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Utilizao de simuladores de processos como ferramenta para o
ensinode Engenharia
Andr Strieder
Professor Centro Universitrio Salesiano de So Paulo UNISAL U.E.
Campinas.Graduado pelo UNISAL em Tecnologia em Instrumentao e
Controle e MestreProfissional em Engenharia de Automao e Controle,
FEM, UNICAMP.
e-mail : [email protected]
Cristina M. SchuchProfessora Centro Universitrio Salesiano de So
Paulo UNISAL U.E.
Campinas. Membro do GREMAP - Grupo de Estudos em Matemtica
Aplicada -UNISAL.
Doutora em Qumica Instituto de Qumica, UNICAMP.e-mail:
[email protected]
Alessandro R. FriasTecnlogo em Instrumentao e Controle. Aluno do
Curso de Engenharia deAutomao e Controle - UNISAL. Bolsista do
Programa BIC-Sal Unidade
Campinas.
Abstract
We described the utilization of process simulation as tool for
Engineering
Automation learning. We developed a software employing a DELPHI
languageintegrated with a PID controler in a virtual ambient to
simulate the level control in a real
process control. We presented also some results obtained in
classes of Engineering
Automation courses which applied the software coupled with the
mathematical model to
understand the importance of the process control parameters.
Key-words
Educacional software, process simulator, level control, virtual
experiment.
Resumo
Neste trabalho est descrita a utilizao de simuladores de
processos, integrando
as prticas realizadas na planta piloto do Centro Unisal com um
ambiente virtual de
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ensino aplicado ao controle de nvel atravs de controladores PID.
Os aspectos prticos
da obteno dos dados, a descrio do modelo matemtico, a utilizao
do software de
simulao e a sintonia dos parmetros de controle em aulas do curso
de Engenharia de
Automao e Controle so demonstrados, mostrando a viabilidade de
se utilizar
ambientes virtuais para o ensino na rea de Engenharia,
estimulando o aluno a
questionar o princpio do controlador e os parmetros que
interferem na sintonia do
processo simulado.
Palavras-chave
Software educacional, simuladores de processo, controle de nvel,
controladores PID,
Experimento virtual.
1- Introduo
A utilizao de simuladores de processos em atividades prticas de
laboratrio
uma tendncia cada vez mais requerida para o ensino nas
diferentes reas de
engenharia. Entretanto, o principal limitante ainda o custo para
a implantao de
sistemas em equipamentos reais, principalmente para a aquisio e
manuteno [1].
Em controle de processos, principalmente nas disciplinas do
curso de
Instrumentao e Controle, os simuladores tm um papel importante,
permitindo
simular o funcionamento de processos no ambiente virtual, a
partir de modelos
matemticos, proporcionando um melhor entendimento do
funcionamento e ajuste de
parmetros de controle. A obteno dos parmetros de controle atravs
do simulador,
torna a partida do processo real mais rpida, mais eficiente e
diminui a perda de
material. Na rea de controle, um contato mais prximo aos
processos utilizados na
indstria, na forma de simuladores, permite ao aluno realizar uma
construo cognitiva
entre a teoria presente nos livros e a prtica, de forma
eficiente, segura e econmica.
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Neste contexto, a aplicao de softwares especficos para o
treinamento de
controle de processo como o Control Stationtorna-se uma
alternativa interessante para
o ensino em disciplinas do curso de Engenharia de Automao e
Controle. No Control
Station so explorados vrios conceitos e o uso de diferentes
estratgias de controle
utilizando o algoritmo PID [2].
Uma outra possibilidade o desenvolvimento de softwares prprios
que
atendam as necessidades locais da instituio de ensino, dentro do
contexto na qual est
inserida, reduzindo o investimento necessrio na obteno do
simulador. Para o
desenvolvimento de um software para simulao de processos,
pode-se utilizar um
modelo matemtico obtido atravs de experimentos prticos. Desta
maneira, a partir de
uma nica gerao de processo real, pode-se atender vrios alunos
simultaneamente,
pois depois de modelado, o processo pode ser simulado em vrios
computadores [3].
Este artigo descreve como foi implementado no UNISAL, nas
disciplinas dos
cursos de Engenharia de Automao e Controle, um ambiente para a
simulao de
processos industriais a partir do modelo matemtico, empregando
software
desenvolvido em linguagem DELPHI. Ser utilizado como elemento de
controle do
processo virtual um PLC (Controlador Lgico Programvel) que atuar
em tempo real
com o PC integrando o ambiente de um laboratrio virtual [4].
2- Obteno dos Dados Experimentais a partir da Planta Piloto
O Centro de Automao Unisal dispe de uma planta piloto para
simulao de
experimentos prticos que permite a configurao de diferentes
processos reais (Figura
01).
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Figura 1 Vista geral da Planta piloto do Centro de Automao da
Unisal.
O processo escolhido neste caso consiste em controlar o nvel de
um tanque com
escoamento livre, de acordo com o esquema da Figura 2.
Figura 2 Esquema da disposio dos elementos para controle de nvel
do TQ3.
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Neste processo a Bomba-001 acionada por um inversor de
freqncia
permitindo a variao da vazo de entrada do tanque 3 (TQ3) atravs
do medidor de
vazo FT-003. O nvel do TQ3 medido pelo transmissor de nvel
LT-003. Para a
obteno do modelo matemtico do processo, foram realizadas algumas
medidas no
sistema fsico que so apresentadas nas tabelas 1 e 2.
Tabela 1 Dados do Tanque 3.
Altura
(m)
Largura
(m)
Comprimento
(m)
Altura
mnima (m)
Altura
mxima (m)
rea
(m)
Volume
(m)
0,341 0,252 0,492 0,01 0,32 0,124 0,0423
Tabela 2 Dados da Tubulao de sada do Tanque 3.
Raio (m) Dimetro (m) Comprimento (m) rea (m)
0,0075 0,015 0,955 0,000176715
A vazo de fluido que alimenta o TQ3 varivel com o tempo e
depende da
vazo de alimentao que passa por FT-003 a qual chamaremos de q1.
A descarga do
tanque por sua vez, representada por q2, a vazo que escoa pela
tubulao de sada do
TQ3 e livre para a atmosfera desde que a vlvula HC-003 esteja
aberta. O sistema fica
em estado estacionrio quando q1ss=q2ss=Constante. Considerando a
massa especfica
do lquido como uma constante, sabe-se que a vazo q2ssest
relacionada com a altura
h(s), que representa a altura em estado estacionrio, da coluna
de lquido do tanque
atravs da equao 1.
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)(..2 shCAq Tss (Equao 1).
A vazo de entrada pode ser representada pela equao diferencial
2, considerando a
massa especfica do liquido constante.
)(1)(.)(
tqthCAdt
tdhA TT (Equao 2).
A taxa de variao da altura de lquido no tanque dada pela equao
3.
)(.)(.1)(
1 thCtqAdt
tdh
T
(Equao 3).
Na equao 3 a rea do tanque (AT) conhecida e est apresentada na
tabela 1. A
determinao do coeficiente C da equao 3 foi realizado atravs de
um mtodo
experimental.
Neste mtodo, a bomba tem sua velocidade controlada atravs de um
inversor de
freqncia na faixa de 15 a 25 Hz, correspondendo a um sinal de
entrada analgico no
inversor de 1 a 5 V, proveniente de um PLC. O TQ3 possui um
sistema de medio de
nvel com span de 0,31 m correspondendo a uma faixa de 0-100%
realizada com o
auxlio de um PLC, acrescido de 0,245m, que representa o segmento
vertical da
tubulao de sada do TQ3.A varivel foi colocada em estado
estacionrio com valor de
leitura do nvel de 48,06%. A entrada, ou seja, a freqncia do
inversor estava em 18,2 Hz
(30%) correspondendo a uma vazo medida de 2,05 x 10 -4m3/s. Foi
gerado um degrau na
entrada (freqncia do inversor) de 5%, levando o inversor para
uma freqncia de 18,7Hz
correspondendo a uma vazo de 2,27 x 10 -4m3/h. Quando o novo
regime permanente foi
atingido, o nvel ficou estvel em 80,59%.
Os dados levantados esto apresentados na tabela 3.
Tabela 3 Levantamento de dados dos estados estacionrios
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Estado estacionrio inicial
q1ss= 2,05 x 10-4m3/s Vpss= 1,16 m/s hss= (0,16+0,245) m
Estado estacionrio final
q1ss= 2,27 x 10-4m3/s Vpss= 1,279 m/s hss= (0,25+0,245) m
Estes dados nos levam a um comportamento do processo descrito
pela equao
diferencial 4, calculando C para estado estacionrio final.
)(.10604.2)(.0655,8)( 3
1 thxtqdt
tdh (equao 4)
Em controle de processos, mais conveniente trabalhar-se com
modelos
matemticos representados atravs de funo de transferncia, os
quais devem ser
lineares. Devido ao fato da equao 4 representar um processo no
linear, necessrio
realizar a linearizao dos termos para os pontos estudados.
Aplicando-se a srie de
Taylor ao termo no linear representado pela equao 1, truncando
no segundo termo,
substituindo o resultado na equao 2 e definindo algumas variveis
de desvio, obtemos
a equao 5.
)(1.)()(
tqkthdt
tdhPqP (equao 5)
Onde:
/emprocessodoioestacionrganho,.
2
(s)segundosemprocessodotempodeconstante,.
2
3sm
m
CA
h
k
CA
hA
T
ref
pq
T
refT
P
O ganho estacionrio obtido atravs deste mtodo, est relacionado
com a
variao de vazo na entrada da planta. Assim, uma variao de vazo
na entrada do
processo do estado estacionrio inicial para o valor medido no
estado estacionrio final
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resultar em uma variao do nvel de 0,0832 m que representa uma
variao de
26,84% no nvel do tanque. Para estimar o ganho estacionrio do
processo em termos
de variao percentual da entrada, divide-se a variao percentual
de nvel obtida
(26,84%) pelo degrau dado na vazo de entrada (5%) atravs do
inversor de freqncia,
encontrando-se um valor adimensional de 5,4 (kp). O valor de
pcalculado atravs da
equao 5, resulta em 488,8 s.
3- Ambiente de simulao
Com o objetivo de disponibilizar um ambiente de simulao do
processo de
controle de nvel em sala-de-aula, desenvolveu-se um software
educacional, baseado
em linguagem DELPHIda Borland, integrando o laboratrio virtual
de ensino.
A metodologia de teste utilizada pelo ambiente de simulao
utiliza um
programa escrito no PC que responde ao programa do PLC, atravs
de uma rede de
comunicao serial ponto a ponto. Neste mtodo, o PLC executa o
programa de
aplicao em tempo real e o PC executa o programa que responde ao
PLC. Para realizar
esta comunicao utilizamos uma DLL escrita pela HI Tecnologia que
gerencia a troca
de informaes entre o PLC e o PC. Para escrever o programa que
responde ao PLC e
gera a parte grfica do processo, foi utilizado o software
DELPHIda Borland. A
DLL, permite que o DELPHI leia e escreva nos operandos internos
do tipo R (rel) , M
(memria inteira) e D (memria real).
Foi utilizado um programa base, similar ao utilizado em trabalho
anterior [4].
Este programa base tem os requisitos necessrios para gerenciar o
canal de
comunicao serial e tratar as chamadas de funo de escrita e
leitura no PLC, tornando
a programao da aplicao mais fcil. Depois de criado o processo
virtual, um
programa executvel gerado pelo DELPHI e pode rodar em mquinas
que no
possuem o DELPHI instalado.
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O processo virtual que simula o controle de nvel em um tanque
apresentado
na figura 03. Na rea de caractersticas do processo so definidos
os parmetros de
constante de tempo (p) e ganho esttico (kp) que foram calculados
atravs do modelo
matemtico descrito acima.
Na Figura 03 observa-se o tipo de tela obtida aps a introduo dos
parmetros
com as caractersticas do processo em estudo. Neste exemplo
possvel acompanhar o
comportamento do processo, o qual similar ao apresentado na
tabela 3, validando o
modelo matemtico obtido.
Figura 03 Resultados obtidos para a simulao do processo de
controle de nvel em
malha aberta
4- Aplicao do controle de nvel em malha fechada no processo
simulado
O software foi utilizado em disciplinas do curso de Engenharia
de Automao e
Controle com dois objetivos principais:
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- Fixar os conceitos do modelo matemtico na forma de equaes,
empregando o
controlador PID como simulador e comparando os resultados
obtidos no software com
os resultados obtidos atravs dos clculos;
- Em aulas prticas, utilizar o software para simular as condies
de operao e
controle do processo, comparando resultados para vrios conjuntos
de parmetros
diferentes de PID.
Alm disso, possvel determinar qual o melhor ajuste para o
processo
estudado, comprovando a importncia da correta sintonia dos
parmetros do
controlador.
Na Figura 04, esto apresentados dados obtidos em uma aula prtica
do curso de
graduao em Engenharia de Instrumentao e Controle, onde os alunos
realizaram
algumas tentativas de ajuste dos parmetros do controlador PID. O
experimento
consistiu em escolher valores para os parmetros do controlador
PID utilizando o
mtodo de tentativa e erro, permitindo que, de forma intuitiva,
fosse encontrada a
melhor sintonia para estabilizao do processo. Esta atividade
exploratria permite ao
aluno experimentar na prtica como cada um dos parmetros do
controlador atua sobre
o processo e estimula a busca de mtodos matemticos que permitam
obter os melhores
parmetros de ajuste reduzindo o tempo de simulao e comprovando a
eficcia destes
mtodos.
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Figura 04: Dados obtidos em aula prtica no simulador.
5- Concluso
A integrao entre as aulas prticas realizadas na planta piloto do
Centro Unisal e
o ambiente virtual de ensino confere ao aluno uma experincia
completa na utilizao de
simuladores de processos. Alm disso, a utilizao do controlador
PID como elemento
de controle, permite ao professor introduzir uma srie de
conceitos matemticos
indiretamente, na forma de parmetros para a simulao do processo
que podero ser
testados pelos alunos.
O ambiente de simulao estimula o aluno a experimentar diferentes
parmetros
utilizados no ajuste do processo, de maneira segura e econmica,
relacionando-os com
situaes reais.
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O software de simulao pode ser ampliado para outros tipos de
parmetros de
controle, alm de permitir o uso de diferentes tipos de
controladores disponveis no
mercado. Alm disso, integrado ao laboratrio virtual de ensino,
pode ser facilmente
adaptado para uso em cursos presenciais ou distncia, tornando-se
uma soluo
alternativa para o ensino de instrumentao com baixo custo de
implantao e utilizao.
Referncias
[1] B. Armstrong, R. Perez. Controls Laboratory Program with an
Accent on
Discovery Learning.IEEE Control Systems Magazine, 2001, 21 (1),
p 14-20
[2] D. J. Cooper, D. Dougherty. A training Simulator for
Computer-Aided Process
Control Education.Chemical Engineering Education, 2000, 34, p.
252.
[3] A. Strieder, C.M. Schuch.EDUFLUID Software para o ensino de
medio de
vazo por perda de carga atravs de Tubo Venturi. Revista Cincia
e
Tecnologia, Ano VII, n13, 2005, p. 111-116.
[4] A. Strieder. Implementao de laboratrio virtual atravs de
comunicao em
tempo real entre PLC e PC.Revista Cincia e Tecnologia,Ano VII,
n10, 2003,
p. 47-50.
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