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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Curso de Especialização em Automação Industrial
Operação sincronizada do tipo mestre/escravo de motores de
indução
Pedro Cintra Siqueira dos Santos Guerra
Orientador: Prof. Maurício Marques da Trindade, MSc.
Monografia apresentada ao Centro de
Tecnologia e Geociências da Universidade
Federal de Pernambuco como parte dos
requisitos para obtenção do Certificado de
Especialista em Automação Industrial
Recife, 2016
Resumo
Operação sincronizada do tipo mestre/escravo de motores de
indução
Pedro Cintra Siqueira dos Santos Guerra
Março/2016
Orientador: Prof. Maurício Marques da Trindade, MSc.
Área de concentração: Automação Industrial
Palavras-chaves: Automação, Motor de indução, Controlador lógico programável.
Este trabalho propôs a realização do automatismo de motores elétricos em plantas industriais
de uma forma que eles operem sincronizados, com a mesma velocidade angular, numa operação do
tipo mestre/escravo, em que os motores escravos irão operar em sincronismo com o motor mestre.
As aplicações possíveis são diversas, como a operação de pontes rolantes ou esteiras
transportadoras de mercadorias. O motor elétrico é sem dúvida o atuador mais utilizado em plantas
industriais, devido a sua facilidade de fabricação, manutenção e uso, além de sua versatilidade e
robustez. Com isso, são diversos seus tipos, características funcionais e aplicações. Foram utilizadas
no projeto as habilidades em programação de controladores de lógica programável (CLP), utilização
de sensores ópticos rotativos (encoder), utilização da ferramenta de contagem rápida de pulsos,
parametrização e uso de inversores de frequência, além da implementação de um controle em malha
fechada. Também foi realizada e exibida uma montagem teste, com a utilização de dois motores
para demonstração, sendo um metre e o outro escravo, e exibido os resultados. Foi obtida uma
operação segura, controlada por uma lógica PID de controle, com monitoramento de velocidades e
de possíveis desvios.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Pirâmide de automação. 1.................................................................................................. 2
Figura 1.2: Ponte rolante. 2 .................................................................................................................. 3
Figura 1.3: Funcionamento do CLP. 3 ................................................................................................. 5
Figura 1.4: CLP entradas e saídas. 4 .................................................................................................... 5
Figura 1.5: Ciclo de processamento de um CLP. 5 .............................................................................. 6
Figura 1.6: Linguagem Ladder. 6 ........................................................................................................ 7
Figura 1.7: Linguagem FDB. 7 ............................................................................................................ 7
Figura 1.8: Linguagem STL. 8 ............................................................................................................. 7
Figura 1.9: Diagrama de blocos. 9 ....................................................................................................... 9
Figura 1.10: Resposta da variável de processo a um estímulo de entrada. 10 ................................... 10
Figura 1.11: Controle liga/desliga. 11 ................................................................................................ 12
Figura 1.12: Resposta a um controle Liga/Desliga. 12 ...................................................................... 13
Figura 1.13: Ação proporcional: Kp=1(contínuo), 2(tracejado), 4(pontilhado). 13 .......................... 14
Figura 2.1: Diagrama do projeto. 14 .................................................................................................. 18
Figura 2.2: Princípio de funcionamento do ENCODER. 15 .............................................................. 22
Figura 2.3: Pulsos de luz. 16 .............................................................................................................. 22
Figura 2.4: Pulsos A e B com defasagem de 90º. 17 ......................................................................... 23
Figura 2.5/a: Disco de código binário. 18 Figura 2.5/b: Disco em código Gray. .......................... 24
Figura 2.6: Motor de indução. 19 ....................................................................................................... 25
Figura 2.7: Motor de indução utilizado no trabalho. 20 ..................................................................... 26
Figura 2.8: Ponte de diodos. 21.......................................................................................................... 27
Figura 2.9: Transistores IGBT. 22 ..................................................................................................... 27
Figura 2.10: Etapas do inversor de frequência. 23 ............................................................................. 28
Figura 3.1: Fluxograma de controle. 24 ............................................................................................. 30
Figura 3.2: Exemplo de aplicação do SMB34. 25 ............................................................................. 31
Figura 3.3: Exemplo de programação de um contador rápido com interrupção. 26 .......................... 34
Figura 3.4: Diagrama de blocos. 27 ................................................................................................... 38
Figura 3.5: Módulo analógico EM235. 28 ......................................................................................... 39
Figura 3.6: Conversor USB/RS-232. 29 ............................................................................................ 40
Figura 3.7: Circuito de chaveamento com transistor bipolar. 30 ....................................................... 40
Figura 3.8: Circuito de adequação dos Encoders. 31 ......................................................................... 42
Figura 4.1: Erro estacionário = 0.13%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 14,3%. 32 ........ 44
Figura 4.2: Erro estacionário = 0.26%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 11%. 33 ........... 44
Figura 4.3: Erro estacionário = 0.26%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 13,5%. 34 ........ 44
Figura 4.4: Erro estacionário = 0.78%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = Nulo. 35 .......... 45
Figura 4.5: Transição lenta 0 a 1800 RPM. 36 .................................................................................. 45
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 1
1.1 OBJETIVOS ............................................................................................................................ 1
1.2 METODOLOGIA...................................................................................................................... 2
1.3 APLICAÇÕES.......................................................................................................................... 2
1.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ..................................................................... 3
1.4.1 Histórico do CLP ............................................................................................................. 4
1.4.2 Funcionamento do CLP ................................................................................................... 5
1.4.3 Linguagens de programação ............................................................................................ 6
1.5 CONTROLE DE PROCESSOS AUTOMÁTICOS ............................................................................ 8
1.5.1 Ações de controle ........................................................................................................... 11
1.5.2 Ação liga-desliga............................................................................................................ 12
1.5.3 Ação Proporcional.......................................................................................................... 13
1.5.4 Ação Integral .................................................................................................................. 14
1.5.5 Ação Derivativa ............................................................................................................. 15
1.5.6 Controle PID .................................................................................................................. 15
1.6 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ............................................................................................ 16
CAPÍTULO 2 TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS ................................................................... 17
2.1 RESTRIÇÕES DO PROJETO .................................................................................................... 17
2.2 ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO ............................................................................................... 18
2.3 CLP SIEMENS S7-200 ......................................................................................................... 19
2.4 SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO STEP 7--MICRO/WIN ........................................................ 20
2.5 ENCODER............................................................................................................................. 21
2.6 MOTOR ELÉTRICO DE INDUÇÃO ........................................................................................... 24
2.7 INVERSORES DE FREQUÊNCIA .............................................................................................. 26
2.8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................................... 28
CAPÍTULO 3 SOLUÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO ........................................................... 29
3.1 TIMER DE AMOSTRAGEM...................................................................................................... 31
3.2 CONTADORES RÁPIDOS DE PULSOS ...................................................................................... 31
3.3 CÁLCULO DA VELOCIDADE .................................................................................................. 35
3.4 MALHA DE CONTROLE PID ................................................................................................. 36
3.5 MONTAGEM ........................................................................................................................ 38
3.5.1 Comunicação entre o CLP e o PC .................................................................................. 39
3.5.1 Circuito de adequação do encoder ................................................................................. 40
3.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................................... 42
CAPÍTULO 4 RESULTADOS .............................................................................................. 43
4.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................................ 45
CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO ................................................................................................... 46
4.1 MELHORIAS E TRABALHOS FUTUROS ................................................................................... 46
APÊNDICE A – ALGORITMO STL............................................................................................. 48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................... 50
1
Capítulo 1
Introdução
Com o crescente aumento de tecnologias disponíveis no ramo da automação industrial, são
frequentes os sistemas e cadeias de processos ficarem cada vez mais automatizados, garantindo uma
maior precisão, eficiência e confiabilidade, a partir de uma menor interferência do operador
humano. Em paralelo a isso, também segue a busca constante da redução de custos tanto no projeto,
como na implementação e operação dos sistemas automatizados. Em meio a crescentes e inúmeros
processos automatizados, entre processos químicos, de transporte, de montagem, ou manufatura, no
coração deles está o atuador mais utilizado no campo industrial que é o motor elétrico. Ele está
presente em bombas, válvulas, compressores, braços robóticos, esteiras de transporte, etc. Nos
diversos campos industriais, o motor elétrico é uma peça fundamental e o domínio de seu controle
se torna de grande importância.
1.1 Objetivos
Tendo como base esse contexto industrial, este trabalho propõe obter uma solução para o
automatismo de motores elétricos em plantas industriais. O objetivo é fazer uma operação
sincronizada entre motores de indução trifásica, do tipo mestre/escravo, de uma forma que os
motores escravos operem em total sincronismo com o motor mestre, em termos de sentido de
rotação e velocidade angular. Também faz parte do objetivo realizar a montagem de um protótipo e
apresenta-lo.
2
1.2 Metodologia
Primeiramente realizar um estudo e uma análise das tecnologias disponíveis, verificando a
viabilidade de uso de cada uma. A seguir, a escolha e obtenção dos componentes para a realização
da montagem. Montagem esta que se torna o item mais valioso do trabalho, pois com ela é possível
solidificar os conhecimentos adquiridos, desenvolver a capacidade de resolver possíveis problemas
que possam surgir e que não foram pensados na fase de projeto, além de tornar possível realizar
testes e monitorar os resultados.
O trabalho está contido nos níveis 1 e 2 que constituem a base da pirâmide da automação
(Figura 1.1). O nível 1 correspondente aos dispositivos de campo, atuadores, sensores e rede de
dados, e o nível 2 correspondente ao nível de controle, relacionado aos inversores de frequência e
controlador de lógica programável (CLP).
Figura 1.1: Pirâmide de automação. 1
1.3 Aplicações
Este projeto pode ser aplicado no transporte de mercadorias em galpões ou estaleiros por
meio de pontes rolantes (Figura 1.2). Ponte rolante é uma espécie de máquina usada na elevação e
movimentação de cargas, para levantar e baixar objetos pesados e movê-los dentro de uma
determinada área. Pontes rolantes consistem, em geral, em ao menos três mecanismos (podendo
chagar a quatro): mecanismo de elevação, mecanismo de movimento transversal e mecanismo de
movimento longitudinal (e às vezes também mecanismo giratório). No movimento longitudinal,
3
frequentemente se encontra um motor em cada extremidade da ponte, e os dois precisam mover-se
em operação conjunta para que não aconteçam danos físicos à ponte.
Figura 1.2: Ponte rolante. 2
Outra aplicação viável seria em esteiras transportadoras de mercadorias. Em uma mesma
esteira, com um motor em cada seção da esteira ou em percursos formados por várias esteiras e
vários motores diferentes. Em ambas as aplicações se torna imprescindível que os motores não
percam o sincronismo na operação, o que poderia acarretar em danificação física da ponte rolante,
da esteira transportadora, o eventual acúmulo ou “engarrafamento” de material nas esteiras, perda
de contagem e até acidentes. Com isso, as velocidades precisam ser continuamente monitoradas e
controladas com o intuito de manter o sincronismo.
1.4 Controlador lógico programável (CLP)
A unidade de controle do projeto está baseada no uso de um controlador lógico programável
(CLP). Pode-se definir o CLP como sendo “um equipamento de controle industrial
microprocessado, criado inicialmente para substituir os relés de um circuito lógico sequencial ou
combinacional para controle industrial, e hoje utilizado para praticamente todos os tipos de
controle” [1]. O CLP funciona sequencialmente, olhando o estado dos dispositivos ligados às suas
entradas, operando a lógica de seu programa interno e determinando o estado dos dispositivos
ligados às suas saídas. O usuário carrega o programa via software, que produz os resultados
desejados. Toda a lógica do trabalho está contida em um CLP.
4
1.4.1 Histórico do CLP
Durante a década de 50 a indústria, principalmente a automotiva, utilizava em larga escala
dispositivos eletromecânicos para efetuar controles lógicos e intertravamento nas linhas de
produção e em máquinas isoladas. Estes dispositivos compostos principalmente de relés, eram
dispostos em painéis e cabines de controle com centenas de relés e um número ainda maior de
interconexões entre eles. Tais sistemas, apesar de serem funcionais, apresentavam diversos
problemas de ordem prática. O grande número de componentes e de interconexões gerava também
uma grande probabilidade de falha, e um longo tempo de correção de falha. Podendo acarretar horas
ou dias de trabalho e de parada de produção para pesquisa e correção de uma falha pontual. O
tamanho físico dos componentes exigia uma grande área para instalação dos mesmos, com proteção
contra umidade, poeira, gases inflamáveis, oxidação e tudo o mais que pudesse vir a afetar a
integridade física dos elementos. Outro ponto negativo em relação às instalações de controle
baseadas em relés era o fato de que, como toda a programação era feita a partir de conexões
elétricas com lógica fixa, era sempre dificultoso a reprogramação da lógica.
A partir das décadas de 60 e 70 a indústria da microeletrônica foi se desenvolvendo,
tornando maior a escala de integração de microcomponentes e tornando popular o uso de
dispositivos transistorizados em substituição às válvulas eletrônicas e aos relés. Diante desta
realidade, a primeira experiência de um controle lógico que permitisse a reprogramação via
software, foi realizada em 1968 na divisão de hidramáticos da General Motors Co, com o nome de
MOdular DIgital CONtroller, de onde se derivou o nome MODICON, de seu primeiro fabricante.
Sua “invenção” é atribuída a Richard (Dick) Morley [1]. A função original do primeiro CLP era
substituir os grandes painés de lógica baseada em relé por algo menor, robusto, confiável e flexível
em relação à alteração do programa.
Desde sua primeira geração, nas décadas seguintes o CLP obteve muitas melhorias com a
evolução da indústria microeletrônica. Pode-se citar o uso de microcontroladores que lhe davam
menor tamanho e maior flexibilidade de aplicação, melhoria na interface com o operador, maior
capacidade de memória, controle sobre entradas e saídas remotas, controle sobre variáveis
analógicas e de posicionamento, recursos de comunicação de rede, dentre outras evoluções que são
possíveis encontrar nos CLPs disponíveis hoje no mercado.
5
1.4.2 Funcionamento do CLP
O funcionamento do CLP corresponde a três etapas distintas, são elas: entradas, processamento e
saídas. (Figura 1.3).
Figura 1.3: Funcionamento do CLP. 3
As entradas podem ser sensores instalados na planta, botoeiras, chaves fim de curso,
encoders, dentre outros. Estas entradas podem ser tanto sinais discretos como analógicos. Os sinais
discretos apenas podem assumir dois valores, nível lógico alto (1) ou nível lógico baixo (0). Os
sinais analógicos apresentam uma faixa de valores dentro dos limites aceitáveis pelo equipamento.
Os sinais das entradas são lidos e processados na UCP (Unidade Central de Processamento), de acordo
com a lógica previamente programada e armazenada na memória do CLP. Após o processamento,
são atualizadas as saídas, que podem ser atuadores diversos, motores, luzes de indicação, chaves,
alarmes, contadores, etc. (Figura 1.4).
.
Figura 1.4: CLP entradas e saídas. 4
6
Operacionalmente, a CPU lê os dados de entradas dos dispositivos de campo através dos
módulos de entrada, e então executa, ou realiza os controles de programa que tinham sido
armazenados na memória. Os programas são colocados na memória da CPU em forma de operações
lógicas e aritméticas. Baseado nesses programas o CLP escreve ou atualiza o estado das saídas
atuando nos dispositivos de campo (cargas). Este processo, conhecido como ciclo de operação ou
ciclo de scan, executa a sequência repetidamente. A Figura 1.5 ilustra o ciclo de operação de um
CLP
Figura 1.5: Ciclo de processamento de um CLP. 5
O principal fator para determinar a performance de um CLP é o seu scan time, ou seja, o
tempo em que a CPU leva para realizar todo o ciclo de processamento. Aplicações de tempo real
complexas requerem um scan time reduzido, pois quanto mais rápida for sua varredura, mais rápido
ele responderá a uma demanda do processo. Os fabricantes em geral informam este tempo a partir
do tempo de realização de cada instrução.
1.4.3 Linguagens de programação
A seguir serão descritas as três linguagens de programação do CLP Siemens S7-200
utilizado no trabalho: Ladder Logic (LAD), Function Block Diagram (FBD) e Statement List
(STL).
A linguagem Ladder é uma linguagem gráfica na qual as funções lógicas são representadas
através de contatos e bobinas, semelhante aos diagramas elétricos baseado em relés. Um programa
7
ladder faz a representação de um fluxo de corrente elétrica, que flui a partir de uma fonte de
alimentação presente à esquerda, percorre o circuito lógico e ao final habilita ou desabilita as saídas.
Por sua facilidade de entendimento, é a linguagem mais utilizada entre os CLP, por programadores
iniciantes e para programas de baixa complexidade (Figura 1.6).
Figura 1.6: Linguagem Ladder. 6
A linguagem FDB é outra linguagem gráfica que faz uso de blocos para representar funções
lógicas, com as entradas do sistema ao lado esquerdo e as saídas ao lado direito. A lógica do
programa é feita a partir da junção de diversos blocos lógicos (Figura 1.7).
Figura 1.7: Linguagem FDB. 7
A linguagem STL funciona baseada em mnemônicos textuais, semelhante à linguagem de
máquina de microprocessadores. Esta é a linguagem nativa do S7-200, o que permite criar
programas mais complexos, que não são possíveis nas linguagens de representação gráfica. Sendo
assim, esta linguagem é mais apropriada para programadores experientes (Figura 1.8).
Figura 1.8: Linguagem STL. 8
Um mesmo programa pode ser editado e visualizado nas três diferentes linguagens, com
exceção de algumas funções criadas na STL que não possuem equivalentes gráficos. Neste
momento pode ser observada a flexibilidade e a facilidade dos CLPs para realizar alterações
lógicas, sem que sejam necessárias alterações do hardware ou inclusão de componentes. Esta é a
8
principal característica dos sistemas de automação flexíveis e o que faz dos CLPs ferramentas de
grande aplicação nas estruturas de automação.
1.5 Controle de Processos Automáticos
A operação sincronizada do trabalho se baseia na aplicação de um controle automático de
malha fechada e de um algoritmo Proporcional – Integral – Derivativo (PID). Segundo os
professores Fernando Mariano Bayer e Olinto César Bassi de Araújo, “Automatizar e controlar um
processo significa atuar sobre ele ou sobre as condições as quais o processo está sujeito, de modo a
manter variáveis e quantidades estáveis com o passar do tempo, mesmo que interferências externas
tentem desviá-lo desta condição” [2].
Há algumas décadas, os processos industriais eram mais simples e com isso cabia
geralmente ao operador a função de realizar o controle do processo. Era o elemento humano quem
fazia a ponte entre os elementos sensores, como termômetros e manômetros, e os atuadores
industriais, como válvulas e motores. Com o aumento da complexidade dos processos, o operador
foi ficando incapaz de realizar o controle, passado a surgir mecanismos capazes de automatizar
completamente os processos industriais. Elementos sensores adquiriram transmissores e interação
com redes de dados, surgiram importantes algoritmos e tecnologias de controle.
Atualmente, os sistemas de controle mais utilizado nos processos industriais são aqueles
baseados em um sistema de malha fechada, o que permite um monitoramento contínuo da saída do
processo e um tratamento desta informação por um algoritmo de controle. A partir deste tratamento,
sinais são enviados ao atuador do processo para que ele se comporte da maneira desejada. O
objetivo básico de um controle é tornar e manter a variável de processo igual ao setpoint, ou seja,
com erro zero, apesar das condições do processo e das interferências externas. Um exemplo de um
sistema de malha fechada simples pode ser visto a partir do diagrama de blocos da Figura 1.9. Um
diagrama de blocos é uma representação do fluxo de sinais de um sistema complexo, utilizando
blocos para abstrair a complexidade de cada componente e facilitar o entendimento. As setas
identificam a direção da informação, e o bloco representa a operação a ser aplicada à entrada que
proporciona a saída. A partir deste diagrama é possível estudar as relações de dependência entre as
variáveis que interessam à cadeia de controle.
9
Figura 1.9: Diagrama de blocos. 9
Aqui, torna-se necessário esclarecer cada parte integrante do diagrama:
Valor desejado (setpoint): Sinal de entrada que estabelece o valor desejado da variável de
processo. O setpoint e a variável de processo são expressos nas mesmas unidades.
Variável manipulada (MV): É a variável onde o controlador atua para controlar o
processo.
Variável de processo (PV): Variável que é controlada no processo, no sentido de manter
um determinado comportamento desejável no processo.
Comparador (Representado pelo círculo aritmético): compara o setpoint com a variável de
processo medida na saída e gera um sinal de erro que indica o quanto o sinal de saída está
longe do setpoint.
Controlador: Algoritmo responsável pelo tratamento do erro e geração da variável
manipulada.
Processo: É o sistema no qual a variável de processo está sendo controlada.
Em sistemas de malha fechada torna-se importante entender o conceito de estabilidade do
sistema. Considerando o conceito BIBO (bounded input-bounded output), um sistema é estável “se
para todo sinal com amplitude aplicado na entrada, o sinal de saída também é limitado. Do
contrário, se o sistema é instável, um sinal de amplitude limitada na entrada gera uma saída que
divergirá com o passar do tempo, ou seja, a amplitude do sinal de saída tenderá a crescer
indefinidamente”.
10
Antes de alcançar a estabilidade, porém, a resposta de uma variável de processo a um
estímulo de entrada possui outras características importantes. Uma curva típica desta resposta pode
ser vista na Figura 1.10:
Figura 1.10: Resposta da variável de processo a um estímulo de entrada. 10
Inicialmente a curva de resposta pode ser dividida em dois estágios principais, o regime
transitório e o regime permanente. O regime transitório é o período no qual, a partir de uma
variação inicial, a variável de processo apresenta alterações. O regime permanente é o período a
partir do qual a variável controlada converge para um valor ou comportamento aproximadamente
constante, nessa fase o objetivo é reduzir o erro. O desempenho do sistema é medido pelo valor das
seguintes grandezas:
Mo – pico da resposta ou overshoot: É o valor que a variável controlada ultrapassa o setpoint
por ocasião da primeira oscilação, ou seja, o valor de pico máximo atingido pela resposta. Se
a saída não ultrapassa o valor da entrada o sobrepasso máximo é, por definição igual a zero.
O sobrepasso máximo é em geral dado em porcentagem. O máximo sobrepasso é um
indicativo da estabilidade relativa do sistema. Quanto maior seu valor menor a estabilidade
relativa, isto é mais próximo o sistema estará de apresentar um comportamento instável. Em
11
muitas aplicações, como em controle de posição, por exemplo, sobrepassos são
extremamente indesejáveis.
ts – tempo de subida: É definido como o tempo transcorrido para a resposta ir
de 10% a 90% do seu valor final. O tempo de subida é um indicativo de quão rápido reaje o
sistema a aplicação de um salto em sua entrada. Muitas vezes a redução excessiva do tempo
de subida de um sistema a partir da sintonia dos parâmetros de um controlador pode
provocar o aparecimento de um alto sobrepasso. Isto se explica intuitivamente pelo fato que
o sistema é "acelerado" de tal maneira que é difícil de "freiá-lo" o que leva a saída a
ultrapassar de maneira significante o valor da entrada.
te – tempo de estabilização ou acomodação: É o tempo necessário para que a resposta
entre e permaneça dentro de uma faixa percentual (2% ou 5%)em torno do valor de regime
permanente.
L – Atraso ou tempo morto: É o tempo decorrente para que uma variação no sinal de
referência ou de controle seja efetivamente "sentida" na variável de processo. Assim, se
aplicarmos, por exemplo, uma entrada do tipo degrau em um processo com atraso de
transporte, a saída do processo permanecerá "fixa" durante um intervalo de tempo . Este
tempo é o atraso de transporte. Entre as causas de ocorrência do atraso de transporte
podemos citar: atraso na medida da variável de processo, ou seja, o tempo que o sensor leva
para sentir que houve efetivamente uma variação, atraso na operação do atuador e atraso na
ação do próprio controlador. Em geral quanto maior o atraso de transporte, mais difícil é o
controle do processo.
1.5.1 Ações de controle
Em relação ao algoritmo de controle do controlador, existe uma enorme gama de
controladores comerciais no mercado, cada uma com suas vantagens e desvantagens em relação a
sua função. Dentre eles, existem quatro tipos de ações básicas de controle que podem ser utilizados
isoladamente ou associados, e que são importantes para entender o conceito do controlador
utilizado:
• Ação liga-desliga (on-off)
• Ação proporcional (P)
12
• Ação integral (I)
• Ação derivativa (D)
1.5.2 Ação liga-desliga
No tipo de controle liga-desliga, apenas uma chave é acionada/desligada para efetuar o
controle. Nesse tipo de ação, o controlador compara o sinal de entrada com a realimentação e, se a
saída superar a entrada, desliga o atuador; se a realimentação for menor, liga o atuador. O sinal de
erro assume apenas dois valores, positivo ou negativo, e geralmente o controlador é modelado por
um relé, conforme pode ser observado na Figura 1.11 a seguir.
Figura 1.11: Controle liga/desliga. 11
No regime permanente de uma malha de controle liga/desliga o sinal de saída oscila em
torno do setpoint, como pode ser visto na Figura 1.12 a seguir, onde pode ser visto a resposta em
malha fechada com o respectivo sinal de controle para a ação liga/desliga. Esta oscilação varia em
amplitude e frequência dependendo da variação de carga e do intervalo entre o chaveamento. Com
isso, o valor final da variável de processo será sempre diferente do valor de setpoint, gerando um
desvio residual chamado off-set. Este tipo de controlador é muito utilizado em sistemas de
refrigeração e aquecimento, onde um valor de off-set é tolerado e uma resposta rápida não é exigida.
Suas vantagens são a simplicidade e baixo custo, enquanto sua desvantagem reside na contínua
oscilação da saída entre os limites do controlador, conhecida como histerese. A oscilação não
garante precisão e pode desgastar o controlador e o atuador pelo excesso de partidas.
13
Figura 1.12: Resposta a um controle Liga/Desliga. 12
1.5.3 Ação Proporcional
A ação proporcional surgiu como uma evolução do sistema liga/desliga. Aqui, o sinal de
controle aplicado na planta é proporcional à amplitude do valor de erro, sendo Kp a constante de
proporcionalidade.
( ) ( ( ))
Pode-se observar na Figura 1.13 que quanto maior o ganho Kp, menor também é o erro em
regime permanente. O erro é tanto menor quanto maior for o ganho, porém o erro nunca é nulo em
um controle puramente proporcional. Por outro lado, quanto maior o ganho, mais oscilatório tende a
ficar o comportamento transitório do sistema em malha fechada. Conclui-se que um aumento
excessivo do ganho proporcional leva a uma instabilidade do sistema na maioria dos processos
físicos.
14
Figura 1.13: Ação proporcional: Kp=1(contínuo), 2(tracejado), 4(pontilhado). 13
1.5.4 Ação Integral
A ação integral vem para eliminar o grande problema da ação proporcional pura, que é o
erro de off-set. Ela atua na variável manipulada ( ) ao longo do tempo enquanto durar a diferença
entre o valor desejado (setpoint) e o valor mensurado ( ). O sinal de correção age de forma lenta
até eliminar por completo o off-set, quanto mais tempo o erro perdurar, maior será a saída do
controlador.
( )
∫ ( )
A ação integral tem assim uma função "armazenadora de energia". É notável que, se a partir
de um determinado tempo t o erro é igual à zero, ( ) , o sinal da variável manipulada ( )
será mantido em um valor constante proporcional à "energia armazenada" até o instante . Este fato
permitirá, no sistema em malha fechada, obter-se o seguimento de uma referência com erro nulo em
regime permanente, pois a ação integral garantirá a aplicação ao processo de um sinal de controle
constante de forma a ter-se ( ) ( ), ( )
O intervalo regular de tempo o qual a ação integral atua é chamado tempo integral, que pode
também ser expresso por seu inverso, chamado ganho integral ou taxa integral.
15
A adoção de um tempo integral excessivamente longo pode levar o processo à instabilidade.
Por sua vez, a adoção de um tempo integral curto retarda em demasia a estabilização. Quanto maior
o desvio, maior será velocidade de correção. No entanto, como também depende do tempo, a
resposta é lenta e, por isso, desvios grandes em curtos espaços de tempo não são devidamente
corrigidos. Dá-se, portanto a necessidade de associar esta ação a ação proporcional.
1.5.5 Ação Derivativa
A ação derivativa não é, assim como a integral, isoladamente uma técnica de controle, não
devendo ser aplicada separadamente de uma ação proporcional. A ação derivativa atua na variável
manipulada proporcionalmente à velocidade de variação do desvio, tendo como uma de suas
principais funções, melhorar o desempenho do processo durante o regime transitório, ou seja,
sempre que ocorrerem partida da planta ou outros tipos de perturbações.
( ) ( )
A derivada de uma função esta relacionada intuitivamente com a tendência de variação desta
função em um determinado instante de tempo. Assim, aplicar como controle um sinal proporcional
à derivada do sinal de erro é equivalente a aplicar uma ação baseada na tendência de evolução do
erro. A ação derivativa é então dita antecipatória ou preditiva e tende a fazer com que o sistema
reaja mais rapidamente. Este fato faz com que a ação derivativa seja utilizada para a obtenção de
respostas transitórias mais rápidas, ou seja, para a melhora do comportamento dinâmico do sistema
em malha fechada. Pode-se observar que no caso em que, em regime permanente, o sinal de erro é
constante a ação derivativa será igual à zero, ou seja, esta ação atua apenas durante a resposta
transitória.
1.5.6 Controle PID
O controlador proporcional-integral-derivativo combina as vantagens das três ações vistas
anteriormente. A ação integral está diretamente ligada à precisão do sistema sendo responsável
pelo erro nulo em regime permanente. O efeito desestabilizador do controlador PI é
contrabalançado pela ação derivativa que tende a aumentar a estabilidade relativa do sistema ao
mesmo tempo em que torna a resposta do sistema mais rápida devido ao seu efeito antecipatório.
Em outras palavras, pode-se dizer que o controlador considera o presente (proporcional), o passado
16
(integrador) e o futuro (derivativo) do erro. Os controladores PID são largamente utilizados nas
indústrias por sua versatilidade, uma vez que são capazes de solucionar a grande maioria dos
problemas de controle industriais.
1.6 Organização do trabalho
O trabalho textual está organizado da seguinte forma:
Capítulo 1: Está apresentado o cenário atual, os objetivos do trabalho a serem alcançados, a
metodologia utilizada, possíveis aplicações, conceitos introdutórios sobre controladores de
lógica programável, sobre controle de processos automáticos, além da descrição de como foi
organizado o trabalho;
Capítulo 2: Contém as restrições do projeto, as especificações, o esquema físico proposto,
além de uma explanação das tecnologias disponíveis e utilizado no trabalho. O CLP
utilizado, inversores de frequência, motores de indução e encoder;
Capítulo 3: O Terceiro capítulo consta a solução proposta. Aqui irá conter o fluxograma do
algoritmo, detalhes da programação, o método de controle utilizado e a execução da
montagem;
Capítulo 4: São mostradas as condições em que foi simulado o projeto, apresentando seus
resultados a partir de gráficos grados pelo simulador;
Capítulo 5: É mostrada a conclusão do trabalho e possíveis melhorias futuras;
17
Capítulo 2
Tecnologias disponíveis
2.1 Restrições do projeto
A principal restrição do projeto é a necessidade dos motores operarem em total sincronia,
isto é, ter o erro nulo ou desprezível em toda a faixa de velocidade de operação. O erro é a diferença
entre as velocidades dos motores. Para garantir este objetivo, foram utilizados sensores encoders de
precisão, com tratamento de sinal realizado pelo CLP, com monitoramento e registro em tempo real
das medições. O algoritmo PID bem sintonizado garante a correta transição de velocidade do motor
mestre para os escravos.
Como restrições secundárias estão as compatibilidades entre os componentes utilizados. A
comunicação entre o CLP e os inversores de frequência é feita a partir de valores comerciais de
corrente (4 a 20 mA) ou tensão (0 a 10 Vdc). Para a comunicação entre os encoders e o CLP, foi
preciso implementar um circuito elevador de tensão com uso de transistores no modo chave
eletrônica. Quanto à ligação mecânica entre o encoder e o eixo do motor, no protótipo foi realizada
uma ligação simples utilizando uma mangueira emborrachada. Porém no campo industrial essa
ligação necessita ser feita com metais e parafusos bem fixos para evitar a desacoplagem ao longo da
rotação e vibração normais de uso.
18
2.2 Especificação do projeto
A Figura 2.1 mostra um diagrama da disposição física do projeto. Cada motor será
alimentado por um inversor de frequência. O motor mestre será comandado diretamente pelo seu
inversor de forma independente, a partir da interface homem-máquina presente no inversor. Cada
motor irá dispor de um sensor encoder acoplado em seu eixo, responsável pelo monitoramento de
suas velocidades. A informação dos encoders irá para o CLP, responsável por executar o algoritmo
de controle que irá ler as duas velocidades, processar o algoritmo e emitir o sinal de saída para o
inversor do motor escravo por meio de sinal de controle remoto.
Figura 2.1: Diagrama do projeto. 14
A Tabela 2.1 a seguir mostra os parâmetros em relação ao sinal e a frequência de
comunicação de cada componente. Estes parâmetros foram tomados como critério de viabilidade de
integração entre os componentes e serão melhor descritos nos próximos subcapítulos referentes a
cada componente isoladamente.
19
Tabela 2.1: Parâmetros de cada componente.
2.3 CLP Siemens S7-200
O CLP adotado para a realização do trabalho foi o Siemens S7-200, escolhido dentre outros
fatores por ter sido o adotado para as aulas das disciplinas de CLP e laboratório, por ser de fácil
obtenção no mercado e por ser bem versátil. Um fator de escolha também importante foi ele possuir
contadores rápidos de pulso (HSC) com frequência de operação de até 20kHz. Como será exposto
posteriormente no texto, o motor utilizado possui velocidade de 1800rpm na frequência máxima de
60Hz, e o encoder gera 128 pulsos por rotação. Isso gera 3840 pulsos por segundo na velocidade
máxima, o que está dentro da margem de 20kHz.
O Siemens S7-200 é um equipamento de baixo custo, desenvolvido preferencialmente para
aplicações de pequeno e médio porte, compacto, robusto, rápido, com um bom comportamento em
tempo real. Este equipamento combina um microprocessador, uma fonte de alimentação 24Vdc e os
circuitos de entrada e saída DC. Possui capacidade para módulos de expansão de entradas e saídas.
A linha S7-200 é formada por cinco modelos de CPU, adequados para as aplicações mais
simples até aplicações que exigem um grau maior de complexidade. Os modelos diferem quanto ao
dimensional, capacidade da memória, quantidade de entradas e saídas integradas, capacidade de
expansão, contadores rápidos, saídas de pulso e relógio de tempo real. A Tabela 2.1 retirada do
manual do dispositivo apresenta as especificações técnicas dos controladores S7-200. Dimensões
físicas, capacidade de memória, quantidade de entradas e saídas, número de módulos de expansão,
tempo de execução de uma instrução, dentre outros dados. O modelo utilizado no trabalho foi a
CPU 224.
Componente Sinal de Comunicação Frequência
CLP 24 Vdc (Digital) / 0 - 10 Vdc (Analógico) HSC de até 20 KHz (Digital)
ENCODER 5 Vdc 128 pulsos/rotação
Motor - 1800 rpm (eixo)
Inversor 0 - 10 Vdc -
20
Tabela 2.2: Especificações técnicas da série S7-200.
2.4 Software de programação STEP 7--Micro/WIN
O software do fabricante SIEMENS utilizado para realizar a programação do CLP é o STEP
7-Micro/WIN. O software apresenta um amigável ambiente para desenvolvimento, edição e
monitoramento da lógica necessária para controle da aplicação [3]. Ele possui três editores nas
linguagens já explanadas, de acordo com a conveniência do programador e com a aplicação
desejada. Além de editar e compilar o programa, o software é capaz de fazer o download do
programa para o dispositivo, fazer o upload do programa contido no dispositivo para o software,
mudar o status de operação do dispositivo entre operação parada (STOP) e operando (RUN). Uma
das funcionalidades bastante útil é a monitoração dos parâmetros ao mesmo tempo em que o CLP
está operando (estado RUN). Com isso é possível monitorar valores de variáveis temporárias,
temporizadores, acumuladores, contadores, verificar status de entradas e saídas, e assim detectar
erros de programa ou falhas no equipamento e as instalações, caso o valor de uma saída no software
não corresponda ao mesmo valor no circuito elétrico, por exemplo.
21
O compilador permite a adição de comentários ao programa para facilitar a organização e
compreensão. Ao fazer o download do programa os comentários não vão para a memória do
dispositivo, indo apenas o programa. O código executável é composto de um programa principal,
chamado de main, e blocos de sub-rotinas e interrupções. O programa principal é executado de
forma sequencial e repetitiva a cada ciclo de scan. As sub-rotinas consistem em uma porção de
código responsável por uma função específica dentro do programa como um todo. É um artifício de
programação muito útil para o enxugamento do código principal, seu uso diminui linhas de código
repetitivas, pois uma mesma sub-rotina pode ser executada várias vezes no decorrer do ciclo de
scan.
Assim como as sub-rotinas, as interrupções também são linhas de código com uma
determinada função específica que é executada a parte do programa principal. As sub-rotinas são
chamadas a partir de comandos presentes no programa principal, em outras sub-rotinas ou
chamadas por uma interrupção. Interrupções são geradas a partir de eventos externos, como sinais
de entrada, ou internos ao programa, como estouro de temporizadores ou contadores. Após
execução da rotina de interrupção, o programa volta para a linha de comando de onde parou ao ser
interrompido.
2.5 Encoder
O elemento sensor utilizado no motor mestre para monitoramento de sua rotação foi o
Encoder. Trata-se de um dispositivo eletromecânico capaz de prover informações sobre movimento,
direção ou posição em um eixo rotativo ou de um movimento linear [4].
O princípio de funcionamento do Encoder pode ser visto na Figura 2.2 e Figura 2.3 [4]. Um
disco montado no eixo giratório ou fita linear possui perfurações regulares que são repetidas
continuamente formando segmentos opacos e transparentes codificados no disco. De um lado há um
diodo emissor de luz (LED) e do outro um foto receptor óptico. À medida que o disco gira, os
segmentos opacos bloqueiam a luz e as janelas transparentes permitem a passagem da luz. Isto gera
pulsos de onda quadrada que podem ser interpretados então em informação de movimento ou
posição.
22
Figura 2.2: Princípio de funcionamento do ENCODER. 15
Figura 2.3: Pulsos de luz. 16
O Encoder pode se apresentar em duas configurações possíveis: Incremental ou Absoluto. O
incremental constitui a forma mais simples, ele gera certo número de impulsos por revolução. O
número de um impulso representa a medida da distância básica movida (angular ou linear), um
circuito eletrônico deverá somar o número de pulsos para determinar a distância total percorrida e a
partir da taxa de pulsação, determina também sua velocidade.
Para se identificar o sentido de rotação, é adicionado um segundo sensor B ao lado do A ou
abaixo, com uma segunda fita de marcação, que gere um pulso quadrado com defasagem de ¼ de
período ou 90º em relação à sequência gerada por A (Figura 2.4).
23
Figura 2.4: Pulsos A e B com defasagem de 90º. 17
Para determinar a resolução basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um
encoder fornecendo 1024 pulsos/ revolução, geraria um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos.
A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são:
erros na escala das janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro
introduzido na leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes
transmissores e receptores de luz.
O princípio de funcionamento de um encoder absoluto e de um encoder incremental é
bastante similar, isto é, ambos utilizam o princípio das janelas transparentes e opacas, com estas
interrompendo um feixe de luz e transformando pulsos luminosos em pulsos elétricos. A diferença é
que o absoluto possui mais de uma camada de código, cada uma com seu sensor óptico, em que
cada posição angular está devidamente atribuída a um valor de posição definido, tendo-se assim um
código único para cada posição do seu curso. Sua principal vantagem em relação ao incremental é
não perder a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação (até mesmo se
deslocados), esta posição absoluta esta disponível imediatamente após o sistema ser energizado,
assim, procedimentos de referenciamento não são necessários. Como outra vantagem, neste modelo
não é necessário contador para processamento do sinal.
O código de saída é utilizado para definir a posição absoluta do encoder. O código mais
simples empregado é o binário (Figura 2.5/a), pois este é facilmente manipulado por um circuito
relativamente simples e, com isso, não se faz necessário nenhum tipo de conversão para se obter a
posição real do encoder. O código é extraído diretamente do disco (que está em rotação). Porém, o
sincronismo e a aquisição da posição, no momento da variação entre dois códigos, tornam-se muito
difíceis, tornando recorrentes erros de leitura. Para evitar este problema, em muitos casos é
empregado discos codificados em código Gray (Figura 2.5/b), onde a passagem de um valor
numérico para outro sempre se faz com a mudança de valor de um único bit.
24
Figura 2.5/a: Disco de código binário. 18 Figura 2.5/b: Disco em código Gray.
O encoder utilizado na simulação do trabalho foi um encoder incremental de quadratura
com duas fases, A e B, defasadas de 90º para distinção do sentido de rotação. Ref. Grayhill 63K128
[5], 128 pulsos por rotação, tensão de operação de 5 ± 0.25Vdc.
2.6 Motor elétrico de indução
Como o objetivo deste trabalho é fazer o controle de operação sincronizada entre motores de
indução, com isso, se faz necessário uma explanação a respeito deste equipamento.
O motor elétrico é uma máquina capaz de transformar energia elétrica em energia mecânica.
Existem motores elétricos alimentados por corrente elétrica contínua e por corrente alternada. O
motor de indução por corrente alternada se tornou o tipo de motor mais usado na indústria devido à
maioria dos sistemas de distribuição de energia elétrica ser de corrente alternada. Outras vantagens
dos motores de indução é a sua alta eficiência e simplicidade de confecção, que se traduz em baixo
custo e manutenção mínima [6].
Os motores CA são encontrados em duas formas principais. O motor síncrono funciona com
velocidade fixa proporcional à frequência da rede, sem interferência de escorregamento. É
geralmente utilizado para grandes potências, devido ao seu alto custo em tamanhos menores. Já o
motor de indução funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente
com a carga mecânica aplicada ao eixo. O controle de velocidade do motor de indução atualmente
se dá com o uso de inversores de frequência.
O motor utilizado no trabalho é do tipo “gaiola de esquilo”, cujo rotor é constituído de um
conjunto de barras não isoladas e interligadas por anéis de curto-circuito. O que caracteriza o motor
de indução é que só o estator é ligado à rede de alimentação. O rotor não é alimentado externamente
e as correntes que circulam nele são induzidas eletromagneticamente pelo estator, de onde provém o
25
seu nome: motor de indução. Na Figura 2.6 pode-se observar a constituição física de um motor de
indução, o qual é composto de duas partes principais descritas a seguir [6]:
Figura 2.6: Motor de indução. 19
Estator
- Carcaça (1) - e a estrutura suporte do conjunto de construção robusta em ferro fundido, aço
ou alumínio injetado, resistente à corrosão e normalmente com aletas.
- Núcleo de chapas (2) - as chapas são de aço magnético.
- Enrolamento trifásico (8) - três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando
um sistema trifásico equilibrado ligado a rede trifásica de alimentação.
Rotor
- Eixo (7) - Transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor.
- Núcleo de chapas (3) – As chapas possuem as mesmas características das chapas do Estator.
- Barras e anéis de curto-circuito (12) – São de alumínio injetado sob pressão numa única
peça.
Outras partes do motor de indução trifásico:
- Tampa (4)
26
- Ventilador (5)
- Tampa defletora (6)
- Caixa de ligação (9)
- Terminais (10)
- Rolamentos (11)
O motor utilizado no trabalho (Figura 2.7) foi do tipo gaiola de esquilo, com 4 polos,
potência de 1/4 de cv e rotação de 1800 rpm.
Figura 2.7: Motor de indução utilizado no trabalho. 20
2.7 Inversores de frequência
Inversores de frequência com tensão imposta PWM são atualmente os equipamentos mais
empregados para a alimentação de motores de baixa tensão nas aplicações industriais que requerem
variação de velocidade. Eles operam como uma interface entre a fonte de energia (rede) e o motor
de indução [7].
O processo de obtenção da tensão e frequência desejadas por meio de tais equipamentos
passa por três estágios:
Ponte de diodos: Retificação do sinal alternado, de tensão e frequência constantes,
proveniente da rede de alimentação. A configuração mais comum é a de uma ponte de
diodos em onda completa, conforme Figura 2.8 [8]:
27
Figura 2.8: Ponte de diodos. 21
Filtro ou Link DC: Alisamento/regulação da tensão retificada com armazenamento de
energia por meio de um banco de capacitores;
Transistores IGBT: Inversão da tensão contínua proveniente do link DC num sinal
alternado, com tensão e frequência variáveis. Conforme mostra o circuito simplificado da
Figura 2.9, são usados transistores (IGBTs) que chaveiam a tensão, gerando uma tensão
modulada em PWM (Modulação por Largura de Pulso).
Figura 2.9: Transistores IGBT. 22
Os sinais gerados são trens de pulsos com largura variável, que ao serem aplicados numa
carga indutiva como um motor, o resultado é uma forma de onda aproximadamente senoidal. As
características do próprio enrolamento do motor se encarregam de fazer uma suavização da forma
de onda que se torna quase que senoidal. O controle gera os pulsos que atuam sobre os transistores
de chaveamento. As formas de onda e frequência do sinal gerado por este circuito vão determinar a
velocidade e potência aplicada ao motor [8]. A Figura 2.10 a seguir ilustra estas três etapas básicas
do inversor de frequência:
28
Figura 2.10: Etapas do inversor de frequência. 23
2.8 Considerações finais
Foi apresentado neste capítulo primeiramente as restrições e especificações do projeto, além
das tecnologias e equipamentos utilizados. Foi realizada uma explanação a respeito do CLP,
elemento central do trabalho, apresentado o modelo utilizado e o software de programação. Outros
equipamentos também foram apresentados, como o motor elétrico de indução, o encoder e o
inversor de frequência.
29
Capítulo 3
Solução e Implementação
O fluxograma do algoritmo desenvolvido no CLP pode ser visto na Figura 3.1 a seguir:
30
Figura 3.1: Fluxograma de controle. 24
No programa principal (main) inicialmente são configurados os parâmetros da rotina PID
como o tempo de amostragem, a constante proporcional (kp), o tempo integral e tempo derivativo.
Os critérios de obtenção desses parâmetros estão descritos neste capítulo. No programa principal
também são chamadas duas sub-rotinas para que sejam carregadas as configurações dos contadores
rápidos que irão contar os pulsos oriundos dos encoders, “SUB_ENCODER1” e
“SUB_ENCODER2”. Ainda no programa principal, também é chamada uma sub-rotina para
configuração de um timer que foi utilizado para produzir um tempo de amostragem, para que seja
possível calcular a velocidade dos motores e realizar a rotina PID. Enquanto roda o programa, os
contadores vão acumulando os pulsos oriundos da rotação dos motores. A cada interrupção pelo
timer, as velocidades dos motores são calculadas e é acionada a rotina PID. Esta rotina irá receber
as informações das velocidades e calcular a saída que irá controlar a velocidade do motor escravo.
31
Os contadores continuam acumulando os pulsos e a rotina vai se repetindo a cada interrupção do
timer.
3.1 Timer de amostragem
Existem no CLP dois registradores especiais com a finalidade exclusiva de gerar uma
interrupção a partir de um tempo definido. São os SMB34 e SMB35. Eles podem ser programados
para um timer de 0 a 255ms A sub-rotina geradora do timer foi denominada
“SUB_AMOSTRAGEM”. Nela foi utilizada a SMB34 programado para 100ms. A interrupção
gerada foi denominada “INT_AMOSTRAGEM”. Nesta rotina de interrupção estão sendo realizados
os cálculos das velocidades e a execução da rotina PID. Na Figura 3.2 abaixo é possível ver um
exemplo contido no manual de aplicação do registrador SMB34 programado para 100ms e gerando
uma interrupção utilizada para ler o valor de uma entrada analógica.
Figura 3.2: Exemplo de aplicação do SMB34. 25
3.2 Contadores rápidos de pulsos
O CLP S7-200 possui contadores especiais chamados “HSC - High-Speed Counters” ou
“contadores de alta velocidade”. Eles são capazes de contabilizar eventos externos de alta
32
velocidade, como por exemplo, pulsos oriundos de um encoder, independentes do ciclo de scan da
CPU. A CPU 224 possui seis contadores rápidos (HSC 0 ao 5), somente leitura e possuem tamanho
de palavra de 32 bits, que traduz numa capacidade de contagem de + 2.147.483.647 a –
2.147.483.648. Cada contador tem dedicadas entradas para clock, controle de sentido, reset e start, onde
essas funções são suportadas [3].
Os contadores podem ser configurados em um dentre doze diferentes modos de operação,
conforme Tabela 3.1:
Tabela 3.1: Modos de operação dos contadores.
Os 12 modos são divididos em 4 tipos básicos de contadores:
Modos de 0 a 2: São para contadores de uma única fase com controle de direção interna.
Modos de 3 a 5: Contadores única fase com controle de direção externo.
Modos de 6 a 8: Contadores de duas fases com duas entradas de clock.
Modos de 9 a 11: Contadores de quadratura fases A/B.
33
Para utilizar um contador rápido, é necessário escolher um tipo e um modo a partir da
instrução “HDEF (High-Speed Counter Definition)”. Esta instrução deve ser carregada no primeiro
scan do programa e apenas uma vez. Para isso, é aconselhável utilizar o bit de memória especial
SM0.1 para chamar uma sub-rotina que contenha a instrução HDEF. O bit SM0.1 apenas é ativado
no primeiro scan da máquina, ou seja, quando o CLP é iniciado, e desligado logo em seguida.
Já na sub-rotina de inicialização, é necessário primeiramente configurar o byte de controle.
Cada contador rápido possui um byte de controle específico que permite configurar o estado ativo
das entradas de reset e start e escolher os modos de contagem 1x ou 4x (mais veloz). Para o
contador rápido HSC1, seu byte de controle é o SMB47, como se pode verificar na Tabela 3.2 a
seguir. Valores padrões para carregamento no byte de controle são 16#FC para modo de contagem
1x e 16#F8 para modo de contagem 4x.
Tabela 3.2: Bytes de configuração dos contadores.
Após a configuração do byte de controle, se executa a instrução “HDEF” constando o
número do contador (0 a 5) e o correspondente modo (0 a 12). Por exemplo, para o contador HSC1
no modo 9, a instrução fica: “HDEF 1, 9”. Em seguida, é opcional a determinação de valores para
current value (CV) e preset value(PV) do contador e habilitação de interrupções. Há interrupções
para quando CV=PV, para mudança de sentido de rotação ou para evento de reset externo. Caso
alguma interrupção seja utilizada, é preciso executar a instrução de habilitação global de interrupção
(ENI) para habilitá-las. Por fim, é executada a instrução “HSC” seguida do número do contador
para sua habilitação. Na Figura 3.3 a seguir é possível ver um exemplo de carregamento do
contador HSC1, no modo 11, gerando uma interrupção quando CV = PV = 50.
34
Figura 3.3: Exemplo de programação de um contador rápido com interrupção. 26
35
3.3 Cálculo da velocidade
Os contadores usados no trabalho foram o HSC1 e o HSC4, ambos no modo 9 de operação,
duas fases em quadratura sem pinos externos de reset ou start. Também não foi feito o uso de
interrupções. Cada encoder acumula uma contagem referente a seu motor como uma distância, mas
foi preciso transformar essa distância em velocidade, pois é a unidade de trabalho. Para o cálculo da
velocidade, foi utilizado o timer de amostragem inserido no programa de 100ms. A cada interrupção
por amostragem, o valor atual do contador é subtraído do valor anterior, obtendo assim uma
contagem, uma unidade de “distância” referente aos 100ms, ou seja, uma velocidade.
A velocidade máxima de um motor de indução é definida pela velocidade do campo girante,
a qual depende do número de polos do motor e da frequência da rede, em Hertz, seguindo a seguinte
fórmula:
Para uma frequência de 60hz e um motor de 4 polos usado no trabalho, temos:
O motor gira, livre de cargas e em máxima frequência, 1800 revoluções por minuto. Para o
tempo de amostragem de 100ms, o motor vai girar:
O encoder usado gera 128 pulsos por rotação. Logo,
E assim foi calculada a velocidade do motor. Uma velocidade que vai de 0 a 384 pulsos a
cada 100ms.
36
3.4 Malha de controle PID
O Step7-200 possui uma instrução de PID que executa o cálculo baseado nas informações
contidas em uma tabela (TBL). Para chamar a função, o topo da pilha deve estar setado em nível
lógico 1 para habilitar o cálculo PID. A instrução possui dois operandos, o endereço da tabela de
dados e um número de 0 a 7 que enumera a função PID. O CLP é capaz de executar até oito
instruções PID em um mesmo programa. A tabela contém nove parâmetros usados para controlar e
monitorar a operação e inclui os valores atual e anterior da variável de processo, o setpoint, a saída
da variável manipulada, ganho, tempo de amostragem, tempo integral, tempo derivativo e soma
integral (Tabela 3.3). A instrução de PID precisa ser executada dentro de uma rotina de interrupção
por timer, para que seja amostrado o sinal da variável de processo e seja executada a rotina PID a
cada amostragem. Por esta razão, a rotina foi executada dentro da mesma sub-rotina de interrupção
utilizada para o cálculo das velocidades “INT_AMOSTRAGEM (INT0)” com o timer de 100ms.
Em relação à sintonia do PID, que consiste na obtenção dos valores do Kc, Ti e Td, foi
utilizado neste trabalho o método de sintonia das aproximações sucessivas, ou tentativa e erro. O
método consiste em modificar os parâmetros de controle (Kc, Ti e Td) e observar os efeitos na
variável de processo. A modificação das ações continua até a obtenção de uma resposta satisfatória.
Em função da sua simplicidade é um dos métodos mais utilizados na indústria, porém seu uso fica
impraticável em alguns processos específicos. A partir do conhecimento da ação resultante do
aumento ou diminuição de cada um dos parâmetros de controle, chegou-se ao resultado.
37
Tabela 3.3: Tabela de dados da instrução PID.
O espaço de memória utilizado para o topo da tabela foi a partir do VD100. Os três
primeiros valores da tabela são respectivamente:
VD100: Variável de processo (PV);
VD104: Setpoint (SP);
VD108: Variável manipulada (MV);
O diagrama de blocos de controle fica então, assim representado (Figura 3.4):
38
Figura 3.4: Diagrama de blocos. 27
Importante salientar que estas variáveis são reais e normalizadas, isto é, operam numa faixa
de valores entre 0 e 1. Portanto, as variáveis de velocidade calculadas (SP e PV) dos encoders que
podem assumir um valor máximo de 384 pulsos a cada 100ms, precisam ser divididas por 384 para
que o operando fique dentro da faixa exigida. A variável manipulada (MV) precisa ser multiplicada
por 32000 que é o máximo valor do conversor digital-analógico equivalente à saída de 10Vdc da
saída analógica.
3.5 Montagem
Para a montagem foi utilizado os seguintes equipamentos:
- 1 CLP Siemens S7-200 CPU224
- Módulo analógico EM 235
- 1 Cabo PPI de programação do CLP
- 2 Motores de indução trifásicos, 1/4cv
- 2 Inversores de frequência
- 2 Encoders
- 1 Fonte 24V do próprio CLP
- 1 Fonte 5Vdc externa para o encoder
- Circuito de adequação do encoder
39
O S7-200 possui alguns módulos de expansão analógicos, cada um com específicos números
de entradas e saídas analógicas para aplicações diversas. Foi utilizado no trabalho o módulo EM
235 (Figura 3.5), que possui quatro entradas e uma saída. Foi utilizada apenas sua saída analógica
para o sinal de controle de 0 a 10V que foi conectado à entrada analógica do inversor de frequência
do motor escravo, com a finalidade de efetuar o controle do motor. Sendo 0V = motor parado e 10V
= máxima velocidade.
Figura 3.5: Módulo analógico EM235. 28
A entrada I0.0 foi utilizada para simular um degrau no setpoint e verificar a resposta do
motor escravo. I0.3 e I0.4 são as entradas do HSC4, encoder mestre. I0.6 e I0.7 são as entradas do
HSC1, encoder escravo. A saída Q0.0 foi utilizada para ativar a entrada STF (Sentido direto) do
inversor escravo.
3.5.1 Comunicação entre o CLP e o PC
Para realizar a comunicação entre o computador e o CLP, é utilizado o cabo RS-232/PPI
Multi-Master Cable do próprio fabricante SIEMENS. O cabo necessita de uma porta serial RS-232
do PC, porém estas portas são difíceis de encontrar nos computadores modernos. Como foi utilizado
um netbook para a programação, a solução encontrada foi adquirir no mercado um cabo conversor
USB/RS-232 como o da Figura 3.6.
40
Figura 3.6: Conversor USB/RS-232. 29
O cabo vem com um drive próprio para instalação que simula uma porta serial qualquer. Foi
utilizada a porta COM1. Para que o compilador Micro/WIN reconheça o CLP, é preciso entrar nas
configurações de comunicação, localizado no menu ao lado esquerdo, botão “communications”. É
escolhida a interface, PC/PPI cable, e sua porta de comunicação serial com o PC, que no caso foi
escolhida a COM1. A taxa de transmissão do protocolo RS 485 foi escolhido 9.6kbps. Esta taxa
também é definida no cabo PPI, através de um switch localizado no mesmo.
3.5.1 Circuito de adequação do encoder
O encoder gera pulsos com amplitude de 5Vdc e a entrada do CLP reconhece sinais de
amplitude 24Vdc. Foi necessária a montagem de um circuito que amplificasse a tensão gerada pelo
encoder. O circuito utilizado foi o circuito de chaveamento com transistor bipolar (Figura 3.7), com
sinal de entrada Vi = 5V oriundo do encoder e o Vcc = 24V, onde é gerado também Vc = 24V para
a entrada do CLP.
Figura 3.7: Circuito de chaveamento com transistor bipolar. 30
41
O transistor é um dispositivo eletrônico semicondutor construído com três regiões dopadas:
emissor, base e coletor. Eles podem ser do tipo NPN ou PNP e suas operações básicas são como
chave ou como amplificadores de sinal. Os transistores operam na região ativa quando são usados
como amplificadores, nos chamados circuitos lineares, em que o sinal de saída varia
proporcionalmente à variação do sinal de entrada. Já os circuitos de chaveamento são aqueles em
que o transistor opera nas regiões de saturação e corte, ou seja, só há duas possíveis saídas: nível
baixo e alto.
No projeto foi usado o transistor bipolar modelo BC548B, um transistor de uso geral, que
atende bem a esta necessidade. De acordo com o fabricante [11] ele tem as seguintes especificações:
- Corrente de coletor Ic máxima = 500mA.
- Tensão coletor emissor Vce máxima = 30V.
- Ganho de corrente 200 ≤hfe ≤ 450.
Segundo [3] a corrente mínima de acionamento das entradas é 2,5mA e a típica é 4mA. Foi
usado um resistor de coletor Rc = 5,6KΏ. Segundo [10] é encontrado a corrente de coletor de
saturação:
O que está dentro da capacidade de corrente do transistor e suficiente para acionar a entrada do
CLP. Também segundo [10], para o transistor para ser saturado é exigido que:
Para assegurar uma saturação forte do transistor, considera-se como regra um hfe = 10, ou seja, a
corrente de base Ib seja 1/10 da corrente de coletor Ic. Para isso, foi utilizada uma resistência de
base Rb = 10KΏ. Daí obtém-se:
42
A Imagem 3.8 a seguir mostra o arranjo físico do circuito:
Figura 3.8: Circuito de adequação dos Encoders. 31
3.6 Considerações finais
Neste capítulo foi apresentado a solução proposta e detalhes de como foi implementada.
Começando com um fluxograma indicando o comportamento do programa, seguido de detalhes da
programação, como o temporizador criado para realizar a amostragem e cálculo da velocidade dos
motores, como foi realizado esse cálculo, e como foi programado o algoritmo PID. É encontrado
também neste capítulo detalhes da montagem e dos circuitos de adequação que foram necessários
ser feito.
43
Capítulo 4
RESULTADOS
Com a montagem prática, foi possível fazer algumas simulações e obter alguns resultados.
Foram utilizados dois motores de indução trifásica sem carga mecânica, com velocidade máxima de
1800 RPM a 60Hz. O Micro/WIN possui uma ferramenta gráfica para visualização de variáveis em
uma linha de tempo. Os gráficos mostrados a seguir, apresentam quatro variáveis diferentes. A
primeira corresponde ao Setpoint do sistema, que é a velocidade monitorada do motor mestre. A
segunda corresponde à variável manipulada, que consiste na saída do controlador PID. A terceira é
a variável de processo, ou seja, a velocidade monitorada do motor escravo. Todas essas três
variáveis descritas estão em valores normalizados, ou seja, com valores entre 0 e 1. A quarta e
ultima variável foi criada para monitoramento do erro, consiste na subtração do Setpoint pela
variável de processo, ou seja, a diferença entre as duas velocidades. A variável está em porcentagem
da velocidade, podendo variar entre 0% e 100%.
Utilizando esta ferramenta gráfica, foram feitas três simulações de partida em degrau
unitário, com o setpoint indo instantaneamente de 0 a 0.5 no valor normalizado, o que equivale a
50% da velocidade máxima (900 RPM). Em cada uma das variáveis, o gráfico mostra os valores
máximos (Maximum), mínimo (Minimum) e o atual (Current). Os resultados podem ser vistos a
seguir (Figuras 4.1, 4.2 e 4.3).
44
Figura 4.1: Erro estacionário = 0.13%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 14,3%. 32
Figura 4.2: Erro estacionário = 0.26%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 11%. 33
Figura 4.3: Erro estacionário = 0.26%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = 13,5%. 34
Para um degrau unitário do setpoint de 0 a 1 (velocidade máxima = 1800 RPM), obtêm-se
um overshoot nulo (Figura 4.4):
45
Figura 4.4: Erro estacionário = 0.78%; Tempo de estabilização = 2s; Overshoot = Nulo. 35
Na próxima imagem é possível observar uma transição mais lenta, de 0 à 1 (Velocidade
máxima = 1800 RPM), com cerca de 3s de tempo de subida e 3s de tempo de descida (Figura 4.5).
Figura 4.5: Transição lenta 0 a 1800 RPM. 36
4.1 Considerações finais
Neste capítulo foram apresentadas as condições e os resultados das simulações, exibindo os
dados e os gráficos gerados pelo simulador Micro/WIN.
46
Capítulo 5
CONCLUSÃO
A partir dos testes realizados com uma partida em degrau unitário, foi possível observar um
overshoot médio de 13% e um tempo de amortização de 2s. Resultados a primeira vista indesejáveis
para as aplicações industriais do projeto. Porém, na prática industrial os motores em sua grande
maioria partem com uma rampa de aceleração mais lenta, diferente da partida instantânea do teste.
Além disso, na prática industrial os motores estão acoplados a cargas mecânicas, o que lhes
proporcionam uma considerável inércia. As aplicações reais se assemelham mais ao ultimo teste de
transição lenta, onde se apresentou uma ótima simetria entre as velocidades, tempo de acomodação
e overshoot desprezível e erro estacionário = zero, o que dar um resultado ótimo para as aplicações.
4.1 Melhorias e trabalhos futuros
Pensando em melhorias para trabalhos futuros, um incremento seria a adição da rotação
reversa, com o controle funcionando nos dois sentidos de rotação. O trabalho atual foi feito para
rotação em um único sentido. Uma segunda melhoria seria testar o modelo com carga mecânica
acoplada aos motores e considerar seu escorregamento. Talvez com a carga acoplada se tornasse
necessário efetuar uma nova sintonia do controlador PID. Um terceiro incremento seria testar outros
algoritmos de controle. Do jeito que foi projetado, o setpoint seria a velocidade do motor mestre.
47
Isso gera algumas dezenas de milissegundos de atraso de reação do motor escravo. Poderia ser
pensado um setpoint gerado por outra fonte, que atuasse ao mesmo tempo para os dois motores.
Desta maneira, ambos iriam receber o comando para girar ao mesmo tempo, diminuindo este atraso
de reação. O motor escravo teria como referência tanto o setpoint, comum aos dois, quanto a
velocidade do mestre.
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APÊNDICE A – Algoritmo STL
MAIN (OB1)
Network 1
LD SM0.1
MOVR 1.0, VD112 //Kp
MOVR 0.1, VD116 //Tempo amostragem em s, 100ms
MOVR 0.005, VD120 //Tempo integral em min
MOVR 0.0003, VD124 //Tempo derivativo em min
S Q0.0, 1
CALL SUB_ENCODER2:SBR1
CALL SUB_ENCODER1:SBR2
CALL SUB_AMOSTRAGEM:SBR0
Network 2 I0.0 Para formar um degrau unitário no Setpoint
LD SM0.0
A I0.0
MOVR 1.0, VD104
SUB_AMOSTRAGEM (SBR0)
Network 1 Definir tempo da interrupção de amostragem de velocidade
MOVB 100, SMB34 // 1 A 255ms
ATCH INT_AMOSTRAGEM:INT0, 10
ENI
SUB_ENCODER2 (SBR1)
Network 1
LD SM0.0
MOVB 16#FC, SMB47 //Set control bits: count UP; rate 1X; enabled;
HDEF 1, 9
HSC 1
SUB_ENCODER1 (SBR2)
Network 1
LD SM0.0
MOVB 16#FC, SMB147 //Set control bits: count UP; rate 1X; enabled;
HDEF 4, 9
HSC 4
INT_AMOSTRAGEM (INT0)
49
Network 1 Leitura do Encoder 1 Motor principal (Setpoint) em VD104
LD SM0.0
MOVD HC4, AC0
-D MD0, AC0 // MD0 é o valor anterior de HC4
MOVD HC4, MD0
DTR AC0, AC0
/R 384.0, AC0
AN I0.0
MOVR AC0, VD104
Network 2 Valor Real do motor escravo em VD100
LD SM0.0
MOVD HC1, AC1
-D MD4, AC1
MOVD HC1, MD4 // MD4 = Valor anterior de HC1
DTR AC1, AC1
/R 384.0, AC1
MOVR AC1, VD100
PID VB100, 0
Network 3 Atualiza Saída
LD SM0.0
MOVR VD108, AC2
*R 32000.0, AC2
ROUND AC2, AC2
DTI AC2, AC2
MOVW AC2, AQW0
Network 4 Cálculo do Erro
LD SM0.0
MOVR VD104, MD8 // Armazena SetPoint em MD8
-R VD100, MD8 // SetPoint - Valor Real
*R 100.0, MD8 // 0% a 100%
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] BEGA, E.A. Instrumentação Industrial. 3ª ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2011;
[2] BAYER, Fernando M.; ARAÚJO, Olinto C. B. Controle automático de processos. UFSM,
Santa Maria – RS. 2011;
[3] SIEMENS. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual;
[4] BRAGA, Newton C. – Artigo “Como funciona os Encoders”, acessado em
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/5454-mec128, em jan/2016;
[5] Grayhill. Datasheet: Optical Encoders SERIES 63K;
[6] WEG, Motores Elétricos – Guia de especificação, acessado em www.weg.net;
[7] WEG, Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM – Guia técnico,
acessado em www.weg.net;
[8] BRAGA, Newton C. – Artigo “Os inversores de frequência”, acessado em
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/automacao-industrial/5443-mec125, em jan/2016;
[9] SILVA, João Manuel Gomes. Ajuste de controladores PID. Curso de extensão, UFRGS, 2000.
Acessado em http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/, em mar/2016;
[10] BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e teoria de
circuitos. 8ª Ed. São Paulo: Pretice Hall, 2007;
[11] Fairchild. Datasheet: BC548B NPN General Purpose Amplifier;
