Dando continuidade aos tópicos sobre automação industrial apresentamos agora um primeiro artigo sobre controladores, dispositivos essenciais na indústria moderna.
Um controlador é um dispositivo que, como o nome diz, tem a função de controlar uma ou mais variáveis através de atuadores e valendo-se de informações proporcionadas por sensores. Um controlador universal tem como principal característica controlar qualquer tipo de variável utilizando atuadores de diversos tipos, sem que isto seja especificado no projeto do controlador. Para deixar mais claro, usaremos como exemplo um sistema simples muito comum na indústria e um controlador universal de fabricação nacional, o N1100 da Novus, produto já com 8 anos de mercado e consolidado comercialmente, o qual é do tipo “aparelho”, ou não-embarcado. Abordaremos apenas os aspectos de controle do N1100 e deixamos a parte eletrônica de acionamentos, lógica, display, etc para uma outra discussão.
O sistema ilustrado é utilizado para fornecer um determinado fluido a uma certa temperatura de referência em sua saída para uso posterior em um algum processo. No tanque TQ100 temos entradas de vapor e de fluido a temperatura relativamente baixa, enquanto que o tanque TQ101 armazena um pouco do fluido aquecido para saída. A estratégia de controle consiste em usar uma válvula para dosar o fluxo de vapor (variável manipulada – MV) para aquecer mais (ou menos) a fim de que a temperatura do fluido no tanque TQ101 (variável de processo – PV) esteja a um pequeno erro de um valor de referência (set point – SP).
Assumiremos um sensor resistivo Pt-100 para medir a temperatura neste tanque e uma válvula solenóide para manipular o fluxo de vapor, mas de acordo com as especificações do N1100 poderíamos usar sensores termopar tipos J, K e outros ou uma válvula borboleta para ser manipulada. Este dispositivo microcontrolado implementa um controlador PID discreto e permite a configuração de seus parâmetros via painel frontal ou remotamente.
Não se deve confundir o dispositivo controlador (N1100) com o controlador PID, o qual é uma equação matemática usada para interferir no sistema para que a variável de processo atingir o set point. Esta equação é implementada no microcontrolador via um algoritmo apropriado e possui alguns parâmetros. Projetar um controlador PID significa determinar três constantes (P, I e D) de acordo com as características do sistema a ser controlado e os métodos usados para isso são métodos de perturbação, onde a entrada (valor do fluxo de vapor) do sistema (trocador de calor) é excitada de uma forma adequada e a saída (valor da temperatura no tanque TQ101) é acompanhada. Os parâmetros PID são função do comportamento da saída em relação à entrada.
Esta excitação pode tanto ser aplicada a um modelo do sistema ou ao próprio, com tanto que aquela não o danifique. O N1100 além de permitir que o usuário ajuste os valores PID manualmente depois de calculado, disponibiliza um algoritmo de auto-ajuste que quando acionado realiza uma série de excitações e medições para determiná-los.
Uma outra característica importante do N1100 já implícita na discussão acima é o fato de ele ser single loop, ou seja, pode trabalhar apenas com uma variável de processo e uma variável manipulada. Obviamente, podemos usá-lo para controlar a temperatura em nosso sistema. No diagrama conceitual abaixo, o bloco PID representa o controlador PID e Planta, o sistema trocador de calor. E(t) é o erro SP – PV, o qual é usado para determinar o valor de MV, ou no nosso caso, a abertura da válvula solenóide.
Por fim, enfatizamos que o sistema a ser controlado poderia ter entrada e saída diferentes. Poder-se-ia escolher como método de aquecimento do fluido a dissipação de calor em um resistor, por exemplo, que o controlador reconheceria este método de atuação. O controlador pode também controlar outras variáveis como pressão e nível de tanque. É esta capacidade de controlar diversas variáveis através de vários métodos de atuação que caracteriza controladores universais.
Programação de microcontroladores é ensinada na disciplina de Linguagem de montagem (MC404) e o projeto de controladores PID é visto nas duas primeiras disciplinas de controle (ES710 e ES728). Sensores e atuadores são abordados em ES704 e outras enquanto que aquisição de dados é vista ES879.
Para se desenvolver um dispositivo como o N1100 também serão necessários bons conhecimentos em eletrônica (EE530, EE531, ES663 e outras) e circuitos lógicos (ES572 e ES575), além de conhecer os processos industriais a que ele se destina.
Alan Júlio - ECA06
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