através de controladores dinâmicos. 7 2.4 Conclusões dos sistemas analisados Existem dois problemas mais evidentes associados aos sistemas didáticos analisados, tanto no sistema da FESTO como nos comercializados por outras empresas. O primeiro dos inconvenientes destes sistemas está relacionado com o elevado preço, tipicamente muitos milhares de euros, sendo muito difícil ou mesmo impossível, para uma instituição de ensino, adquirir os mesmos. Outro problema detetado nestes sistemas é o facto de os mesmos serem produzidos de forma a obter um produto final selado. Isto não permite flexibilidade para alterações aos componentes ou sistema de controlo, limitando assim as experiências a realizar com os mesmos e não permitindo possíveis melhorias futuras. Identificados estes dois problemas nos sistemas didáticos de processos contínuos existentes, um dos objetivos no desenvolvimento deste sistema será a possibilidade de obter um sistema mais flexível e com um custo significativamente mais reduzido. Capítulo 3 Arquitetura do Sistema Neste capítulo é apresentada a arquitetura do sistema didático, são identificados os requisitos definidos, qual a abordagem utilizada para a construção e desenvolvimento do sistema didático e ainda os modos de funcionamento desenvolvidos. 3.1 Requisitos do sistema Na fase inicial do desenvolvimento do sistema foram definidos, em conjunto com o orientador da dissertação, os requisitos que o mesmo tem de cumprir:  Ser um sistema didático que permita controlar processos contínuos;  Serem desenvolvidas três estações de processos contínuos distintos;  O sistema didático irá ser controlado por uma plataforma externa (ex. PC, autómato, Microcontrolador), desenvolvida pelos estudantes;  Ser possível controlar as estações em modos de funcionamento diferentes, através de tipos de comunicação diferentes;  Ser possível controlar remotamente a estação através de comunicação de rede, usando um protocolo aberto;  Ser possível controlar remotamente a estação através de sinais digitais e analógicos;  Existir a opção de controlar manualmente cada um dos atuadores das estações;  Ter a possibilidade de demonstrar o processo contínuo associado a cada estação;  Incluir uma aplicação de segurança, para verificar se os comandos enviados para as estações danificam o sistema;  Existir um sistema de isolamento de sinais para o controlo remoto através de sinais digitais e analógicos; 9 3.2 Arquitetura proposta Tendo em conta os requisitos e objetivos do sistema didático foram desenvolvidas três estações, apresentadas na secção 3.3, onde decorrem processos contínuos distintos:  Estação de nível;  Estação de temperatura;  Estação de fluxo. Foi necessário incluir um sistema computacional para gerir os comandos enviados para os atuadores e a leitura do estado dos sensores do sistema. A inclusão do sistema computacional deve-se ao facto de as estações desenvolvidas poderem ser controladas por vários modos de funcionamento e ainda para realizar uma verificação de comandos enviados para o sistema, através de um programa de segurança designado Interlock. Para controlo do sistema didático os estudantes controlam uma plataforma externa, que comunica com o sistema computacional associado ao sistema didático, para enviar comandos e obter informação sobre o estado do sistema. Os modos de funcionamento desenvolvidos permitem o controlo remoto das estações, o controlo manual dos atuadores do sistema e a execução de uma aplicação que realiza uma demonstração de cada uma das estações. O controlo remoto das estações pode ser feito com recurso a dois meios de comunicação, um modo de funcionamento desenvolvido permite o controlo remoto através de comunicação de rede e outro modo de funcionamento permite o controlo remoto através de controlo por sinais digitais e analógicos. Estes modos de funcionamento são apresentados na secção 3.4. O Interlock é executado qualquer que seja o modo de funcionamento ativo, para que sejam sempre verificadas os comandos enviados para o sistema e não se verifique nenhuma situação que possa danificar os componentes ou colocar em risco o utilizador. O Interlock é apresentado na secção 3.5. Para selecionar o modo de funcionamento e para realizar o controlo manual dos atuadores do sistema no modo de controlo manual foi incluída uma interface gráfica, apresentada no capítulo 6. Esta interface comunica com o sistema computacional para apresentar informação do estado dos sensores do sistema e para enviar os comandos, inseridos na interface pelo utilizador, para controlo do sistema. Na figura 3.1 é apresentada a arquitetura do sistema desenvolvido. É possível observar que o sistema computacional é utilizado para interagir com o sistema, ou seja, todos os comandos enviados para os atuadores das estações provêm do mesmo, e a leitura do estado dos sensores é feita pelo sistema computacional. As ligações entre o sistema computacional e os componentes instalados nas estações são feitas entre as saídas do sistema computacional, para o envio dos comandos para os atuadores das estações, identificados por “A” na figura, e entre os sensores das estações, identificados por “S”, e as entradas do sistema computacional, para ser conhecido o estado das grandezas físicas de cada uma das estações desenvolvidas. 10 Arquitetura do Sistema À exceção do modo de funcionamento em que o sistema demonstra os processos associados a cada estação, no qual não existe controlo do sistema por parte do operador, este controlo pode ser feito de três maneiras:  Comunicação por rede, identificada na figura por “Comando[1]” e “Leitura[1]”. Neste modo de funcionamento, a troca de informação entre o operador e o sistema é realizada com recurso a comunicações de rede entre os dois sistemas computacionais, o do sistema desenvolvido e a plataforma externa;  Controlo por sinais digitais e analógicos, identificado na figura 3.1 por “Comando[2]” e “Leitura[2]”. Neste modo de funcionamento, a troca de informação entre o operador e o sistema é realizada através do envio e leitura de sinais digitais e analógicos por parte do operador, com recurso a uma plataforma externa. Uma vez que esta comunicação exige uma ligação entre os dois sistemas computacionais para cada sinal, a leitura dos sensores é efetuada diretamente nos componentes, não sendo necessário recorrer ao sistema computacional do sistema. Por questões de segurança, do sistema, foi desenvolvido um sistema de proteção elétrico para as ligações realizadas nesta comunicação, identificadas por “SP” na figura 3.1, apresentado no capítulo 4.  Controlo manual do sistema através da interface, identificado na figura por “Comando[3]” e “Leitura[3]”. Neste modo de funcionamento a interação com o utilizador é realizada através de uma interface gráfica. Figura 3.1 – Conceito da arquitetura do sistema Leitura Interface Comando Leitura Comando[3] Leitura[3] Comando[1] Sistema Computacional Estações Comando[2] Comando Leitura[2] Operador Leitura[1] SP SP S A Plataforma externa Sistema Didático 11 3.3 Estações A arquitetura das estações do sistema didático, foi desenvolvida de forma a serem cumpridos os objetivos e requisitos do sistema. Para o desenvolvimento das três estações já existia uma bancada e quatros tanques disponíveis no laboratório de automação com o propósito de serem utilizados neste projeto. Estação de Nível 3.3.1 Esta estação foi desenvolvida com objetivo de realizar o controlo do nível de água num tanque. Uma vez que o controlo do nível de água num tanque exige o abastecimento constante de água, e escoamento no caso de se pretender realizar um controlo dinâmico, foi necessário utilizar outro tanque para além daquele onde decorre o processo. Este tanque auxiliar permite que a estação seja abastecida de água e ao longo do processo não seja necessário novo abastecimento. Na figura 3.2 é apresentado o esquema proposto para a estação de nível, onde é possível observar a disposição de todos os componentes instalados na estação. Figura 3.2 - Esquema da estação de nível B B Tanque Inferior A D C B Tanque Superior A E 18 Software possível realizar o controlo remoto do mesmo através de comunicações de rede. A carta de comunicações de rede instalada utiliza rede Ethernet com o protocolo Modbus TCP/IP. Dos módulos disponíveis no laboratório, por questões de compatibilidade, foram selecionados os seguintes:  Processador - modelo TSX P57202;  A fonte de alimentação - modelo TSX PSY2600;  A carta de rede - modelo TSX ETY110W8. Para a seleção dos módulos de entradas e saídas foi necessário analisar os requisitos do sistema relativamente à quantidade de entradas e saídas, digitais e analógicas. No capítulo 3 foram apresentadas as propostas para cada uma das estações desenvolvidas, onde é possível contabilizar o número de sensores e atuadores necessários para o sistema. É apresentado na tabela 4-1 o número de entradas e saídas, digitais e analógicas, necessárias para cada uma das estações e o total das mesmas. Os sensores e atuadores contabilizados na tabela são apresentados detalhadamente nas secções seguintes. Tabela 4-1 - Contabilização de sensores e atuadores do sistema Estação Nível Estação Temperatura Estação Fluxo Total Atuadores digitais 3 7 3 13 Atuadores analógicos 1 1 1 3 Sensores digitais 3 2 2 7 Sensores analógicos 1 1 1 3 Tendo em conta que os atuadores do sistema são uma saída do autómato, e os sensores uma entrada, são necessárias 13 saídas e 7 entradas digitais, e 3 saídas e 3 entradas analógicas. Como os módulos de entradas e saídas dos autómatos são fabricados com um número de entradas ou saídas pré-definido foi necessário escolher entre módulos de 4, 8, ou 16 canais. Deste modo são necessárias:  Uma carta de 16 saídas digitais;  Uma carta de 4 saídas analógicas;  Uma carta de 8 entradas digitais;  Uma carta de 4 entradas analógicas. Contudo, para além da carta saídas digitais que fica com 3 canais disponíveis, as outras cartas ficam sem uma margem aceitável de canais disponíveis. Isto poderia implicar uma alteração de equipamento se fosse necessário utilizar mais canais no sistema, tanto durante o desenvolvimento do sistema didático, como em possíveis trabalhos futuros. Tendo isto em conta, a compatibilidade entre módulos e o material disponível no laboratório de automação, foram selecionadas as seguintes cartas de entradas e saídas:  TSX DSY16T2 - 16 saídas digitais;  TSX DEY16D2 – 16 entradas digitais;  TSX AEY800 – 8 entradas analógicas;  TSX ASY800 – 8 saídas analógicas; Na figura 4.1 é apresentada a configuração final do autómato, em que todos os módulos selecionados estão montados num bastidor. 19 4.2 Componentes do sistema Componentes comuns 4.2.1 Nesta secção vão ser apresentados alguns componentes comuns a todas as estações desenvolvidas no sistema didático. 4.2.1.1 Reservatório O sistema desenvolvido, como já referido anteriormente no capítulo 3, contém um reservatório de água, composto por dois tanques de plástico, para que seja possível a retenção da água quando nenhuma das estações está em funcionamento. Este reservatório foi introduzido com os seguintes propósitos: não ser necessária a inserção de água no sistema sempre que o mesmo for utilizado, prevenindo assim situações de risco para o sistema e aumentando a facilidade de manuseamento do mesmo, não haver retenção de água nas estações a tempo inteiro, por forma a não degradar os materiais e componentes instalados nas estações. Figura 4.2 - Reservatório Figura 4.1 - Autómato 20 Software 4.2.1.2 Bomba de enchimento Para realizar o enchimento das estações do sistema a partir do reservatório referido, na secção 4.2.1.1, é necessário utilizar uma bomba de água. A bomba de água utilizada para este propósito foi retirada de um projeto descontinuado e aproveitada para este sistema uma vez que o caudal máximo da mesma permite o enchimento rápido das estações e tem pressão para a altura de elevação da água desejada. Para o acionamento desta bomba foi necessário utilizar um relé, uma vez que a tensão nominal da mesma é de 230V, corrente alternada, e a tensão nominal fornecida pela carta de saídas no autómato é de 24V, corrente contínua. 4.2.1.3 Electroválvulas A electroválvula foi um componente utilizado em todas as estações. A sua função é permitir ou bloquear a passagem de água. Uma electroválvula é constituída por uma parte mecânica e uma parte elétrica, atribuindo-lhe assim o seu nome. A parte mecânica consiste num canal que é bloqueado por um êmbolo não permitindo a passagem de água. Quando o êmbolo é movido a válvula fica aberta, é permitida a passagem de água. A parte elétrica consiste numa bobine elétrica ligada ao êmbolo referido. Quando é aplicado um sinal de tensão à bobine esta cria um campo magnético atraindo o êmbolo e abrindo assim a válvula. Isto aplica-se às válvulas de funcionamento “normalmente fechado”, que é o caso das electroválvulas utilizadas. Figura 4.4 - Electroválvula Figura 4.3 - Bomba de enchimento 21 Um aspeto importante para a seleção das electroválvulas residiu no facto de as cartas de saída digitais selecionadas, as TSX DSY16T2, terem uma corrente nominal de 500mA por canal, ou seja, a corrente nominal das electroválvulas selecionadas teria que ser inferior, facto que se verifica uma vez que a corrente nominal das mesmas é de 300mA. As válvulas foram alimentadas com uma tensão de 24V, visto esta ser a tensão nominal das cartas de saídas digitais. Uma vez que nas canalizações do sistema didático não existe pressão, ou quase nenhuma, uma característica importante das válvulas utilizadas é o facto de serem válvulas de pressão nula, ou seja, não necessitam de pressão de água para abrir ou fechar. As electroválvulas utilizadas no sistema encontravam-se no laboratório de automação, sem prévia utilização, disponíveis para utilização em trabalhos relacionados com automação e hidráulica. Estas electroválvulas são da marca SMC e de modelo VXZ2230, tendo sido selecionadas por cumprirem com os requisitos necessários. 4.2.1.4 Sensor capacitivo Para detetar o nível de água nos tanques nas posições específicas apresentadas nas estruturas das estações, exceto as de máximo, foram utilizados sensores capacitivos. Os sensores capacitivos apresentam algumas vantagens relativamente a outros tipos de sensores, nomeadamente: a deteção de uma grande variedade de materiais, metais, líquidos ou sólidos; a instalação fácil; e mais importante, para a condição de utilização nas estações do sistema, o facto de conseguirem detetar através de alguns materiais. Uma vez verificado que a utilização de sensores capacitivos é vantajosa foram utilizados os sensores capacitivos da marca Bernstein, modelo KCB-M18PS, apresentados na figura 4.6, disponíveis no laboratório de automação, com um alcance de 5 mm. Além destes serem sensores capacitivos, optou-se pela sua utilização dada a sua alimentação de 24 Volt, sendo esta uma tensão disponível para outros componentes, uniformizando assim as alimentações do sistema. Estes sensores possuem três cabos necessários ao seu funcionamento:  Alimentação, a 24 Volt;  Ligação à massa;  Sinal (ou saída). Quando o sensor capacitivo deteta material no seu alcance fecha o contacto entre a alimentação e a saída do mesmo, no caso de sensores do tipo “normalmente aberto”, como é o caso, a partir do qual o autómato obtém a informação sobre o estado do sensor. Figura 4.5 - Sensor capacitivo 22 Software 4.2.1.5 Sensor de Boia Para a deteção dos níveis máximos nos tanques das estações desenvolvidas foram utilizados sensores de boia. A utilização deste tipo de sensores foi tomada uma vez que o seu custo é relativamente baixo e não é necessária uma grande precisão para a deteção do nível máximo dos tanques. A simplicidade de operação e instalação dos mesmos foi também um aspeto considerado. Os sensores utilizados nos quatro tanques do sistema para detetar a capacidade máxima são sensores de boia da marca Celduc, modelo PTFA3115, apresentados na figura 4.7, disponíveis no laboratório de automação. Estes sensores são um simples interruptor elétrico atuado por um campo magnético, mais conhecido por “interruptor reed”. Quando a parte móvel do sensor, que contém um íman, está perto o suficiente da parte fixa, que contém o “Interruptor reed”, o contacto é fechado. Quando é excedida a distância mínima para o íman ter efeito no interruptor, o contacto abre. Para a seleção destes sensores foi ainda verificado se os mesmos suportavam o funcionamento às tensões utilizadas no sistema, o que pôde ser confirmado, uma vez que os mesmos suportam tensões na ordem dos 300 Volt e correntes na ordem dos 2,5 Ampere. Para a ligação dos sensores utilizados, um dos lados do interruptor é alimentado a partir das fontes de alimentação do sistema, de 24 Volt, e o outro lado ligado à carta de entradas digitais do autómato. 4.2.1.6 Canalizações Para realizar as ligações necessárias, entre as estações e o reservatório de água e as ligações incluídas em cada estação, para conduzir a água foram utilizados tubos de PVC. Esta escolha deveu-se ao facto destes permitirem alguma facilidade de manuseamento e corte para ajuste do tamanho necessário a cada ligação. Para realizar a ligação entre tubos de PVC, os tanques, as bombas, as válvulas e entre os próprios tubos foram utilizados acessórios de fixação à pressão de PVC. 4.2.1.7 Tanques Os tanques utilizados, em cada uma das estações, são da FESTO e estavam já disponíveis na faculdade com o objetivo de serem integrados num trabalho relacionado com sistemas de automação. Os tanques utilizados neste projeto são tanques de acrílico, com formato de um paralelepípedo e têm a capacidade operacional de 10 litros. Figura 4.6 - Sensor de boia 23 Estes tanques contêm furações nas laterais, para ligação de tubagens e montagem de sensores, uma furação na parte inferior para escoamento do mesmo, e furações no topo para entradas de água, O tanque utilizado para a estação de temperatura tem duas furações especiais para a instalação de uma unidade de aquecimento e um sensor de temperatura na parte frontal. Tanto os tanques utilizados como o restante equipamento do sistema estão instalados numa bancada com uma estrutura em alumínio. Os tanques são apoiados em duas calhas, que por sua vez estão fixas à bancada. Estação de nível 4.2.2 Nesta secção é apresentada a arquitetura da estação de nível. É possível realizar uma análise mais detalhada da estação desenvolvida, com recurso à informação, relativa aos componentes comuns do sistema, apresentados na secção 4.2.1, e apresentada nesta secção, relativa aos componentes da estação de nível. No final da secção é feito um sumário dos componentes utilizados na estação. São de seguida identificados os componentes utilizados para cada posição:  A – Os sensores de nível utilizados nesta posição são os sensores de boia apresentados na secção 4.2.1.5;  B – As válvulas utilizadas nesta posição são as electroválvulas apresentadas na secção 4.2.1.3; B B Tanque Inferior A D C B Tanque Superior A E Figura 4.7 - Esquema da estação de nível 24 Software  C – A bomba de água utilizada nesta posição é a bomba de água regulável apresentada na secção 4.2.2.1;  D – O sensor de nível utilizado nesta posição é o sensor capacitivo apresentado na secção 4.2.1.4;  E – O sensor de nível analógico utilizado nesta posição é o sensor de ultrassons apresentado na secção 4.2.2.2. 4.2.2.1 Bomba regulável Na estação de nível é necessário enviar a água do tanque inferior para o tanque superior. Para esse efeito foi utilizada uma bomba de água. A bomba utilizada nesta estação é uma bomba de corrente contínua com tensão nominal de 12 Volt e com corrente nominal, à velocidade máxima, de 4,5A. Esta bomba foi aproveitada de outros projetos descontinuados, apresentada na figura 4.9. Sendo a bomba responsável por bombear água para o tanque superior, onde se pretende controlar a altura de água no tanque, para que seja possível realizar o controlo dinâmico do processo é necessário regular a velocidade da mesma. Como o motor da bomba de água utilizada é um motor de corrente contínua e a mesma não tem incluído um controlador de velocidade foi necessário desenvolver um circuito de controlo de velocidade para a bomba. Uma vez que a velocidade de um motor de corrente contínua é, aproximadamente, diretamente proporcional à tensão de alimentação e que nas cartas de saídas analógicas do autómato é possível utilizar um sinal de 0 a 10 Volt, optou-se pelo controlo da velocidade através de variação da tensão de alimentação Dos métodos existentes para controlar a velocidade de motores de corrente contínua o mais eficiente, que permite correntes mais elevadas, que permite o controlo a velocidades mais baixas e um controlo bastante linear em quase toda a gama de funcionamento dos motores é o PWM, sendo por isto o método utilizado para controlar a velocidade da bomba de água utilizada. Para regular a velocidade da bomba é enviado, por parte do autómato, um sinal analógico para o circuito de controlo PWM, que controla a bomba mediante o valor recebido do autómato. Figura 4.8 - Bomba Regulável 25 É apresentado na figura 4.10 o circuito de controlo PWM. Para o circuito PWM desenvolvido foi utilizada parte de um circuito de controlo PWM já desenvolvido e testado, em que o PWM varia através de da variação aplicada a um potenciómetro ligado à entrada negativa do U1D. Os três primeiros amplificadores operacionais do circuito, identificados U1A, U1B e U1C, são responsáveis por gerar uma onda triangular entre os zero e os dez Volt. O amplificador operacional identificado U1D funciona como comparador entre a onda triangular gerada e o sinal de controlo, proveniente do autómato. O sinal de controlo no circuito funciona como sinal de referência para o comparador, sendo que quando o valor da onda triangular é superior ao sinal de controlo a saída do comparador coloca tensão na base do transístor, identificado Q1. Quando isto acontece o transístor permite a passagem de corrente entre o coletor e o emissor ativando assim a bomba. Quando o valor da onda triangular é inferior ao sinal de controlo não é colocada tensão na base do transístor, não permitindo a condução entre o coletor e emissor do mesmo e não alimentando a bomba. A conjugação destes dois estados gera um sinal de PWM, permitindo assim o controlo da velocidade da bomba. Figura 4.9 – Esquema do circuito elétrico de PWM 26 Software 4.2.2.2 Ultrassons Para realizar a medição da altura de água no tanque superior da estação de nível foi instalado um sensor ultrassons. Este sensor utilizado no sistema já estava no laboratório de automação para ser utilizado em conjunto com os tanques da FESTO anteriormente referidos. É um sensor da marca Siemens, modelo 3RG62 32-3JS00. Um sensor ultrassons funciona da seguinte forma: é enviada pelo sensor uma onda sonora com o sensor devidamente apontado na direção do objeto ao qual se quer medir a distância. Esta onda, depois de refletida no objeto é recebida pelo sensor e o mesmo realiza os cálculos da distância tendo em conta o tempo de voo da onda, e a velocidade do som. A tensão de alimentação do sensor é de 24 Volt, mas o mesmo permite uma gama de alimentação entre 12 e 30 Volt. O alcance de medição do sensor é de 5 a 30 centímetros e tem um sinal de saída analógico na gama de 0 a 10 Volt. Apesar de este sensor permitir uma configuração do sinal de saída e outras configurações avançadas, foi utilizado na sua configuração de fábrica uma vez que o sinal de saída do mesmo mantinha as características de outros utilizados no sistema. 4.2.2.3 Componentes utilizados na estação de nível É apresentado na tabela 4-2 um resumo dos componentes, sensores e atuadores, utilizados nesta estação. Esta tabela permite identificar quais são os componentes instalados na estação de nível e ter a perceção dos valores apresentados, para esta estação, na tabela 4-1. Tabela 4-2 - Resumo dos componentes da estação de nível Digitais Analógicos Sensores Sensor de boia tanque inferior (24V) Sensor de boia tanque superior (24V) Sensor capacitivo tanque inferior (24V) 3 Sensor de Ultrassons (0-10V) 1 Atuadores Electroválvula de entrada (24V) Electroválvula de saída (24V) Electroválvula entre tanques (24V) 3 Bomba regulável (0-10V) 1 Figura 4.10 - Sensor Ultrassons 27 Estação de temperatura 4.2.3 Nesta secção é apresentada a arquitetura da estação de temperatura, para ser analisada detalhadamente com acesso à informação dada anteriormente na secção 4.2.1, relativa aos componentes comuns do sistema, e nesta secção, relativa aos componentes da estação de temperatura. No final da secção é feito um sumário dos componentes utilizados na estação. São de seguida identificados os componentes utilizados para cada posição:  A – O sensor de nível utilizados nesta posição é o sensor de boia apresentado na secção 4.2.1.5;  B – As válvulas utilizadas nestas posições são as electroválvulas apresentadas na secção 4.2.1.3;  C – O sensor de nível utilizado nesta posição é o sensor capacitivo apresentado na secção 4.2.1.4;  D - A bomba de água utilizada nesta posição é a bomba de água apresentada na secção 4.2.3.4;  E – O sensor de temperatura utilizado nesta posição é o sensor apresentado na secção 4.2.3.2;  F – A unidade de aquecimento utilizada nesta posição é a resistência de aquecimento apresentada na secção 4.2.3.1;  A unidade de arrefecimento é apresentada na secção 4.2.3.3. B B D Unidade de arrefecimento B Tanque A C E F Figura 4.11 - Esquema da estação de temperatura 34 Software 4.3 Sistema de proteção elétrico Um dos modos de funcionamento desenvolvidos para o sistema é o modo de controlo por sinais digitais e analógicos, como referido no capítulo 3. Tendo em conta que neste modo de funcionamento são enviados sinais elétricos de uma plataforma externa para o autómato, e lidos os sinais dos sensores por parte da plataforma externa foram desenvolvidos, por razões de segurança, circuitos de isolamento elétrico de sinal. Interface com sinais digitais 4.3.1 Para realizar o isolamento digital de um sinal é necessário utilizar um interruptor em que exista isolamento entre dois circuitos. Analisou-se a possibilidade de ser utilizado um relé para realizar o isolamento do sinal, mas depois de comparar a sua utilização com a de um opto acoplador concluiu-se que o último desempenhava melhor a função. Comparativamente o opto acoplador tem um tempo de atuação muito inferior ao do relé e tem ainda a vantagem de não ter o desgaste mecânico verificado num relé. O opto acoplador utilizado é o modelo ACPL-847, disponível no armazém do DEEC. Na figura 4.21 é apresentado o circuito elétrico desenvolvido para realizar o isolamento de sinais digitais. Para o cálculo da resistência em serie com o led foi tida em conta a tensão dos sinais digitais utilizados no sistema e qual seria a corrente necessária para alimentar o mesmo. Uma vez que não existem resistências disponíveis nos laboratórios de 8kOhm, foi utilizada a mais próxima, de 8,2KOhm, não prejudicando assim o funcionamento do circuito. Do lado do transístor, foi colocada uma resistência do mesmo valor a realizar a função de “pull-down”. Interface com sinais analógicos 4.3.2 Uma vez que os sinais a isolar serão utilizados para o controlo de um processo contínuo, onde é necessário que a informação seja transmitida rapidamente e, visto ser possível realizar isolamento de sinais analógicos com recurso aos mesmos, optou-se pela utilização de opto acopladores no desenvolvimento do circuito de isolamento. Figura 4.17 – Esquema do circuito de isolamento digital 35 O circuito desenvolvido para o isolamento de sinal analógico é apresentado na figura 4.22. Uma parte do circuito tinha sido já desenvolvida anteriormente e foi utilizada para construir um circuito de isolamento, que realiza-se o isolamento apropriado para os sinais analógicos utilizados no sistema. Para que o tratamento de sinal realizado fosse o adequado, foi desenvolvido um pequeno circuito que através da alimentação utilizada no circuito de isolamento, 24 Volt e 0 Volt, cria uma massa virtual com 12 Volt. Esta terra virtual está identificada na figura por “GND” e corresponde ao local onde são ligados os pontos de massa do sinal de entrada e do sinal isolado de saída. O amplificador operacional identificado por U3A desempenha a função de comparador, entre o GND e o sinal de entrada, identificado por “Sinal”. À medida que o sinal de entrada aumenta, o amplificador operacional permite a passagem de mais corrente nos foto díodos dos opto acopladores, que por sua vez, através do aumento de intensidade no feixe luminoso enviado dos foto díodos para os foto transístores, permitem que a corrente conduzida pelos foto transístores aumente também. Este processo permite ao opto acoplador identificado por U1 a condução de corrente entre a alimentação e a massa, atravessando a resistência identificada por R1, e a produção de uma variação de tensão à entrada da resistência R4, variação essa que é proporcional à do sinal de entrada. O opto acoplador identificado por U2 tem como função melhorar a linearidade do circuito. Foi necessário introduzir um amplificador operacional, identificado por U3B, uma vez que o sinal produzido à entrada da resistência R4 varia de acordo com o sinal de entrada, mas não é igual em forma e valor ao mesmo. Assim, para que o sinal de saída do circuito seja uma réplica exata do sinal de entrada, é realizada uma inversão do sinal e respetiva multiplicação por 3. Figura 4.18 - Esquema do circuito de isolamento analógico 36 Software Resultados obtidos 4.3.3 O circuito de isolamento de sinal digital foi testado com sucesso utilizando sinais de 24V, para os quais foi desenvolvido. Contudo, como exemplo de validação, apresentado na figura 4.19, o circuito foi testado com recurso aos geradores de sinal do laboratório de automação utilizando uma onda quadrada com a amplitude máxima possível dos mesmos. É possível verificar na figura que o circuito tem um atraso significativamente reduzido entre o sinal de entrada, 1, e o sinal de saída,2. O circuito de isolamento de sinal analógico foi testado com sucesso na gama de valores para o qual foi desenvolvido, 0 a 10 Volt. Na figura 4.20 é possível verificar que o sinal de saída, 2, é praticamente uma replica exata do sinal de entrada,1. Figura 4.19 - Teste circuito de isolamento digital Figura 4.20 - Teste circuito de isolamento analógico 37 Capítulo 5 Arquitetura de Software Neste capítulo é apresentada a arquitetura de software desenvolvido. É apresentado o conceito de funcionamento para cada modo desenvolvido e, por fim, é descrita a função do interlock programado. 5.1 Arquitetura proposta Como apresentado no capítulo 4, foi utilizado um autómato no sistema didático onde foram desenvolvidas as aplicações necessárias para o funcionamento do sistema, segundo os requisitos apresentados no capítulo 3. Foram desenvolvidas quatro aplicações para executar os modos de funcionamento requeridos. O processador do autómato utilizado executa as aplicações desenvolvidas de forma cíclica e segundo uma ordem definida. A leitura do estado dos sensores é realizada no início de cada ciclo do processador e a atuação das saídas no final. A arquitetura do software desenvolvido é apresentada na figura 5.1, onde é possível observar a aplicação de leitura, os modos de funcionamento, de seguida o Interlock e no final a aplicação de escrita, na ordem de execução das aplicações. Ainda na figura 5.1 é possível observar alguns blocos de variáveis, que representam a alocação de informação ao longo de cada ciclo do processador, sendo que os blocos identificados por [2], [3] e [4] correspondem à mesma posição de memória. No início de cada ciclo do processador, é executada a aplicação de leitura, na qual todas as variáveis de entradas, digitais e analógicas, são copiadas para um bloco de variáveis de memória do autómato definidas com o propósito de disponibilizar a informação do estado do sistema para as várias aplicações de controlo desenvolvidas. A aplicação de leitura acede às variáveis de entrada do autómato identificadas por [1], na figura 5.1, e atribui o valor das mesmas às variáveis de memória identificadas por [2]. Depois da execução da aplicação de leitura, é executado uma das quatro aplicações desenvolvidas para controlar o sistema. Para além dos quatro modos de funcionamento, o 38 Software sistema pode estar num estado de espera em que nenhuma das respetivas quatro aplicações se encontra em execução. A execução das aplicações desenvolvidas para controlar o sistema é mutuamente exclusiva, ou seja, só uma das aplicações pode estar ativa, impedindo assim que exista conflito entre comandos enviados para o sistema por mais do que uma aplicação. Deste modo, é possível no mesmo modo de funcionamento controlar uma ou mais estações do sistema, não sendo no entanto possível controlar as estações em modos de funcionamento diferentes. O comando de execução das aplicações de controlo é realizado através do estado de um bit de memória definido para cada uma das aplicações, sendo que se o mesmo estiver no nível logico 1 a aplicação é executada e no nível logico 0 não é executada. Depois de dada a ordem de execução de uma das aplicações de controlo desenvolvidas, a aplicação ativa acede às variáveis de memória [2] para obter informação sobre o estado do sistema e atribui os valores alterados pela aplicação, relativos aos atuadores do mesmo, às variáveis de memória [3]. A aplicação de controlo por sinais digitais e analógicos não acede às variáveis de memória [2] que contêm a informação do estado do sistema, uma vez que essa informação é obtida diretamente a partir dos sensores. Acompanhando ainda o ciclo do processador, representado na figura 5.1, depois de executada uma das quatro aplicações desenvolvidas para controlar o sistema, e realizadas as alterações às variáveis de memória [3] pela mesma, é executada a aplicação interlock. A aplicação interlock verifica se os comandos enviados para os atuadores não colocam em risco o sistema ou o utilizador. Nesta situação, a aplicação não realiza alterações das variáveis de memória [3] para as [4]. Caso contrário, altera o valor das variáveis de memória que possam criar risco para o sistema e atribui um novo valor às variáveis de memória [4]. No final do ciclo, as variáveis de memória [4] já validadas pelo interlock, são atribuídas às variáveis de saída, digitais e analógicas, com recurso à aplicação escrita. Figura 5.1 – Arquitetura do Software desenvolvido Leitura Demonstração Manual Sinais D/A Comunicação Rede Interlock Escrita Espera %M… %MW… %M… %M… %MW… %M… %I… %Q… %I… %M… %MW… %M… %I… %Q… %I… [1] [2] [3] [4] [5] 39 A utilização de variáveis de memória justifica-se pelo facto de ser necessário disponibilizar a informação relativa ao estado dos sensores do sistema para as várias aplicações, para que o interlock possa atuar eficazmente antes de serem atuadas saídas com valores prejudiciais para o sistema e porque tanto no modo de comunicação por rede, como na comunicação com a interface são apenas acessíveis variáveis de memória do autómato. Para guardar a informação relativa aos sensores e atuadores digitais é suficiente utilizar variáveis de memória que tenham dois estados. Assim as variáveis de memória utilizadas para guardar a informação relativa aos sensores e atuadores digitais são do tipo “EBOOL”. Para guardar a informação relativa aos sensores e atuadores analógicos é necessário utilizar variáveis que permitissem armazenar valores para as gamas dos valores dos sinais analógicos de 0 a 10 Volt utilizados no sistema. Assim, as variáveis de memória utilizadas para guardar a informação relativa aos sensores e atuadores analógicos são words de memória. Relativamente às atribuições de variáveis referidas anteriormente, entre as aplicações desenvolvidas, é apresentado, na figura 5.2, um diagrama que permite obter uma melhor perceção acerca das mesmas. Através da aplicação de leitura, identificado na figura por [A], é atribuído o valor das variáveis de entrada a variáveis de memória definidas. As aplicações acedem a essas variáveis de memória para obterem informação sobre o estado dos sensores e atribuir os valores para os atuadores do sistema. O interlock valida, ou não, os comandos a enviar para os atuadores do sistema e o programa de escrita, identificado na figura por [B], atribui o valor das variáveis de memória às variáveis de saída do sistema. Figura 5.2 – Relação entre variáveis do sistema [A] Sinais digitais e analógicos Manual Demonstração Variáveis de Memória Comunicação Rede Interlock Variáveis de entrada Variáveis de saída [B] 40 Software 5.2 Modos de funcionamento Como já referido nos capítulos anteriores, foram desenvolvidos quatro modos de funcionamento para o sistema didático, um modo de demonstração, um modo manual, um modo de controlo por sinais digitais e analógicos e um modo de comunicação rede. Para o desenvolvimento destes modos de funcionamento foram desenvolvidas quatro aplicações no autómato com recurso ao programa PL7. A linguagem utilizada foi structured text (ST), dada a sua acessibilidade para realizar eventuais alterações no código. Para além disso, não se considerou necessária a utilização de uma linguagem mais elaborada como SFC. Nas seguintes seções, são descritos as aplicações desenvolvidas para os quatro modos de funcionamento existentes no sistema. Modo demonstração 5.2.1 Neste modo de funcionamento foi desenvolvido uma aplicação que permite controlar as estações do sistema com o objetivo de demonstrar o seu funcionamento. Para cada estação, foi definida uma variável de memória que ativa ou não a execução da demonstração da estação, conforme o seu estado. O valor lógico desta variável pode ser alterado em qualquer parte do processo, implicando assim a interrupção da demonstração. 5.2.1.1 Estação de nível Na estação de nível, pretende-se demonstrar o processo de controlo de nível de água no tanque superior. Nesta estação é introduzida, inicialmente, água no tanque inferior até que seja detetado o nível superior do mesmo. Uma vez que o tanque inferior esteja cheio, existem condições para que se dê início ao controlo do nível, que é realizado no tanque superior. Para o controlo do nível de água é utilizado um controlador proporcional, em que a variável de entrada do controlador é o sinal recebido do sensor de ultrassons instalado no tanque superior, relativo à quantidade de água no tanque. Por sua vez, a variável de saída do controlador é o sinal enviado para a bomba de velocidade regulável responsável pelo envio de água do tanque inferior para o superior. O valor de referência para o nível de água desejado é introduzido pelo utilizador, na interface do sistema. É apresentado na figura 5.3 um fluxograma funcional do modo de demonstração para a estação de nível. Figura 5.3 – Fluxograma funcional do modo de demonstração da estação de nível Demonstração Enchimento do tanque inferior Ativa? Sim Nível superior? Sim Não Controlador Valor de referência Ultrassons Bomba 41 5.2.1.2 Estação de temperatura Na estação de temperatura, o objetivo é demonstrar o processo de controlo de temperatura no tanque da estação. Nesta estação, é introduzida, inicialmente, água no tanque até que seja atingido o nível de água mínimo para a execução do processo. Quando esse nível é atingido, inicia-se o controlo de temperatura. Para o controlo de temperatura é utilizado um controlador proporcional, em que a variável de entrada do controlador é o sinal recebido do sensor de temperatura PT100, relativo à temperatura da água. Por sua vez, a variável de saída do controlador é o sinal enviado para a resistência de aquecimento, para regular a quantidade de aquecimento a fornecer. Se a temperatura exceder um determinado valor acima do valor de referência estabelecido, é iniciado o arrefecimento da água, através da unidade de arrefecimento instalada na estação. O valor de referência para a temperatura desejada é introduzido pelo utilizador, na interface do sistema. É apresentado na figura 5.4 um fluxograma funcional do modo de demonstração para a estação de temperatura. 5.2.1.3 Estação de fluxo Na estação de fluxo, pretende-se demonstrar o processo de controlo de fluxo de água que atravessa a canalização da estação. Na estação de controlo de fluxo é introduzida, inicialmente, água no tanque até que seja atingido o nível mínimo de água para a execução do processo. Quando esse nível é atingido inicia-se o controlo de fluxo. Para o controlo de fluxo é utilizado um controlador proporcional, em que a variável de entrada do controlador é o sinal recebido do caudalimetro, relativo à quantidade de água que está a atravessar a canalização. Por sua vez a variável de saída do controlador é o sinal enviado para válvula proporcional, para regular a abertura da válvula. O valor de referência para o fluxo desejado na canalização é introduzido pelo utilizador na interface do sistema. Figura 5.4 - Fluxograma funcional do modo de demonstração da estação de temperatura Demonstração Enchimento do tanque Ativa? Sim Nível médio? Sim Não Controlador Valor de referência Pt100 Resistência de aquecimento 42 Software É apresentado na figura 5.5 um fluxograma funcional do modo de demonstração para a estação de fluxo. Modo manual 5.2.2 O modo de funcionamento manual tem como objetivo permitir que o controlo do sistema seja realizado, individualmente para cada atuador, através da interface do sistema. A interface obtém o estado dos sensores do sistema através do acesso às variáveis de memória do autómato, que contêm a informação relativa aos mesmos. O envio dos comandos, por parte da interface para o sistema, é realizado através da atribuição das variáveis de memória definidas para este modo às variáveis de memória [3], identificadas na figura 5.1. É apresentado na figura 5.6 um diagrama das associações entre as variáveis utilizadas. Estado dos sensores Variáveis de memória [2] Comandos da interface Variáveis de memória [3] Variáveis de comando Figura 5.5 - Fluxograma funcional do modo de demonstração da estação de fluxo Figura 5.6 – Diagrama de associações entre variáveis no modo manual Demonstração Enchimento do tanque Ativa? Sim Nível médio? Sim Não Controlador Valor de referência Caudalimetro Válvula proporcional 43 Modo controlo por sinais digitais e analógicos 5.2.3 Neste modo de funcionamento o objetivo consiste no desenvolvimento de aplicações de controlo remoto para o sistema didático em plataformas externas, que comunicam com o autómato através de ligações individuais para cada sinal. Neste modo de comunicação, a plataforma externa interage com o autómato através de sinais digitais e analógicos, entre as saídas da plataforma externa e o autómato do sistema e entre os sensores do sistema e as entradas da plataforma externa. As ligações para os comandos enviados por parte da plataforma externa são ligadas às cartas de entradas do autómato. Para efetuar a leitura do estado dos sensores do sistema é feita uma ligação direta entre os sensores e as entradas da plataforma externa. Como mencionado nos capítulos anteriores, em todas as ligações efetuadas neste modo de funcionamento são utlizados os circuitos de isolamento desenvolvidos. Na aplicação desenvolvida apenas é necessário atribuir as variáveis de entrada, das cartas de entradas do autómato definidas para este modo de comunicação, às variáveis de memória [3], identificadas na figura 5.1, uma vez que o estado dos sensores é obtido diretamente. É apresentado na figura 5.7 um diagrama das associações entre as variáveis utilizadas. Modo comunicação rede 5.2.4 Neste modo de funcionamento, pretende-se que os estudantes desenvolvam aplicações para controlar o sistema didático desenvolvido em plataformas externas, que comunicam com o autómato através de comunicações de rede, com o protocolo Modbus TCP/IP. Na aplicação desenvolvida para o modo de comunicação por rede é efetuada uma atribuição entre as variáveis de memória do autómato do sistema, identificadas por [2] na figura 5.1, e as variáveis de memória, definidas para este modo de funcionamento, que são lidas e controladas pela plataforma externa. São atribuídos os valores das variáveis de memória [2] às variáveis de memória definidas para a leitura do estado dos sensores, por parte da plataforma externa. O valor das variáveis de memória, definidas para este modo, para enviar os comandos por parte da plataforma externa é atribuído às variáveis de memória [3]. O diagrama da figura 5.8 apresenta as associações feitas na aplicação desenvolvida para o modo de comunicação por rede, onde as variáveis de leitura e comando são as variáveis de memória acedidas pela plataforma externa para obter a informação do estado dos sensores e enviar os comandos para o sistema, respetivamente. Comandos da plataforma externa Variáveis de memória [3] Variáveis de entrada Figura 5.7 - Diagrama de associações entre variáveis no modo de controlo por sinais digitais e analógicos 50 Interface 6.2.1.1 Estação de nível, temperatura e fluxo No sinótico de demonstração da estação de nível, exposto na figura 6.4, é apresentada a informação sobre o estado da estação de nível. Existe um botão que comanda o início do modo de demonstração para esta estação de nível, a verde na figura 6.4 uma vez que está ativo, existe um botão que dá ordem para esvaziar a estação de nível e ainda um botão para retroceder ao sinótico anterior. Neste sinótico é apresentado: o valor que está a ser lido pelo sensor ultrassons através de uma animação; o valor aplicado na bomba regulável; o estado de todos os sensores digitais da estação; um gráfico que apresenta a evolução ao longo do tempo dos valores do sensor de ultrassons, a azul, e da bomba regulável, a vermelho. Este gráfico permite realizar uma análise temporal dos valores de entrada e saída do controlador da estação. No sinótico da estação de temperatura, exposto na figura 6.5, são apresentados: todos os sensores digitais da estação de temperatura; o valor lido pelo sensor de temperatura PT100; o valor aplicado na resistência de aquecimento. O gráfico apresenta a evolução temporal da PT100, a azul, e da resistência de aquecimento, a vermelho. No sinótico da estação de fluxo, exposto na figura 6.6, são apresentados: todos os sensores digitais da estação de fluxo; o valor lido pelo caudalimetro; o valor aplicado na válvula proporcional. O gráfico apresenta a evolução temporal do caudalimetro, a azul, e da válvula proporcional, a vermelho. Figura 6.4 - Sinótico de demonstração da estação de nível 51 Figura 6.6 - Sinótico de demonstração da estação de temperatura Figura 6.5 - Sinótico de demonstração da estação de fluxo 52 Interface Manual 6.2.2 Quando o modo manual é selecionado é apresentado o sinótico do modo manual, apresentado na figura 6.7. Neste sinótico estão disponíveis três botões relativos às três estações do sistema e existe ainda um botão configurado para retroceder ao sinótico anterior. Quando os botões são pressionados é apresentado o sinótico do modo manual referente à estação selecionada. Não é realizada nenhuma ação em variáveis de memória para que possa ser possível retroceder nos sinóticos de cada estação neste modo de forma a permitir o controlo manual em simultâneo de mais do que uma estação. Neste modo de funcionamento existem variáveis de memória do autómato definidas para o mesmo, atribuídas através dos comandos introduzidos na consola. A introdução de comandos é efetuada quando os botões respetivamente identificados são pressionados, para os atuadores digitais, ou é introduzido um valor numérico, para os atuadores analógicos. Para obter informação sobre o estado dos sensores, digitais e analógicos, são lidas pela consola as variáveis de memória do autómato. A leitura dos atuadores é feita através das variáveis de memória atribuídas pela aplicação de leitura para que seja apresentado o estado real do sistema e não o comando enviado. A apresentação do estado dos sensores digitais é feita através de indicadores luminosos e dos atuadores digitais é feita através de botões correspondentes uma vez que são botões com animação luminosa. Figura 6.7 - Sinótico modo manual 53 6.2.2.1 Estação de nível, temperatura e fluxo No sinótico de controlo manual da estação de nível, exposto na figura 6.8, é apresentado um esquema da estrutura da estação, de forma a ser intuitiva a interação com o mesmo. Neste sinótico é possível controlar todos os atuadores digitais e analógicos e saber o estado dos sensores digitais e analógicos da estação de nível. O estado dos sensores de nível, instalados na estação, é indicado por recurso a indicadores luminosos colocados aproximadamente onde estão instalados na estação. O valor lido pelo sensor ultrassons é apresentado por recurso a uma animação. O valor desejado para a atuação da bomba regulável tem de ser introduzido no campo com a respetiva identificação. No sinótico da estação de temperatura, exposto na figura 6.9, é apresentado: um esquema da estrutura da estação; os sensores digitais da estação de temperatura; e o valor lido pelo sensor de temperatura PT100 através de uma animação. O valor desejado para a atuação da resistência de aquecimento tem de ser introduzido no campo com a respetiva identificação. No sinótico da estação de fluxo, exposto na figura 6.10, é apresentado: um esquema da estrutura da estação; todos os sensores digitais da estação de fluxo; o valor lido pelo caudalimetro. O valor aplicado na válvula proporcional é definido através da introdução do valor no campo identificado para o efeito. Figura 6.8 - Sinótico de controlo manual da estação de nível 54 Interface Figura 6.10 - Sinótico de controlo manual da estação de temperatura Figura 6.9 - Sinótico de controlo manual da estação de nível 55 Comunicação rede e Sinais D/A 6.2.3 Depois de selecionado o modo de comunicação de rede na consola é apresentado o sinótico relativo a este modo, exposto na figura 6.11. Neste modo de funcionamento a consola tem apenas a função de monitorizar o sistema, pois todo o controlo do mesmo é feito remotamente a partir de plataformas externas ao sistema didático. Uma vez que depois de selecionado este modo não existe controlo do sistema através da consola, não foram separadas as estações em sinóticos diferentes, permitindo uma análise geral do sistema. Assim, é possível executar o programa de controlo desenvolvido na plataforma externa e analisar na consola o estado de todo o sistema. Neste modo de funcionamento são apresentados os sensores e atuadores, digitais e analógicos, instalados nas três estações do sistema didático. Por questões de gestão de espaço os sensores e atuadores analógicos são apresentados apenas em valor numérico no sinótico deste modo de funcionamento. A recolha do estado dos sensores e atuadores é feita através das variáveis de memória atribuídas pela aplicação de leitura. O sinótico do modo de controlo por sinais digitais e analógicos é em tudo idêntico a este, à exceção do título, permitindo identificar qual o modo em execução. A leitura do estado dos sensores e atuadores para o sinótico de controlo por sinais digitais e analógicos é também realizada através das variáveis de memória utilizadas para o sinótico de comunicação de rede do autómato garantindo que é apresentado o estado real do sistema. Figura 6.11 - Sinótico do modo de comunicações Rede Capítulo 7 Conclusão Os estudantes de engenharia da área de automação estudam, compreendem e controlam sistemas de automação diversos. Um aspeto que melhora a sua formação é a experimentação de sistemas mais complexos e que abranjam diferentes conteúdos e matérias. O principal objetivo desta dissertação foi, através do desenvolvimento de um sistema didático, permitir aos estudantes da área de automação o contacto com sistemas de processos contínuos. A partir da interação com este sistema didático os estudantes têm a oportunidade de compreender melhor o funcionamento de processos contínuos e como é realizado o controlo dos mesmos. Este sistema didático permite aos estudantes: o contacto com equipamento relacionado com processos contínuos, e outras áreas de automação; a perceção de como funciona o tratamento de diferentes tipos de sinais de controlo; desenvolver capacidades relativamente a sistemas de controlo e quais as diferentes formas de controlar um sistema; as implicações que têm os diferentes parâmetros nos controladores implementados. Foram desenvolvidas três estações de processos contínuos distintos, controlo de nível, controlo de temperatura e controlo de fluxo. Em todas estas estações foi necessário realizar a montagem do equipamento, realizar as ligações necessárias ao autómato do sistema e realizar a programação do mesmo. Através das aplicações de controlo desenvolvidas é possível: controlar o sistema manualmente, para uma perceção em tempo real dos componentes das estações e qual a reação das mesmas a ordens diferentes; controlar o sistema remotamente através de sinais digitais e analógicos e comunicações de rede, com o objetivo que sejam desenvolvidos controladores para o sistema. Foram desenvolvidas aplicações de demonstração para cada uma das estações, que permitem ter uma perceção do processo contínuo e do controlo associado a cada um dos mesmos. Na vertente de segurança, do utilizador e do sistema, foi desenvolvido um Interlock, para segurança do equipamento e do operador, e um circuito de isolamento de sinais, quando são utilizados sinais digitais e analógicos para a comunicação entre o sistema didático desenvolvido e plataformas externas. 57 Foi ainda configurada uma consola gráfica tátil e desenvolvidos sinóticos que garantem uma interação fácil e eficaz entre o operador e o sistema didático. Algumas dificuldades encontradas foram: o desenvolvimento dos sistemas de isolamento analógico, visto ser o primeiro contacto com opto acopladores em modo de funcionamento analógico; conceber as estações do sistema da melhor forma, permitindo o desenvolvimento de controladores dinâmicos por parte dos estudantes; realizar a montagem de todos os componentes do sistema. Foram efetuados testes a todos os programas desenvolvidos e à montagem realizada para cada uma das estações, comprovando o seu correto funcionamento. Pode-se concluir que todos os objetivos propostos foram cumpridos e que com esta dissertação foi possível desenvolver um sistema didático que permite acrescentar valor ao ensino de automação. Para trabalho futuro a realizar neste sistema didático é possível evidenciar alguns pontos:  Melhorar a apresentação da bancada, relativamente a ligações entre os componentes e o autómato;  Realizar os testes e ensaios para calibração dos sensores e atuadores analógicos;  Desenvolver um livro de trabalhos a realizar, para servir de guia explicativo de funcionamento do sistema;  Melhorar os controladores no modo de demonstração para as estações do sistema;  Desenvolver placas PCB para os circuitos eletrónicos do sistema;  Integrar um permutador de calor na estação de fluxo, por forma a elevar a complexidade da mesma. Referências bibliograficas [1] Lucas Nülle GmbH, «IPA Industrial Process Automation Process Automation SubSystems with UniTrain-I», pp. 1–86. [2] Edibon, «Computer Controlled Process Control Plant with Industrial Instrumentation and Service Module ( Flow , Temperature , Level and Pressure ), with SCADA and PID Control». pp. 1–18, 2013. [3] A. J. Helmich e H. 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