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SENAI - CETIND
SISTEMASDIGITAIS
DECONTROLE
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Lauro de Freitas2007
SISTEMASDIGITAISDECONTROLE
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Copyright 2007 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados
TECNOLOGIA DE PROCESSOS (TEP)
Elaborao: Ildefonso Martins dos SantosEngenheiro Eletricista
Reviso Tcnica: Lus Cludio da Silva e SilvaJadson Arago Rezende Filho
Reviso Pedaggica: Janaildes Maria dos Santos
Normalizao: Talita Batista de Brito
Catalogao na Fonte (NIT Ncleo de Informao Tecnolgica)______________________________________________________________
SENAI- DR BA. Sistemas digitais de controle. Lauro de Freitas:CETIND, 2007.68 p., il. (Rev.00)
1. Sistemas Digitais de Controle 2. Controladores 3. TransmissoresI. Ttulo
CDD 621.398 1______________________________________________________________
SENAI - SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIALCETIND - CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PEDRO RIBEIROAv. Luis Tarqunio Pontes, 938 - Aracu - Lauro de Freitas - BahiaTel: (71) 3379-8200
Fax: (71) 3379-8299/ 49www.cetind.fieb.org.br
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SUMRIO
APRESENTAO1 EVOLUO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE......................................... 5
1.1 ERA PNEUMTICA................................................................................................... 5
1.2 ERA ELETRNICA.................................................................................................... 6
1.3 ERA FIELDBUS.......................................................................................................... 9
2 TRANSMISSORES INTELIGENTES .................................................................... 11
2.1 INTRODUO ........................................................................................................... 11
2.2 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR .......................................................... 11
2.3 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES.................................................................. 12
2.4 FUNCIONAMENTO................................................................................................... 13
2.5 OPERAO ................................................................................................................ 14
2.6 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO .................................................. 16
2.7 DESCRIO FUNCIONAL DO SOFTWARE.......................................................... 19
3 CONTROLADORES DIGITAIS ............................................................................. 33
3.1 HISTRICO................................................................................................................. 33
3.2 CONCEITO.................................................................................................................. 343.3 CONTROLADORES................................................................................................... 35
3.4 CONTROLADOR DIGITAL CD 600......................................................................... 36
3.4.1 Introduo..................................................................................................................... 36
3.4.2 Operao do CD600 ..................................................................................................... 37
4 SISTEMA SUPERVISRIO .................................................................................... 40
4.1 SISTEMA SUPERVISRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS................... 41
5 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD)......................... 45
5.1 CONCEITOS DE REDUNDNCIA NOS DIVERSOS NVEIS ............................... 55
5.2 PROTOCOLO HART.................................................................................................. 56
6 PARTE EXPERIMENTAL....................................................................................... 63
6.1 EXPERINCIA N0 1 ................................................................................................... 63
REFERNCIAS ......................................................................................................... 65
GLOSSRIO .............................................................................................................. 67
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APRESENTAO
Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contnua do padro de qualidade eprodutividade da indstria, o SENAI BA desenvolve programas de educao profissional e
superior, alm de prestar servios tcnicos e tecnolgicos. Essas atividades, com contedos
tecnolgicos, so direcionadas para indstrias nos diversos segmentos, atravs de programas
de educao profissional, consultorias e informao tecnolgica, para profissionais da rea
industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de
trabalho.
Este material didtico foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui
informaes que so aplicveis de forma prtica no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma
linguagem simples e de fcil assimilao. um meio que possibilita, de forma eficiente, o
aperfeioamento do aluno atravs do estudo do contedo apresentado no mdulo.
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1 EVOLUO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE
1.1 ERA PNEUMTICA
Como podemos observar na figura 1, os instrumentos pneumticos depois que foramnormalizados (definio da faixa de alimentao e de transmisso de sinal tiveram um grandedesenvolvimento no tocante a realizao de funes como a extrao de raiz quadrada,multiplicadores, somadores, rels, etc., entretanto (geralmente) cada instrumento realizavaapenas uma funo).
Figura 1 - Era pneumtica
Devemos destacar que estes instrumentos so de grande durabilidade (muitos funcionam econtrolam plantas at hoje), so verdadeiros retratos de engenhosidade da engenhariamecnica com seus foles, rels piloto, engrenagens..., porm seu tempo de resposta, sua
preciso, seu tamanho fsico e principalmente a falta de um preo competitivo em relao snovas tecnologias (inicialmente eletrnica analgica e a seguir eletrnica digital), fizeram
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com que viessem a perder espao rapidamente nos novos projetos. importante destacarneste esquemtico, a caracterstica de leitura simplificada e tambm a facilidade dediagnosticar eventuais problemas do sistema.
Certamente para os saudosistas so caractersticas que os sistemas modernos precisam cadavez mais se espelhar.
1.2 ERA ELETRNICA
Com o desenvolvimento dos semicondutores, inicialmente o transistor e depois os circuitosintegrados, a eletrnica comeou a oferecer para os projetistas de equipamentos o seu baixoconsumo e suas condies de custo/tamanho fsico cada vez mais competitivos em relao aosinstrumentos pneumticos. Para o usurio, o aumento de confiabilidade em relao eletrnica com vlvulas e as caractersticas j descritas de custo/tamanho fsico tornaram a
opo pela era eletrnica inquestionvel.
Com o advento dos microprocessadores ganhou-se a possibilidade de se ter equipamentosprogramveis, na realidade, verdadeiros computadores levados miniaturizao extrema, eassim, a possibilidade de se ter vrias funes realizadas por um mesmo instrumento. Arelao custo/benefcio tambm caiu e com o desenvolvimento desta tecnologia aumentou afacilidade de configurao/programao que, no incio, era um ponto crtico.
Podemos, entretanto, verificar que na figura 2 temos um controlador, que por sermicroprocessado (tem CPU, memrias, programvel) um computador, ao lado dotransmissor, que sendo inteligente, tambm um computador (possui CPU, memria programvel), portanto temos dois computadores, um no campo em contato com o processo,enviando a informao de uma varivel j devidamente tratada, e numa Sala de Controle ooutro computador recebendo a informao do processo, realizando uma funo de controle edepois enviando para o campo uma varivel manipulada num range de 4-20 mA para, porexemplo, posicionar uma vlvula de controle.
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Figura 2 - Controlador
lgico que esta explicao anterior no tem nenhuma novidade para quem do ramo deinstrumentao e controle de processos, mas talvez um detalhe tenha passado desapercebido:os dois computadores, o controlador de processo e o transmissor inteligente, conversamatravs de um protocolo analgico (os 4 a 20 mA) que sabemos no a maneira mais eficaz
de dois computadores conversarem, alm de que s podemos enviar uma nica informao dotransmissor para o controlador e tambm um nico sentido de direo.
Com o surgimento dos Sistemas Supervisrios passamos ento a conviver com dois patamaresdistintos de tecnologia. Na figura 3 observamos na parte de baixo os TransmissoresInteligentes enviando sua informao para os Controladores Microprocessados atravs doprotocolo 4-20 mA. Na parte superior da figura, o nvel moderno da informtica com umarede de comunicao interligando distintos computadores, tais como os controladores, oscontroladores lgicos programveis (PLC's) e os computadores clssicos (aqueles que temtelas, teclados convencionais, sadas para impressoras). Nesta rede de computadores estamosno mundo atual, em se tratando de comunicao digital entre computadores (bi-direcional,
com conversao tipo pergunta-resposta). Na parte inferior ainda o protocolo da era daeletrnica analgica com as deficincias j citadas anteriormente.
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Figura 3 - Transmissores Inteligentes enviando sua informao para os ControladoresMicroprocessados
Mesmo nos Sistemas Digitais de Controle Distribudos (SDCD's) figura 4 ainda temos estaconvivncia. O Sistema tem seus cartes de controle interligados por uma rede decomunicao digital (neste caso um protocolo proprietrio), mas a comunicao entre ostransmissores e os cartes controladores do SDCD feito com o protocolo analgico 4 a20mA.
Outro detalhe muito importante deve ser destacado nos Sistemas Digitais de ControleDistribudo, que a palavra, distribudo, se refere aos diversos cartes de controle quecompem o Sistema (praticamente um carto de controle por malha de controle), mas narealidade apesar da existncia dos transmissores inteligentes, alguns deles com capacidade decontrole, esta caracterstica no explorada e, portanto temos um sistema centralizado nadisposio dos cartes de controle e no se utiliza a distribuio do controle no campo.
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Figura 4 - Sistemas Digitais de Controle Distribudos (SDCD)
1.3 ERA FIELDBUS
A definio mais conhecida do FIELDBUS a substituio do protocolo de comunicaoanalgico (4 a 20 mA) por um protocolo digital de comunicao entre os instrumentos do
campo e os da sala de controle. Entretanto, esta parte conceitual muito mais abrangente.
Podemos comear destacando e pegando as partes boas das diversas tecnologias de controle,desde a pneumtica, onde tnhamos o controle realizado no campo, sem que o sinal tivesseque ir at a Sala de Controle e depois retornar para o elemento final de controle no campo.
Da era da eletrnica microprocessada, podemos utilizar os instrumentos inteligentes, suacapacidade de controle e a tecnologia de rede de comunicao digital entre computadores. Nafigura 5, vamos iniciar destacando uma vantagem do FIELDBUS ainda no citada at aqui.
Neste exemplo, com o uso da comunicao somente digital e da tecnologia de rede decomputadores, s precisamos de um par de fios para interligar os transmissores/controladoresFT-103, FT-102, o Transdutor de FB/P (Fieldbus/Presso) da Vlvula FCV-102 e ocomputador tambm chamado IHM (lnterface Homem-mquina) ou Workstation ousimplesmente PC. Portanto podemos notar j neste instante a grande economia de custos defiao, bandejas, e mo-de-obra de instalao dos Sistemas de Controle Fieldbus para ossistemas mais antigos (aqueles que usam protocolo analgico 4 a 20 mA, e um par de fiospara cada instrumento). Sob o ponto de vista da instrumentao clssica, seria levado a pensarque o transmissor/controlador FT-102 est fazendo o controle atuando na vlvula FCV-102.Agora na era Fieldbus, j no mais possvel pensar somente desta maneira, pois podemos teroutras possibilidades de controle:
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Figura 5 - FIELDBUS
O Transmissor/controlador FT-103 fazendo o controle atuando na vlvula FCV-102; O Transmissor/controlador FT-102 adquirindo a informao de fluxo da tubulao
A atravs do transmissor FT-103 e fazendo um controle de "Ratio" e atuando navlvula;
O Transdutor de FB/presso que pode ter tambm a capacidade de controle adquirindoas informaes de fluxo dos transmissores FT-102 e FT-103 e ele realizando ocontrole tipo "Ratio" e atuando na vlvula.
Estas so algumas das possibilidades, pois ainda poderamos explorar a capacidade decontrole da placa controladora instalada no PC, e neste caso, estar realizando um algoritmo decontrole mais complexo ou at alguma otimizao num outro computador num nvel mais
acima; ou somente utilizar o PC para visualizarmos o que est acontecendo no processoatravs de sua tela.
Veremos mais informaes sobre Fieldbus em material complementar.
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2 TRANSMISSORES INTELIGENTES
2.1 INTRODUO
O engenheiro de instrumentao e controle de processos encontra, hoje, disponvel nomercado uma enorme variedade de sistemas de controle.
Os fabricantes de equipamentos procuram superar seus concorrentes com lanamentos queoferecem maior flexibilidade para modificaes, maior facilidade para implantao desistemas de controle avanado, melhor interface homem-mquina, menor custo e maiorpreciso no tratamento das informaes.Estas caractersticas fizeram com que as variveis de controle oscilassem em torno do valordesejado dentro de margens muito mais estreitas, permitindo a otimizao destes valores, comconseqente economia de matria-prima e de energia.
Porm, o enorme avano alcanado pelos sistemas de controle nos ltimos quinze anos nofoi devidamente acompanhado pela instrumentao de campo. Os sensores e transmissoresno sofreram modificaes to significativas como a instrumentao de painel. A preciso eos recursos que os instrumentos de campo ofereciam eram bastante limitados, se comparados flexibilidade e preciso dos sistemas aos quais estavam ligados.
Recentemente uma nova gerao de instrumentos de campo surgiu para suprir esta falta: ostransmissores inteligentes. Este artigo abordar o conceito e as principais caractersticasdestes instrumentos.
2.2 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR
O instrumento que transforma a varivel medida (presso, nvel, temperatura) em um sinalpadronizado para transmisso (4-20 mA, 3-15 psi) chamado de transmissor. O transmissor,em geral, consiste de duas partes principais - o transdutor ou sensor que, no caso dostransmissores eletrnicos, transforma a varivel medida em um sinal eltrico mensurvel, e otransmissor propriamente dito, que transforma este sinal em um sinal padronizado de 4 a 20mA.
O transdutor ou sensor deveria apresentar uma correspondncia linear entre a varivel medidae o sinal de sada, conforme indicado na Figura 6 como "curva ideal". Para a maioria dossensores esta correspondncia linear s existe, nos limites aceitveis pela eletrnicaconvencional, dentro de uma certa faixa de medio (a faixa til do transmissor). Nesta faixa,a diferena entre o valor lido na curva ideal e o valor real pode ser superada ou conduzida anveis tolerveis de erros pela eletrnica. O sensor mede fora da faixa, mas a no linearidadedo sinal provoca um erro inadmissvel. Ao valor da varivel V, por exemplo, corresponder ovalor de sinal S, que seria lido no transmissor como V. A faixa do transmissor escolhida detal modo que a no linearidade possa ser compensada pelo circuito eletrnico e caia dentrodos limites de preciso do instrumento.
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Figura 6 - curva ideal
2.3 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES
Com a popularizao do uso dos microprocessadores, era inevitvel a sua utilizao nosinstrumentos de campo.
A capacidade de armazenar centenas de dados e realizar clculos complicados eramqualidades importantes demais para serem ignoradas por quem estivesse buscando para ostransmissores uma preciso maior, facilidade de operao e utilizao mais ampla.
Ento, h cerca de nove anos, surgiu nos EUA o primeiro transmissor "inteligente". Asvantagens alegadas pelo fabricante eram considerveis: maior preciso, maior rangeabilidade,maior facilidade de manuteno e melhor desempenho operacional. Em contrapartidaapresentava um preo que era quase o dobro do transmissor convencional. As vantagensalegadas eram considerveis, mas no chegaram a justificar a diferena de preo para amaioria dos usurios americanos.
Mas a situao foi se modificando. Os transmissores inteligentes passaram por uma fase deapresentao ao mercado para realmente ir para competio. O ano de 1986 foi marcado pelolanamento, por vrios fabricantes, de transmissores inteligentes para quase todos os tipos demedio. A diferena de preo em relao aos transmissores convencionais diminuiu. Oprprio fabricante pioneiro lanou um novo modelo muito parecido com o primeiro, porm
com um preo bem mais baixo. As dificuldades tcnicas iniciais foram superadas e algumas
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vantagens adicionais foram incorporadas, fazendo com que houvesse uma maior aceitaodestes transmissores.
Convm ressaltar que a fatia do mercado ocupada por estes instrumentos ainda
insignificante se comparada com a dos instrumentos convencionais. Mas, do mesmo modoque aconteceu com instrumentos digitais em outras reas, a situao deve se reverter nosprximos anos.
Assim sendo, importante para o tcnico brasileiro acompanhar a implantao destatecnologia e por esta razo sero apresentadas, a seguir, as noes bsicas de funcionamentodos transmissores inteligentes, suas caractersticas gerais e os recursos oferecidos.
2.4 FUNCIONAMENTO
Na sua verso mais simples, o transmissor inteligente funciona como um transmissorconvencional: a medio transformada em um sinal analgico de 4 a 20 mA.
Nos transmissores eletrnicos convencionais o sinal passa por um tratamento totalmenteanalgico, i.e. as funes de linearizao, extrao de raiz quadrada, limitao de sada,burnout etc, so implementadas por meio de amplificadores operacionais e componentesassociados. As caractersticas destes componentes limitam a utilizao do circuito aos trechosmais lineares da curva do sensor e, dentro deste trecho, o instrumento ainda apresentalimitaes de ganho que determinam a sua rangeabilidade (alcance mximo / alcancemnimo). A Figura 7a mostra esquematicamente o que ocorre.
Nos transmissores inteligentes, o tratamento do sinal totalmente digital, pois omicroprocessador apresenta uma enorme flexibilidade para a implementao de funesmatemticas, armazenamento de dados etc.
A Figura 7b mostra que o sinal do sensor transformado, em um dado instante, em umnmero binrio. Este nmero binrio a "leitura" de sinal do sensor. Como foi mostrado naFigura 6, a curva do sinal do sensor em funo do valor da varivel de processo, em geral, no
Figura 7a - Transmissor eletrnicoanalgico
Figura 7b - Transmissor inteligente
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linear. Esta curva pode ser dividida em uma poro de segmentos lineares e as coordenadasdestes segmentos podem ser armazenadas em uma memria programvel s de leitura(PROM).
Agindo desta forma possvel fazer corresponder ao nmero binrio, que representa o sinaldo sensor, um nmero binrio correspondente ao valor da medio. Este pequeno artifcioaumenta consideravelmente a preciso da medida, assim como amplia a faixa til do sensor.
Utilizando os mesmos recursos, a compensao de temperatura ambiente pode ser feita demaneira muito mais efetiva nos transmissores inteligentes, aumentando ainda mais a preciso.
O transmissor tem agora um nmero binrio que corresponde medida, e este nmero podeser transformado em um sinal analgico atravs de um conversar D/A. A calibrao realizada fazendo corresponder respectivamente aos nmeros que representam o incio e o fimda escala, os sinais de 4 a 20mA.
Esta caracterstica, associada ampliao da faixa til do sensor, confere ao transmissorinteligente uma rangeabilidade maior do que a dos transmissores analgicos.
2.5 OPERAO
At aqui o transmissor inteligente se parece com um transmissor analgico de altodesempenho, mas ele pode ainda oferecer uma srie de recursos atravs de uma caractersticaimportantssima dos instrumentos digitais: a comunicao digital de dados.
Atravs da comunicao digital possvel, entre outras coisas, ler diretamente a varivel, semnecessidade de passar pelo conversor D/A, e o eventual A/D do instrumento receptor. Istoaumenta ainda mais a preciso e a confiabilidade da leitura.Atravs da comunicao, e usando os recursos do microprocessador, possvel configuraruma srie de funes no transmissor:
Tipo de sensor (no caso de transmissor de temperatura, termopar tipo J, K, S etc); Extrao de raiz quadrada com cutoffvarivel; Amortecimento varivel; Tipo de burnout;
Sinal fixo; Calibrao de zero e span; Ao direto/reverso para o sinal analgico.
Da mesma forma possvel obter informaes como:
Tag do instrumento; Nmero de srie; Faixa til; Faixa calibrada;
Leitura da varivel em unidades de engenharia ( escolha do usurio) leitura datemperatura ambiente;
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Data da ltima calibrao; Diagnstico de defeitos.
Estes dados podem ser lidos e configurados atravs de um computador pessoal, de um sistema
digital de controle ou de terminais de programao. Estes ltimos receberam o apelido dechave de fenda eletrnica".
Nos transmissores inteligentes disponveis no mercado internacional existem trs tiposbsicos de acesso comunicao digital:
Atravs de um conector especial - O instrumento tem um par de terminais para a alimentaoe sinal, como nos transmissores convencionais, e um conector para programao. Como oinstrumento e o programador so intrinsecamente seguros, a calibrao pode ser feita nocampo. (Figura 8).
Figura 8 - Comunicao digital atravs de um conector especial
Atravs da simultaneidade do sinal digital com o analgico - A mesma linha que alimenta etransmite o sinal analgico serve tambm para a comunicao digital (Figura 9).Normalmente, uma no interfere com a outra. Alguns fabricantes, porm, atestam que em seusinstrumentos, quando a comunicao digital est sendo usada, o sinal analgico sofre umdesvio de, aproximadamente, +/ - 1 %.
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Figura 9 - Comunicao digital atravs da simultaneidade do sinal digital com o analgico
A comunicao exclusivamente digital - Um fabricante est ofertando instrumentos comduas possibilidades de comunicao: como descrito no item anterior ou com comunicaoexclusivamente digital. Neste ltimo caso o instrumento "fala" digitalmente com unidades decampo digitais, que recebem informaes e alimentam eletricamente um certo nmero detransmissores. As informaes destes transmissores so "empacotadas" pela unidade decampo e colocadas disposio do sistema de controle em linhas de comunicao de altavelocidade, inclusive com fibra tica.
2.6 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO
Transmissor de Presso Diferencial LD 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda)
O Diagrama de blocos do transmissor LD 301, como mostra a Figura 10 ilustraesquematicamente o funcionamento do circuito.
OsciladorEste oscilador gera uma freqncia, que funo da capacitncia do sensor.
Isolador de Sinais
Os sinais de controle da CPU so transferidos atravs do acoplador ptico, e os sinais dooscilador atravs de um transformador.
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Unidade Central de Processamento (CPU) e PROM
A unidade central de processamento (CPU) a parte inteligente do transmissor responsvelpelo gerenciamento e operao dos outros blocos, linearizao e comunicao.
O programa armazenado em uma memria PROM. Para armazenamento temporrio dosdados, a CPU tem uma memria RAM interna. Caso falte energia, estes dados armazenadosna RAM so perdidos.
A CPU possui uma memria interna no voltil (EEPROM) onde dados que devem ser retidosso armazenados. Exemplos de tais dados: calibrao, configurao e identificao de dados.A EEPROM permite 10.000 gravaes na mesma posio de memria.
EEPROM
A outra EEPROM est localizada na placa do sensor. Ela contm dados pertencentes scaractersticas do sensor para diferentes presses e temperaturas. Como cada sensor caracterizado na fbrica, os dados gravados so especficos de cada sensor.
Conversor D/A
Converte os dados digitais da CPU para sinais analgicos com 14 bits de resoluo.
Figura 10 - Sensor X Placa principal
Sada
Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Funciona como uma carga resistiva
varivel, cujo valor depende da tenso proveniente do conversor D/A.
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Modem
A funo deste sistema tornar possvel a troca de informaes entre o configurador e otransmissor, atravs de comunicao digital do tipo Mestre-Escravo.
Sendo assim, o transmissor demodula da linha de corrente a informao transmitidaserialmente pelo configurador e, aps trat-la adequadamente, modula na linha a resposta aser enviada. O 1 representa 1200Hz e 0 representa 2200Hz.
O sinal de freqncia simtrico e no afeta o nvel DC na sada de 4-20mA.
Fonte de Alimentao
Para alimentar o circuito do transmissor, utilize a linha de transmisso do sinal (sistema a 2fios).
O consumo quiescente do transmissor de 3,6 mA e durante a operao o consumo poderalcanar at 21 mA, dependendo do estado da medida e do sensor. O LD-301, em modotransmissor, apresenta indicao de falha em 3,6 mA quando configurado para falha baixa; 21mA, quando configurado para falha alta; 3,8 mA quando ocorrer saturao baixa; 20.5 mAquando ocorrer saturao alta e medies proporcionais presso aplicada na faixa de 3,8 mAa 20,5 mA. O 4 mA corresponde a 0% da faixa de trabalho e o 20 mA a 100 % da faixa detrabalho.
Isolao da Fonte
O circuito de alimentao do sensor isolado do circuito principal por este mdulo.
Controlador de Display
Recebe os dados da CPU ligando os segmentos do Display de cristal lquido. O controladorativa o backplane e os sinais de controle de cada segmento.
Ajuste Local
So duas chaves magnticas da placa principal que so ativadas magneticamente pela insero
do cabo magntico, em um dos furos no topo da carcaa, sem nenhum contato externo comelas.
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2.7 DESCRIO FUNCIONAL DO SOFTWARE
A figura 11, diagrama de blocos do software mostra o fluxo da informao pelo software etemos abaixo a descrio dos blocos.
Caracterizao de Fbrica
Calcula a presso real atravs das leituras de capacitncia e temperatura obtidas do sensor,considerando os dados de caracterizao de fbrica armazenados na EEPROM do sensor.
Filtro Digital
O filtro digital do tipo passa baixa com constante de tempo ajustvel. Ele usado parasuavizar sinais ruidosos. O valor do amortecimento o tempo necessrio para a sada atingir63,2% para uma entrada em degrau de 100%. Este valor em segundos pode ser livremente
configurado pelo usurio.
Linearizao do Usurio
Este bloco contm cinco pontos (P1 a P5) que so usados para uma eventual linearizao.
Trim de Presso
Os valores de presso obtidos no TRIM de valor inferior e de valor superior so usados paracorrigir desvio de presso do transmissor que pode ser por deslocamento de zero ou span
causado por sobrepresso, sobre-temperatura ou posio de montagem.
Calibrao
usado para fixar os valores de presso correspondentes sada de 4-20 mA.
No modo transmissor, o VALOR INFERIOR o ponto correspondente a 4 mA e o VALORSUPERIOR o ponto correspondente a 20 mA.
No modo controlador, o VALOR INFERIOR corresponde a MV=0% e o VALORSUPERIOR corresponde a MV=100%.
Funo
Dependendo da aplicao e conforme a presso aplicada, a sada do transmissor ou a PV docontrolador podem ter as seguintes caractersticas: Linear (para a medio de presso, pressodiferencial e nvel), Quadrtico (para a medio de vazo), Quadrtico de Terceira ou QuintaPotncia (para medio de vazo em canais abertos). A funo selecionada em FUNO.
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Tabela de Pontos
Este bloco relaciona a sada (4-20 mA) com a entrada (presso aplicada) de acordo com umatabela de 16 pontos.
A sada calculada atravs da interpolao destes pontos. Os pontos so determinados nafuno TABELA, em porcentagem de faixa (Xi) e em porcentagem de sada (Yi). Ela podeser usada para converter, por exemplo, uma medio de nvel em volume ou massa. Namedio de vazo ela pode ser usada para corrigir a variao do Nmero de Reynolds.
Set-point
o valor desejado da varivel de processo quando o controlador est ativado. ajustado pelooperador, na opo \CONTR\INDIC.
PID
Primeiro calculado o erro: PV-SP (AO DIRETA) ou SP-PV (AO REVERSA), emseguida feito o clculo da MV (varivel manipulada) de acordo com o algoritmo do tipo dePID. O sinal de sada do PID pode seguir uma curva determinada pelo usurio em at 16pontos, livremente configurveis. Se a tabela estiver habilitada haver uma indicao nodisplay com o seguinte caractere F(X).
Auto/Manual
O modo Auto/Manual configurado no item \CONTR\ INDIC. Com o PID no modo manual,a MV pode ser ajustada pelo operador. A faixa de ajuste limitada pelo valor INFERIOR evalor SUPERIOR (definidos pelo usurio na opo \CONTR\LIM.-SEG).
A opo POWER-ON usada para configurar o modo de operao (AUTO ou MANUAL)em que retornar o controlador, aps uma falha na alimentao.
Limites
Este bloco assegura que a MV no ultrapasse os limites mximo e mnimo estabelecidosatravs do LIMITE SUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Tambm assegura que a velocidade
no exceda o valor ajustado em SADA/SEG.
Sada
Calcula a corrente proporcional varivel de processo ou varivel manipulada, para sertransmitida na sada de 4-20 mA, dependendo da configurao no MODO-OPER.
Este bloco contm tambm a funo corrente constante configurada em SADA. A sada fisicamente limitada de 3,6 a 21 mA.
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Trim de Corrente
O ajuste (TRIM) de 4 mA e de 20 mA usado para aferir o circuito de sada do transmissorquando necessrio.
Unidade do Usurio
Converte o 0 a 100% da varivel de processo para uma leitura de sada em unidade deengenharia disponvel para o display e a comunicao.
usado, por exemplo, para obter uma indicao de vazo e ou volume de uma medida depresso diferencial ou nvel, respectivamente.
Uma unidade para a varivel pode tambm ser selecionada.
Totalizador
Usado em aplicaes de vazo para totalizar a vazo acumulada desde o ltimo reset, obtendoassim o volume ou a massa transferida.
O valor totalizado mantido, podendo continuar a totalizao mesmo aps uma queda deenergia.Apenas o valor residual da totalizao desprezado.
Display
Pode alternar at duas indicaes de variveis, como configurado em DISPLAY.
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Figura 11 - Diagrama de blocos do software: fluxo da informao pelo software
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Transmissor de Temperatura TT 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda)
O TT-301 aceita sinais de geradores de mV, tal como termopares ou sensores resistivos, taiscomo RTD's. Para isso necessrio que o sinal esteja dentro da faixa de entrada. Para mV, a
faixa de -50 a 500 mV e para a resistncia, 0 a 2000 Ohms.
Descrio Funcional - Circuito
Refira-se ao diagrama de bloco (Fig.12).
Figura 12 - Diagrama de bloco: Descrio Funcional - Circuito
Multiplexador MUX
O MUX multiplexa o sinal dos terminais do sensor para a seo condicionadora de forma aotimizar o circuito eletrnico.
Condicionador do Sinal
Sua funo aplicar o ganho correto aos sinais de entrada para faz-los adaptarem aoconversor A/D.
Conversor A/D
O conversor A/D transforma o sinal de entrada analgico em um formato digital para a CPU.
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Isolador
Sua funo isolar o sinal de dados e de controle entre a entrada e a CPU.
CPU - Unidade Central de Processamento e PROM
A CPU a parte inteligente do transmissor, sendo responsvel pelo gerenciamento e operaode todos os outros blocos: linearizao, compensao de junta fria e comunicao. Oprograma armazenado na PROM assim como os dados de linearizao para os sensores detemperatura. Para armazenagem temporria de dados, a CPU tem uma RAM interna. Osdados na RAM so perdidos se a alimentao for desligada. Entretanto, a CPU, tambm, temuma EEPROM interna no voltil onde os dados que devem ser mantidos so armazenados.Exemplos de cada dados so: dados de calibrao, configurao e identificao.
Conversor D/A
Converte o dado de sada digital da CPU para um sinal analgico.
Sada
Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor.
Ela funciona como uma carga resistiva varivel, cujo valor controlado pelo conversor D/A.
Modem
Modula um sinal de comunicao na linha de corrente. O "1" representado por 1200 Hz e o"0" por 2200 Hz. Estes sinais so simtricos e no afetam o nvel continuo do sinal de 4-20mA.
Fonte de Alimentao
Utilize a linha de transmisso do sinal (sistema a 2 fios) para alimentar o circuito dotransmissor. Este necessita de no mnimo 3,9 mA para funcionar corretamente.
Isolaoda Fonte
Sua funo isolar a fonte de alimentao entre a entrada e a CPU.
Controlador do Display
Recebe os dados da CPU informando que segmentos do Display de Cristal lquido devem serligados.
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Ajuste Local
So duas chaves que so ativadas magneticamente.
Elas podem ser ativadas pela chave de fenda magntica sem contatos mecnicos ou eltricos.
Descrio Funcional - Software
A funo de cada bloco descrita abaixo e demonstrado na figura 13.
Entrada
Calcula o valor real em Ohm ou mV proporcional ao valor, medido pelo circuito de entrada.
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Figura 13 - Descrio Funcional - Software
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Filtro Digital
O filtro digital um filtro passa baixa com uma constante de tempo ajustvel. usado paraatenuar os sinais de rudo. O valor do Amortecimento o tempo necessrio para a sada
atingir 63,2% para um degrau de entrada de 100%.
Trim de Entrada
utilizado para corrigir o valor da leitura de entrada do transmissor devido a um desvio aolongo do tempo.
Compensao e Linearizao Padro do Sensor
A medida de mV ou Ohm linearizada e compensada (junta fria) de acordo com ascaractersticas armazenadas na CPU. A CPU contm dados a respeito da maioria dos sensorespadres disponveis.
Sensor Especial
A medida de mV ou Ohm pode ser linearizada de acordo com uma tabela especificada pelocliente, onde especificado o tipo de sensor, conexo, valor superior e inferior de calibrao,span mnimo e unidade do sensor.
Calibrao
usado para ajustar os valores de processo correspondente sada de 4 a 20 mA no modotransmissor ou a varivel de processo de 0 e 100% no modo PID. No modo transmissor oVALORINFERIOR o ponto correspondente a 4 mA, e o VALOR-SUPERIOR o pontocorrespondente a 20mA. No modo PID, o VALOR INFERIOR corresponde a PV = 0% e oVALOR SUPERIOR corresponde a PV = 100%.
Gerador de Tempo
Gera o tempo a ser usado pela funo geradora de set-point. Pode ser interrompido usandoPAUSE e reinicializado usando RESET.
Set-point
O set-point pode ser ajustado ou ser gerado automaticamente atravs do gerador de SP. Aofuncionar, o gerador de set-point faz com que o SP siga valores de acordo com uma tabelapr-configurada.
PIDPrimeiro calculado o erro PV-SP ou SP-PV, dependendo de qual ao (direta ou reversa)est configurado o item AO.
++= dt
dPVTdedtTreKPMV .
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Tabela de Pontos
Este bloco relaciona a sada (%) com a entrada (%) de acordo com uma tabela de 16 pontos.A sada calculada atravs da interpolao destes pontos.
Auto/Manual
No modo Manual a MV pode ser ajustada pelo operador. A opo POWER-ON usada paraconfigurar o modo de operao (AUTO/MANUAL) em que retornar o controlador, aps umafalha na alimentao.
Limites
Este bloco assegura que a MV no ultrapasse os limites mnimo e mximo estabelecidos peloLIMITESUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Tambm certifica se a variao de sada noexceda o valor ajustado em taxa de sada. Estes valores so ajustados na opo LIMITES DESEGURANA.
Sada
Calcula a corrente proporcional varivel de processo ou varivel manipulada para sertransmitida na sada de 4-20 mA, dependendo da configurao no MODO_OPER.
Este bloco, tambm, contm a funo corrente constante configurada em OUTPUT.
Trim de Corrente
O ajuste de corrente (TRIM) de 4 mA e de 20 mA usado para aferir o circuito de sada dotransmissor quando necessrio.
Display
Alterna entre as duas indicaes, configuradas no item DISPLAY. A unidade de engenhariapara a varivel de processo pode ser selecionada em UNID.
Sensores de Temperatura
O TT-301, como explicado anteriormente, aceita vrios tipos de sensores. O TT-301 especialmente projetado para medir temperatura usando termopares ou termo-resistncias(RTD's).
Alguns conceitos bsicos a respeito desses sensores so apresentados abaixo.
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Termopares
Os termopares so os sensores mais largamente usados na medida de temperatura nasindstrias.
Os termopares consistem de dois fios de metais ou ligas diferentes unidas em um extremo,chamado de juno de medida. A juno de medida deve ser colocada no ponto de medio.O outro extremo do termopar aberto e conectado ao transmissor de temperatura. Este ponto chamado juno de referncia ou junta fria.
Para a maioria das aplicaes, o efeito Seebeck suficiente para explicar o funcionamento dotermopar.
Como o Termopar Trabalha
Quando h uma diferena de temperatura ao longo de um fio de metal, surgir um pequenopotencial eltrico, peculiar a cada liga. Este fenmeno chamado efeito Seebeck. Quandodois metais de materiais diferentes so unidos em uma extremidade, deixando aberto a outra,uma diferena de temperatura entre as duas extremidades resultar numa tenso desde que ospotenciais gerados em cada um dos materiais sejam desiguais e no se cancelemreciprocamente. Assim sendo, duas coisas importantes podem ser observadas. Primeiro: atenso gerada pelo termopar proporcional diferena de temperatura entre a juno demedio e juno de junta fria.
Portanto, a temperatura na juno de referncia deve ser adicionada temperatura da juntafria, para encontrar a temperatura medida. Isto chamado de compensao de junta fria, e realizado automaticamente pelo TT-301, que tem um sensor de temperatura no terminal dosensor para este propsito. Segundo: fios de compensao ou extenso do termopar devem serusados at os terminais do transmissor, onde medida a temperatura da junta de referncia.
A milivoltagem gerada com relao temperatura medida na juno est relacionada emtabelas padres de calibrao para cada tipo de termopar, com a temperatura de referncia0C.
Os termopares padres que so comercialmente usados, cujas tabelas esto armazenadas namemria do TT-301, so os seguintes:
NBS (B, E, J, K, N, R, S e T) DIN (L, U)
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Termoresistncias (RTDS)
Os sensores de temperatura resistivos, mais comumente conhecidos como RTDs sobaseados no princpio que a resistncia do metal aumenta com o aumento de sua temperatura.
Os RTDs padronizados, cujas tabelas esto armazenados na memria do TT-301, so osseguintes:
JIS [1604-81] (Pt50 e Pt100) IEC, DIN, JIS [1604-89] (Pt50, Pt100, Pt500 e Pt1000) GE (Cu 10) DIN (Ni 120)
Para uma correta medida de temperatura com o RTD, necessrio eliminar o efeito daresistncia dos fios de conexo do sensor com o circuito de medio. Em algumas aplicaesindustriais, estes fios podem ter extenses de centenas de metros. Isto particularmente
importante em locais onde a temperatura ambiente muda bastante.
O TT-301 permite uma conexo a 2-fios que pode causar erros nas medidas, dependendo docomprimento dos fios de conexo e da temperatura na qual eles esto expostos (veja Figura14).
Em uma conexo a 2-fios, a tenso V2 proporcional soma das resistncias do RTD e dosfios.
Figura 14 - Conexo a 2-fios
Para evitar o efeito da resistncia dos fios de conexo, recomendado usar uma conexo a 3-fios (veja Fig. 15) ou uma conexo a 4-fios (veja Fig. 16).
Em uma conexo tipo 3-fios, a corrente "I" no percorre o terminal 3 (3-fios) que de altaimpedncia.
Desta forma, fazendo V2-V1, anula-se o efeito da queda de tenso na resistncia de linhaentre os terminais 2 e 3.
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Figura 15 - Conexo a 3-fios
Em uma conexo a 4-fios, os terminais 2 e 3 tem alta impedncia de entrada.Conseqentemente, nenhuma corrente flui atravs destes fios e no h queda de tenso.
A resistncia dos outros dois fios no tem influncia na medio, que feita entre os terminais2 e 3. Conseqentemente a tenso V2 diretamente proporcional a resistncia do RTD (V2 =RTD x I).
Figura 16 - Conexo a 4-fios
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Uma conexo diferencial similar conexo a 2-fios e fornece o mesmo problema (veja aFig. 17). A resistncia dos outros dois fios sero medidas e no se cancelam, pois alinearizao afeta-os diferentemente.
Figura 17 - Conexo diferencial
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3 CONTROLADORES DIGITAIS
3.1 HISTRICO
A histria do controle automtico muito antiga e o desejo do homem sempre foi executartarefas onde ele pudesse acompanhar e efetuar algumas alteraes, convenientes, para que oproduto final atingisse uma performance considerada mais adequada para uso.
Define-se que o controle industrial tem como finalidade controlar processos e que umprocesso um conjunto de operaes destinadas a modificar material ou energia.
Essa associao de idias levou James Watt inveno do regulador de bolas em 1788 e,segundo os, historiadores, ele considerado como o precursor da tcnica de controle realimentao (feedback).
Foi o primeiro invento industrial de um sistema de realimentao negativa e consistia emvariar a vazo de vapor (Vm) em funo da velocidade do eixo da turbina (Vc) por meio deum controlador constitudo por um conjunto mvel submetido fora centrfuga e ao jogo dealavancas. O valor desejado ou set-point (SP) representado pelas molas que renem asbolas. A figura l8 demonstra um regulador de bolas idealizado por Watt.
Figura 18 - Regulador de bolas idealizado por Watt
Outro exemplo considerado to antigo quanto o regulador de bolas o moinho de vento.
Era um dispositivo destinado a trabalhos de moendas de gros que normalmente eramoperados por animais (bois, cavalos etc.) ou por escravos.
Consistia de uma nica pequena p que mantinha o ventilador do moinho direcionado aovento.
So reconhecidas como tcnicas realmente elaboradas para controle por realimentao osesforos de Nyquist em 1932 (teoria da regenerao) e Hazen em 1934 (teoria dosservomecanismos que se utilizaram de teorias desenvolvidas por Laplace antes de 1930).
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O maior dos passos da teoria de controle foi atingido durante a 2 a Guerra Mundial, onde astcnicas de servomecanismos foram desenvolvidas, para sistemas que direcionavam demaneira rpida e precisa armas pesadas e pilotos automticos.
No final da guerra as tcnicas desenvolvidas foram utilizadas para fins pacficos econtriburam para o aparecimento da teoria de controle dos sistemas lineares e suas aplicaesem sistemas gerais.
3.2 CONCEITO
A funo de um controlador em uma cadeia de controle manter a varivel controlada (Vc)no valor desejado (SP), apesar das variaes de carga ou de alimentao ou de demanda.
As funes clssicas de um controlador so: executar sua funo seguindo os passos de
reconhecer a medio da varivel, comparar com o valor desejado ou set-point previamenteestabelecido, executar uma fase de computao que se resume em aes de controle do tipoproporcional, integral e derivativo (PID) e gerar um sinal de correo que tenderia a manter avarivel controlada dentro dos limites estipulados. A figura 19 ilustra esses passos em umtrocador de calor.
Figura 19 - Passos em um trocador de calor
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3.3 CONTROLADORES
Os controladores aps uma fase de mecnica pura, foram padronizados em sinais de entrada ede sada pneumticos, cujos componentes principais eram o amplificador bico/palheta e os
foles de realimentao e de aes de controle.
Os primeiros controladores eram conhecidos como caixa grande" que tinham dimensesaproximadas de 30 cm x 40 cm.
Com a utilizao de salas de controle, os controladores foram diminuindo de tamanho echegaram a dimenses de 3 in. x 6 in. ou 72 cm x 144 cm, cujo reinado durou mais de 15anos.Os chamados controladores atuais so reconhecidos como sendo "controladoresconvencionais analgicos" ou "controladores digitais single loop ou multi loop". A diferenafundamental entre eles que o "analgico" processa informaes de forma analgica, e o
"digital" processa informaes por meio de componentes microprocessados associados acircuitos binrios.
A Figura 20 mostra um diagrama de blocos de um controlador convencional analgico. Cadafuno executada continuamente por um circuito analgico composto por componentespassivos, tais como resistores, capacitores, transistores, amplificadores operacionais etc. Osinal de entrada o mesmo que est sendo processado e que gera o sinal de sada.
Figura 20 - Diagrama de blocos: controlador convencional analgico
A Figura 21 mostra um diagrama de blocos de um controlador digital, que formado,basicamente, por circuitos condicionadores de sinal de entrada, cuja funo padronizar osinal de entrada no circuito conversor analgico/digital (A/D), uma via de dados, unidadecentral de processamento (UCP), memrias EPROM, ROM e RAM, cuja funo executar osalgoritmos de controle, um circuito conversor D/A e um circuito amplificador de sadacompatveis com os instrumentos a ele acoplados e uma interface de comunicao paraacoplamento a redes de sistemas hierarquicamente superiores.
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Figura 21 - Diagrama de blocos: controlador digital
3.4 CONTROLADOR DIGITAL CD 600
3.4.1 Introduo
O controlador Digital Multi-Loop, CD600, uma estao de controle que combina aconfiabilidade de um controle de malha simples, com a flexibilidade, a compactao e aeconomia do controle Multi-Malha.
Para o engenheiro projetista, o CD600 oferece o conceito de Bloco de Funo que combina,
no mesmo bloco, vrias funes inter-relacionadas. Estes blocos de funo oferecem todas asfunes computacionais e de controle necessrias para estratgias avanadas de controle, emuma forma muito fcil de serem usadas. Uma grande variedade de estratgias pr-configuradas de controle, disponvel em memrias do tipo plug-inou em disquetes. Novasestratgias de controle so de fcil implementao.
Para os operadores, o CD600 oferece um painel de controle amigvel com botes individuais,um display de 8 caracteres alfanumricos e um hardware confivel. Se o controlador deve serconfigurado ou se ocorrer uma falha eventual, as sadas do controlador so automaticamentechaveadas para a estao de backup independente.
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Para o pessoal da manuteno, o CD600 oferece a qualidade assegurada pelos procedimentosda norma ISO 9000. Seu projeto modular permite que o pessoal de manuteno retire todas aspeas eletrnicas sem retirar a carcaa do controlador para fora do painel de controle, e semdesmanchar a fiao de campo.
E para o gerenciamento da planta, o CD600 oferece uma modularidade eficaz de custo,informao para gerenciamento atravs da comunicao digital e integrao da planta atravsde estaes de operao ou SDCDs.
3.4.2 Operao do CD600
O painel frontal do CD600, Figura 22 apresenta 3 barras de LED's, um display alfanumrico,um grupo de teclas para ajustes e controle, e led's para sinalizao.
BARRASGRFICAS
DESCRIO
SP Indicao do Set-point do loop monitorado. Esta indicao obtida na barragrfica de 101 leds, na cor verde.
PV Indicao da Varivel de Processo do loop monitorado. Esta indicao obtidana barra grfica de 101 leds, na cor vermelha.
MV Indicao da Varivel Manipulada. Esta indicao obtida na barra grfica de41 leds, na cor vermelha.
Quadro 1 - Descrio do Painel Frontal
Como a visualizao de cada loop livremente configurvel pelo usurio, as trs barrasgrficas podem ter finalidades distintas das indicadas acima.
Figura 22 - Painel frontal do CD600
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TECLAS DESCRIOSeleciona a Varivel a ser mostrada no display alfanumrico.
Seleciona o Loop a ser mostrado no painel frontal.
Aumenta o valor da Varivel mostrada no display.
Diminui o valor da Varivel mostrada no display.
Seleciona Set-point Local ou Set-point Remoto, do loop monitorado.
Reconhecimento de Alarme.
Seleciona modo Automtico ou Manual do loop monitorado.
Aumenta o valor de MV, quando o controle est em Manual. Quando pressionada,mostra o valor da sada no display.
Diminui o valor de MV, quando o controle est em Manual. Quando pressionada,mostra o valor da sada no display.
Quando aceso, indica que o controlador est em situao de falha.
Pisca a cada 10 ciclos, durante o ajuste do tempo do ciclo (ver seo 8 - comunicao).
Quando aceso, indica que a varivel, que est sendo mostrada no display, pode ter seu
valor alterado pelas teclas e < >.1, 2, 3 ou 4- Quando aceso, indica que as variveis mostradas nas barras grficas e nodisplay referem-se ao respectivo loop.L - Quando aceso, indica que o respectivo loop est trabalhando com Set-point Local.L apagado significa que o loop est em Set-point Remoto.M - Quando aceso, indica que o respectivo loop est trabalhando no modo Manual. Mapagado significa operao em Automtico.
ou - Quando acesos, indicam a ocorrncia de alarmes de alto e baixo
Quadro 2 - Descrio das Teclas
Seleo de Loops
Um toque rpido na tecla faz com que o display mostre, por alguns segundos, o TAGdo loop que est sendo monitorado. Um toque mais demorado na tecla transfere amonitorao para o loop seguinte, e o display mostra inicialmente o TAG do novo loopmonitorado, e depois de alguns segundos uma de suas variveis.
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Reconhecimento de Alarmes
Independente do loop selecionado e da varivel que esteja sendo mostrada no display,acontecendo qualquer alarme que tenha sido programado para indicar no frontal, o display
passa a mostrar alternadamente a informao da varivel e a informao "*ALARM". Almdisso, um dos leds ou , do loop correspondente, passa a piscar.
To logo o operador pressione a tecla pela primeira vez, aparece no display o tag queidentifica a configurao, seguido da mensagem mnemnica do alarme. A mensagem ficarpiscando at que o operador pressione, novamente, a tecla , reconhecendo o alarme.Aps o reconhecimento, a mensagem e o led param de piscar, mas se a condio de alarmepersistir, a mensagem permanecer.
Quando a condio de alarme deixar de existir o display passa a indicar a mensagem "NOALARM" e o led apaga.
O reconhecimento de alarme tambm pode ser feito automaticamente, ou seja, ao sair dacondio de alarme a mensagem desaparece, no sendo necessrio o reconhecimento, pelooperador, na tecla .
Enquanto o alarme est presente, a mensagem de alarme fica armazenada numa memria depilha, com capacidade para at 36 mensagens de alarme.
Atravs das teclas e < >, o operador pode rodar as informaes contidas na memria,checando se existe ou no outros alarmes presentes.
Dentre as mensagens de alarme que podem ser visualizadas no display, 8 podem ser escritaspelo usurio e as demais so mensagens fixas.
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4 SISTEMA SUPERVISRIO
A importncia dos sistemas digitais de superviso e controle de processos aumenta a cada dia,e seu uso j atinge todos os tipos de indstria. Desde o cho de fbrica at as mesas de
gerentes e diretores, o acesso a informaes atualizadas e precisas sobre o processo produtivo,apresentadas de forma coerente com as necessidades de cada usurio, hoje um fator decisivona melhoria da qualidade e eficincia das empresas.
A introduo dos microcomputadores provocou uma verdadeira revoluo no mercado decontrole de processos, alterando a postura de grandes Fabricantes e trazendo incontveisbenefcios para os usurios finais. Mesmo empresas de pequeno porte contam hoje comsistemas abertos, flexveis de baixo custo e alta performance, que permitem integrarequipamentos e produtos de diversos fornecedores, assegurando a competitividade de preos ea independncia do usurio.
A disseminao desses sistemas nas indstrias trouxe consigo um novo desafio para osengenheiros e tcnicos: conhecer e dominar o software de superviso e controle, alm deserem responsveis pela escolha do software a ser utilizado. Essa escolha nem sempre simples, uma vez que o software mais difcil de caracterizar, especificar e avaliar que umsensor, uma vlvula ou um computador. No entanto, o software to ou mais importante parao sucesso de um sistema quanto o hardware associado.
A maioria desses programas modular, permitindo ao usurio adquirir apenas os mdulosnecessrios a cada aplicao, reservada a possibilidade de expanso futura. Numa instalaoindustrial, junto com o programa aplicativo, pode-se instalar o sistema supervisrio na sala de
controle. Neste supervisrio tem-se um microcomputador, com o sintico do processodesenhado na tela do monitor. O sistema supervisrio faz a aquisio de dados nosdispositivos de entrada (PLCs, controladores single e multi-loop, etc), transferindo o statusde operao de cada dispositivo para a tela do monitor. Atravs do teclado, destemicrocomputador, pode-se ligar ou desligar equipamentos, alterar abertura de vlvulas decontrole, etc. O sistema supervisrio faz uma atuao no PLC ou controlador, transferindo osdados para cada equipamento que est no programa do destes. O operador liga/desligaequipamentos atravs do teclado, altera set-point, arquiva relatrios e grficos relativos produo.
Os programas de superviso e controle so utilizados em salas de controle, permitindo aos
operadores supervisionar e controlar toda uma rea de processo, ou, em alguns casos, atmesmo toda a fbrica. Apresentam as seguintes caractersticas:
interface grfica sofisticada, com recursos para simular um painel de controle atravs domicro (botoeiras, grficos de barra, mostradores, registradores grficos, etc. );
facilidade de operao, uma vez que so destinados aos operadores no cho de fbrica. Emgeral, este tipo de programa roda em micros industriais e so operados em tecladosdedicados de membrana ou do tipo "touch screen";
tempo de resposta rpido, da ordem de um segundo; capacidade de processamento dos dados adquiridos, permitindo clculos sofisticados,
otimizaes e simulaes de processo; emisso de relatrios configurveis pelo usurio; grande capacidade de registro histrico das variveis;
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mdulos para controle estatstico de processo, programao de set-point, gerenciamento dereceitas, etc.
capacidade de ligao em rede local para troca de dados em tempo real com outrossistemas.
4.1 SISTEMA SUPERVISRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS
O AIMAX-WIN (A-WIN) um software robusto e poderoso de Interface Homem-Mquina(IHM). Ele continuamente coleta e integra dados a partir de mltiplas fontes. As interfacesso disponveis para uma gama de controladores programveis, controladores single e multi-loop e uma variedade de dispositivos de entrada e sada.
O sistema de superviso e controle da planta est configurado como ilustrado na figura 23.
Figura 23 - Sistema de superviso e controle da planta
ECL'S 1, 2, 3, 4 e 5 - Controladores multi-loop CD 600.
As figuras 24 a 29 ilustram as telas normalmente utilizadas em sistemas supervisrios.
ECL ECL ECL ECL ECL
RS 232RS
Interface
Impressor
PENTIUM
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Figura 24 - Tela de sintico
Figura 25 - Tela de grupo
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Figura 26 - Tela de ponto (sintonia)
Figura 27 - Tela de ponto (sintonia)
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Figura 28 - Tela de alarme
Figura 29 - Tela de alarme
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5 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD)
O termo "distribudo" aplica-se s funes do Sistema (distribuio funcional), sem excluir adistribuio fsica dos componentes do sistema. Ao contrrio, enfatizando-a.
Os SDCD's figura 30. So compostos de quatro subsistemas:
Subsistema de Controle Local; Subsistema de Superviso e Otimizao; Subsistema de Monitorao e Operao; Subsistema de Comunicao Local.
Figura 30 - SDCD's
De uma maneira geral, as funes exercidas por um SDCD podem ser estruturadas de maneirahierrquica, sendo definidos diversos nveis de atividades. Estes nveis so identificados deforma a permitir a realizao das funes de controle integrado, tirando proveito dascaractersticas de distribuio de mdulos autnomos e com finalidade de restringir acomplexidade das funes implementadas por um determinado nvel. Esta mesma estruturahierrquica responsvel em grande parte, pela grande modularidade e expansibilidade dossistemas.
Pode-se identificar na figura 31 cinco nveis de atividades presentes em um SDCD:
Nvel 0: - aquisio de dados e atuaoNvel 1: - regulao de malha nica e funes de intertravamentoNvel 2: - regulao de malhas mltiplas e funes de controle de seqncia de eventosNvel 3: - otimizao
Nvel 4: - sistema de gerenciamento de informaes.
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Figura 31 - Estrutura hierrquica de um sistema de controle de processos
De modo a caracterizar um SDCD, vamos agrupar os elementos que o compem em quatrosubsistemas de acordo com as suas caractersticas funcionais, e mostrar como o atendimentoaos nveis hierrquicos acima se coaduna com a caracterizao proposta. Veja figura 32.
O primeiro subsistema aquele que est diretamente ligado ao processo, a que denominamos
Subsistema de Aquisio de Dados e Controle. A sua principal finalidade a realizao dasfunes de controle, que so exercidas pelas Estaes de Controle Local (ECL, Nveis 0, l e2).
O segundo subsistema denominado de Subsistema de Monitorao e Operao. Nele seconcentra a maior parte das funes de interface homem-mquina (nvel 3).
Ao terceiro subsistema denominamos de Subsistema de Superviso e Otimizao. onde sorealizadas as funes de otimizao e gerenciamento de informaes (nveis 3 e 4).
Para que seja possvel a realizao de um controle integrado, necessrio que exista umainfra-estrutura de comunicao entre os diversos subsistemas. O quarto grupo decomponentes denominado de Subsistema de Comunicao, necessrio integrao dosdiversos mdulos autnomos do sistema.
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Figura 32 - Modelo de referncia de um SDCD
Subsistema de Aquisio de Dados e Controle (SADC)
Oobjetivo deste grupo de elementos promover a interface direta com o processo e realizar
as funes de controle local.
importante ressaltar a caracterstica de autonomia destes mdulos, pois mesmo na ausnciadas funes de nveis superiores ele deve continuar operando as funes de controle, emborapodendo estar degradado segundo algum aspecto especfico.
Este subsistema apresenta, na maioria dos SDCDs disponveis no mercado, alm dosalgoritmos de controle do tipo P-I-D, disponveis na instrumentao analgica convencional,uma variada gama de funes que inclui, por exemplo:
Controle multivarivel; Algoritmos de nvel superior; Controle "feed-forward"; Controle de seqncia; Controle lgico; Intertravamento; Soma, subtrao, multiplicao e diviso; Raiz quadrada; Logaritmo; Alarmes; "Logging"; Etc.
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Dele tambm fazem parte os cartes de interface de entrada e sada com o processo, taiscomo:
Entradas e sadas analgicas
Entradas e sadas digitais Entradas de pulsos Multiplexadores Conversores A/D e D/A Etc.
Este subsistema contm tambm as placas de memria que armazenam os microprogramasdas funes executveis, das rotinas de diagnsticos de falha, das rotinas de "back-up", etc...,as placas de mdulos para redundncia parcial ou total e os circuitos necessrios seguranaintrnseca.
No nvel deste subsistema poder ou no haver um subsistema de monitorao e operaolocal simplificado, conforme mostrado no modelo de referncia. Este subsistema interfaceia-se com os subsistemas de comunicao e com um eventual subsistema simplificado demonitorao e operao local.
Subsistema de Comunicao
O Subsistema de Comunicao uma rede local de comunicaes (RL) necessria paraestabelecer a intercomunicao dos demais subsistemas.
Mais precisamente, considera-se que uma rede "local" em funo de dois parmetros:distncia mxima entre os seus ns e velocidade de transmisso. De acordo com a definiodo Comit de Normalizao de Redes Locais do IEEE/Projeto 802, "RL aquela em que asdistncias entre os ns vo desde os l00m at l0km e a velocidade de transmisso est entre100 kbps e 20 Mbps.
Adota-se neste trabalho uma definio rigorosamente igual do IEEE no tocante distnciaentre os ns mas, mais tolerante a velocidade superiores a 20 Mbps, j que esta uma rea emrpido desenvolvimento, tanto nos meios de transmisso (fibras ticas, etc.) como noscomponentes eletrnicos.
Uma RL apresenta as seguintes vantagens:
Baixo custo de transmisso para altas velocidades de comunicao digital, emcomparao com os altos custos de transmisso em uma rede pblica;
Baixo custo do meio de transmisso, j que esta uma linha privada (um simples partranado pode atingir velocidade de comunicao ponto-a-ponto de at l0 Mbps emdistncias de alguns quilmetros entre repetidores);
Comunicao tpica em banda-base, em contraste com a portadora modulada das redespblicas;
Estratgia de controle de acesso rede e protocolo de comunicao extremamentesimplificados, em relao s estratgias e protocolos tipo X.25 das redes pblicas;
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Processamento paralelo em relao a sistemas centralizados e distribuio doprocessamento para os locais fsicos onde ele necessrio, como, por exemplo, junto aousurio ou processo.
So elementos bsicos de uma RL:
Arquitetura ou padro de interconexo de seus ns, que normalmente resume-se a:estrela, anel, barramento e combinaes mltiplas;
O meio de transmisso, que pode ser par tranado, cabo coaxial, cabo CATV ou fibratica, e o tipo de transmisso mais adequado dentre banda-base e faixa larga ("broad-band");
A estratgia de controle de acesso, mais implementada em anis e em barramento,acabou consagrando por questes de custo e simplicidade as estratgias de barramentocom conteno, barramento com passagem de marca e barramento com controlecentralizado, as duas ltimas em Controle de Processos;
A interface da rede com as estaes locais, responsvel por todas as funes do sistemade comunicao, como: transmisso e recepo de mensagens, armazenamentointermedirio, e deteco e recuperao de erros tambm a interface que implementaos nveis mais baixos do protocolo de comunicao;
O protocolo de comunicao, normalmente estruturado em sete nveis segundo arecomendao ISO: controle fsico, controle de enlace, controle da rede, transporte,
seo, apresentao e aplicao. Prefere-se neste trabalho adotar a estrutura darecomendao ISO em contraste com outras propostas, como o PROWAY, por exemplo,por ser esta a estrutura mais aceita e implementada na comunidade de informtica, daqual faz parte o setor de Controle de Processos. O PROWAY um padro universal decomunicaes para controle de processos, atualmente em elaborao pelo IEC com aparticipao das associaes de normas tcnicas de todos os paises-membros, dentre eleso Brasil.
Em alguns dos SDCD disponveis no mercado os subsistemas de comunicao apresentammeio de comunicao redundante, com transferncia automtica para a rede de "back-up" emcaso de falha da principal.
Subsistema de Monitorao e Operao
Este subsistema trata especificamente da interface homem-mquina.
Por interface homem-mquina entendemos os dispositivos de "Hardware" que fornecem aooperador um maior controle e um melhor nvel de informao sobre a condio de operaoda planta, reduzindo o seu esforo atravs da simplificao dos procedimentos operacionais.
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So caractersticas normalmente existentes num subsistema de operao e monitorao:
Fornecer ao operador um conjunto de informaes sobre o estado de operao da planta,atravs de um nmero de estaes de operao suficiente para atender a todas as
variveis de interesse do processo; Fornecer ao operador em tempo hbil, informaes num formato que evidencie a
ocorrncia de condies excepcionais de operao ("gerncia por exceo"), para queprovidncias imediatas possam ser tomadas;
Permitir que variveis de processo sejam agrupadas de maneira que o operador possarealizar uma anlise comparativa entre variveis constituintes de cada grupo;
Permitir ao operador a visualizao de informaes em detalhe crescente, dependendodo quanto ele precisa saber ou do quanto ele precisa mudar para corrigir as falhas doprocesso;
Possibilitar o uso simultneo de vrias estaes de operao para que todas as funesdisponveis possam ser utilizadas em todas as estaes de operao e estas possam serinstaladas em locais diferentes.
"Encapsular" procedimentos de operao de forma que seja mais segura e veloz a resposta dooperador ocorrncia de uma irregularidade na planta. Encapsulamento consistebasicamente da utilizao de tcnicas funcionais. Essas teclas determinam, quandopressionadas, o acionamento de procedimentos de operao, de sorte que toda uma seqnciade operaes possa ser substituda por apenas uma operao.
Como teclas funcionais normalmente disponveis num SDCD, citamos:
Teclas de Controle
Transferncia de modo operao manual/computador dos "loops" de controle; Ajuste de "set-point" lento e rpido; Aumento/decrscimo de "set-point" ou de variveis manipuladas; Confirmao de operao efetuada; Fechamento de "loop" em cascata; cancelamento de operao efetuada; Etc...
Tecias de Operao
Solicitao de impresso de relatrios; Reconhecimento de alarmes/silenciamento de campainha; Seleo de telas; Cancelamento de relatrios e de telas; Posicionamento do cursor; Entrada de dados; Mudana de pgina para frente e para trs;
Exibio de trechos de fluxogramas de processo; Criao/alterao/cancelamento de trechos de fluxogramas de processo;
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Exibio/ajuste de data e hora; Seleo e exibio de grupos de variveis; Seleo de tela de ajuste de parmetros de controle de um "loop"; Seleo de tela de alarmes; Solicitao de "Hard-copy"; Tabulao; Calibrao de variveis durante a manuteno; Solicitao de tela de tendncia de variveis; Associao de registradores grficos a variveis; Etc...
Teclas de Manuteno
Reativao de estao de controle e aquisio aps parada para manuteno;
Carregamento de informao em estao de controle e aquisio situada no campo; Armazenamento de informao de estao de controle e aquisio situada no campo; Seleo de estao de controle e aquisio situada no campo; Parar/ativar uma estao de controle e aquisio; Etc...
Alm destas, existem teclas de manuteno utilizadas somente para sinalizao indicandosituaes de alarme diversas tais como: falha do sistema, falha de uma estao de controle eaquisio qualquer, falha de comunicao com o subsistema de comunicao local, etc...
Normalmente, os SDCDS utilizam uma filosofia de gerncia por exceo, mostrandoinformaes suficientes para o operador saber que tudo corre bem.
Quando as condies saem do normal, maiores detalhes podem ser mostrados ou solicitados.As informaes so apresentadas sob a forma de telas grficas e relatrios. As telas erelatrios so claras e sucintas. O acmulo de informaes na tela pode prejudicar avisualizao das condies excepcionais.
As caractersticas bsicas em termos de telas so as seguintes:
Tela de situao geral: Mostra um painel de controle simulado a uma distncia de 3 a 5
metros, apresentando de forma bastante simplificada um total de, no mximo, cerca de300 controladores/indicadores, dispostos em grupos lgicos, arranjados de forma a que ooperador identifique facilmente a condio normal.
Tela de grupos lgicos -. Mostra um painel a uma distncia simulada de l a 2 metros,apresentando um grupo lgico de at 8 controladores/indicadores, permitindo aooperador verificar mais em detalhe uma seo da planta que precisa ateno, mostrandomais informaes dos "instrumentos" no vdeo.
Ex: "set-point", valor de processo, sada para vlvula, desvios do "set-point" e dos valores dealarme.
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Tela de "loop" individual: Apresenta um nico "loop" de controle, mostrandoinformaes adicionais e permitindo ao operador ajustar os parmetros da varivel, taiscomo, limites de alarme, "set-point", modo de operao (manual ou automtico) eparmetros de controle.
Tela de tendncia tempo-real: Mostra, numa representao grfica e sempre atualizada,a tendncia das variveis de processo nos ltimos 10 a 20 minutos. desejvel quepossam ser mostrados simultaneamente os grficos de tendncia de mais de umavarivel do processo.
Tela de tendncia histrica: Mostra, numa representao grfica, a tendncia dasvariveis de processo ao longo de perodos maiores tais como, horas, dias e meses. Soapresentados os valores mdios nos perodos em questo e o grfico no atualizado notempo.
Telas de trechos de fluxogramas de processo: Mostram graficamente sees de umfluxograma com os valores das variveis de processo e "set-points", atualizadoscontinuamente. Os fluxogramas podem apresentar caractersticas adicionais quepossibilitem um melhor entendimento dos mesmos, tais como indicao de variaes denvel e indicao de alarmes, atravs da alterao da cor de pores do grfico.
Tela de sumrio de alarmes: Tabela alfanumrica contendo os alarmes ativos, seusestados, reconhecidos ou no, e sua condio de alarme, crtico ou no.
Condies de alarmes tambm podem ser visualizados nas telas de situao geral, grupo
lgico e "loop" individual. Quaisquer mtodos podero ser utilizados para notificar o operadorda ocorrncia de alarmes, como por exemplo:
Sinais sonoros; Uso de simbologia diferenciada; Alterao de cores de regies da tela.
Em termos de relatrios, normalmente esto disponveis os seguintes:
Momentneo: Emitido a pedido do operador, apresentando as variveis de processo,seus "tags", valores e situao do "loop".
Registro de alarmes e de eventos de operao: Impresso automtica das ocorrncias dealarme em variveis de processo, mudanas de situao em "loops" de controle,alteraes de parmetros realizadas pelo operador ou anormalidades no sistema.
"Logging" de variveis do processo: Emitidos automaticamente ou a pedido, inclueminformaes sobre variveis num perodo considerado, que pode ser de uma hora, umturno, um dia ou um ms. Em alguns casos o seu contedo pode ser especificado pelousurio.
Cpias de telas: Emitidas a pedido do operador.
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Relatrio de Alarmes pendentes: Apresenta todos os alarmes pendentes e a sua situao.
Outro importante elemento do subsistema de operao e monitorao o modo configurao,atravs do qual montado e alterado, quando necessrio, o conjunto de informaes que sero
utilizadas no funcionamento do Sistema Digital de Controle Distribudo.
O modo configurao indispensvel num Subsistema de Monitorao e Operao e suascaractersticas normais so as seguintes:
Modo de operao interativo, possibilitando ao operador, atravs do terminal de vdeocom teclado, interagir com o sistema atravs de linguagem do tipo "fill-in-the-blanks".
Possibilidade de definio e de alterao da configurao de cada indicador e "loop" decontrole, incluindo: endereo da varivel de entrada; velocidade de varredura; variveiscom controle ou clculo; endereo da sada das vlvulas; "set-points" e parmetros decontrole; tipos e valores de alarme; algoritmos de controle e clculo (Cascata, "Feed-Forward", Relao, Seleo de sinal, Adio/Subtrao, Multiplicao/Diviso)
Possibilidade de definio do sequenciamento de operaes de processos em batelada;
Possibilidade de definio e de gerao de trechos de fluxogramas de processo atravsde linguagens especficas ou de utilizao da prpria tela para gerao dos desenhos.No caso de utilizao da prpria tela como ferramenta de especificao de fluxograma,ser necessrio um teclado com indicao de caracteres grficos. Esse teclado deverfornecer ao operador a possibilidade de criar um fluxograma, especificando cores e
outros atributos dos smbolos que constituiro o fluxograma e smbolos da biblioteca desmbolos a serem inseridos no fluxograma.
Subsistema de Superviso e Otimizao (SSO)
O Subsistema de Superviso e Otimizao (uso opcional), consiste de um minicomputadorcapaz de executar as funes de superviso total do sistema, otimizao do processo e agerao de relatrios gerenciais.
Suas principais funes e caractersticas so as seguintes:
Formatar e mostrar nas telas dos consoles de vdeo as informaes necessrias para ooperador conhecer o estado da planta;
Formatar e indicar condies de alarme nos consoles de vdeo e imprimi-las numaimpressora de alarmes, se necessrio;
Coletar dados atravs dos subsistemas de controle e aquisio e registr-los em meiosmagnticos, tais como memrias de tambor ou disco, para mostr-los instantnea ouposteriormente nos consoles de vdeo ou imprimi-los nas impressoras de logging;
Formatar e mostrar desenhos grficos similares aos fluxogramas de processos; Realizarclculos para atingir um ou mais objetivos de otimizao da planta ou de consumo deenergia e analisar a performance da planta ou equipamentos.
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A exceo desta ltima, todas as demais funes podem j estar presentes no subsistema demonitorao e operao. Neste caso, o subsistema de superviso e otimizao reservar maiorcapacidade para os programas de aplicao do usurio, tais como alguns relatrios especiais,balanos de massa energia, otimizaes, etc.
As caractersticas bsicas do "Hardware" do Subsistema de Superviso e Otimizao so:
Adequabilidade em termos de recursos para aplicaes e tempo-real; Possibilidade de conexo ao Sistema via subsistema de comunicao (comunicao
serial de alta velocidade); Utilizao de tecnologias MSI, LSI ou VLSI nos seus principais circuitos; Tamanho de palavra de, no mnimo 16 bits; Relgio de tempo real com erro menor que 15 seg/por dia; Disponibilidade de recursos para interrupo externa por "Hardware";
Disponibilidade de recursos para partida automtica aps falha e normalizao daalimentao ("automatic power-on, restart);
O "Software" de um subsistema de superviso e otimizao, pode ser subdividido em 3 tipos:
Sistema operacional; "Software" de Controle de Processos (em linguagem "Suilding Slocks"); "Software" de Aplicao (em linguagem de alto nvel, tipo FORTRAN, EXCEL, etc.).
Normalmente, o subsistema de superviso e otimizao permite o desenvolvimento de"Software" de aplicao ou mesmo, de "Software" de Controle de Processo em "background",
sem interrupo do Sistema de Controle, facilitando a alterao de configuraes de controle,clculos de performance, equaes de balano material e de energia, etc.
Vantagens
Selecionamos aqui algumas vantagens apontadas por usurios de sistemas digitais de controledistribudo.
Elevada confiabilidade, garantida por:
Um subsistema de comunicao redundante; Disponibilidade de mdulos de"backup", "on-line" ou "spare" (baixo custo dos
microprocessadores); Rotina de autodiagnstico.
Elevada flexibilidade de configurao e reconfigurao:
Baixo custo de reconfigurao (engenharia, instalao, etc.); Facilidade de alterao da estratgia de controle; Utilizao de consoles de vdeo com linguagem interativa.
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Interface homem-mquina de alto nvel:
Uso de consoles de vdeo semigrficos a cores, tecias funcionais, linguagem interativa; Fcil aprendizado pelos operadores;
Telas padronizadas de fcil compreenso e manipulao; Relatrios impressos; Acesso a maior nmero de informaes e execuo de maior nmero de funes.
Menores custos de instalao:
Custos de fiao drasticamente reduzidos; Menores painis e salas de controle; Menores problemas com interferncia por induo em sinais DC de baixo nvel.
Maior facilidade de interligao com computadores digitais:
Interface facilitada pelo uso de um "data highway"; Alivia carga de CPU do computador na medida em que as funes encontram-se
distribudas nos microcomputadores.
Menores custos de desenvolvimento de "Software":
Grande nmero de funes previamente programadas em "firmware".
5.1 CONCEITOS DE REDUNDNCIA NOS DIVERSOS NVEIS
Redundncia para Estao de Operao
Normalmente no existe redundncia da unidade eletrnica em si. O que se via so duasEstaes de Operao com aplicaes distintas, porm internamente com a mesmaconfigurao, inibindo as funes de uma aplicao numa das Estaes e vice-versa, ehabilitando-se, em caso de falha. numa das Estaes. A capacidade de Base de Dados de cadaEstao deve atender s duas aplicaes.
Alguns fornecedores possuem a Estao de Operao dividida em dois mdulosindependentes onde esse segundo mdulo funciona como um mdulo partilhado por diversasEstaes de Operao. Neste caso, dependendo dos requisitos de redundncia deve-seduplicar esse modulo.
No conceito de 2 Estaes funcionalmente redundantes deve-se tambm duplicar elementosde armazenamento de dados (unidades de disco e fita) e impressora de alarmes.
Redundncia para Via de Dados
No nvel de Via de Dados, interligando Estaes de Operao e Controladores, normalmente
essa via padro obrigatrio ser redundante. No caso de vias de dados interligando cartes
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de E/S locais ou remotos ao controlador, essa via de comunicao pode ou no ser redundantedependendo da necessidade.
Barramentos de campo, quando disponveis, ligando instrumentos a cartes de E/S, no so
redundantes.
Interfaces de comunicao geral e redes de nvel superior (tipo ETHERNET), normalmenteno so e nem podem ser redundantes.
Redundncia para Controlador
O controlador pode apresentar redundncia em diferentes nveis:
CPU - Pode ser redundante e com chaveamento automtico sem causar perturbao aoprocesso.
Fonte de Alimentao - Podem ser redundantes e normalmente trabalham em paralelo.
Cartes de E/S - Podem ser redundantes, porm dependendo do fornecedor a redundncia ou no transparente ao nvel de fiao de campo aos cartes e em nvel de configurao.Normalmente este tipo de redundncia aplicvel somente a casos especficos, visto quetambm deveriam ser duplicados os instrumentos de campo para total segurana.
5.2 PROTOCOLO HART
Introduo
O protocolo de comunicao HART mundialmente reconhecido como um padro daindstria para comunicao de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA,microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmentetodos os maiores fabricantes de instrumentao mundiais oferecem produtos dotados decomunicao HART. O protocolo HART permite a sobreposio do sinal de comunicaodigital aos sinais analgicos de 4-20mA, sem interferncia, na mesma fiao. O HARTproporciona alguns dos benefcios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidadecom a instrumentao analgica e aproveitando o conhecimento j dominado sobre os
sistemas 4-20mA existentes. Este informativo traz uma viso resumida sobre o protocoloHART e os benefcios disponveis atravs desta importante tecnologia.
Comunicao Analgica + Digital
H vrios anos, a comunicao de campo padro usada pelos equipamentos de controle deprocessos tem sido o sinal analgico de corrente, o miliampre (mA). Na maioria dasaplicaes, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente varivel de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos deplantas usam esse padro internacional para transmitir a informao da varivel de processo.
O protocolo de comunicao de campo HART estende o padro 4-20mA ao permitirtambm a medio de processos de forma mais inteligente que a instrumentao de controle
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analgica, proporcionando um salto na evoluo do controle de processos. O protocoloHART promove uma significativa inovao na instrumentao de processos. Ascaractersticas dos instrumentos podem ser vistas via comunicao digital que so refletidasna denominao do protocolo, HART, que significa Highway Addressable Remote
Transducer.
O Protocolo HART possibilita a comunicao digital bidirecional em instrumentos decampo inteligentes sem interferir no sinal analgico de 4-20mA. Tanto o sinal analgico 4-20mA como o sinal digital de comunicao HART, podem ser transmitidossimultaneamente na mesma fiao. A varivel primria e a informao do sinal de controlepodem ser transmitidos pelo 4-20mA, se desejado, enquanto que as medies adicionais,parmetros de processo, configurao do instrumento, calibrao e as informaes dediagnstico so disponibilizadas na mesma fiao e ao mesmo tempo. Ao contrrio dasdemais tecnologias de comunicao digitais abertas para instrumentao de processos, oHART compatvel com os sistemas existentes.
A Tecnologia HART
O Protocolo HART usa o padro Bell 202, de chaveamento por deslocamentos defreqncia (FSK) para sobrepor os sinais de comunicao digital ao de 4-20mA. Por ser osinal digital FSK simtrico em relao ao zero, no existe nvel DC associado ao sinal eportanto ele no interfere no sinal de 4-20mA. A lgica 1 representada por umafreqncia de 1200Hz e a lgica 0 representada por uma freqncia de 2200Hz, comomostrado nas figuras 33 e 34.
O sinal HART FSK possibilita a comunicao digital em duas vias, o que torna possvel a
transmisso e recepo de informaes adicionais, alm da normal que a varivel deprocesso em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART se propaga h umataxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicao tipomestre possibilitando duas ou mais atualizaes por segundo vindas de um nicoinstrumento de campo.
Figura 33 - Lgica 1 representadapor uma freqncia de 1200Hz
Figura 34 - Lgica 0 representadapor uma freqncia de 2200Hz
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Flexibilidade de Aplicao
O HART um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento decampo (escravo) somente responde quando perguntado por um mestre. Dois mestres
(primrio e secundrio) podem se comunicar com um instrumento escravo em uma redeHART. Os mestres secundrios, como os terminais portteis de configurao, podem serconectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos decampo sem provocar distrbios na comunicao com o mestre primrio. O mestre primrio tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribudo), um CLP (ControladorLgico Programvel), um controle central baseado em computador ou um sistema demonitorao. Uma instalao tpica com dois mestres mostrada na figura 35.
Figura 35 - Instalao tpica com dois mestres (Sinal analgico + Comunicao digital)
O Protocolo HART pode ser usado de diversas maneiras para trocar informaes de/parainstrumentos de campo inteligentes a controles centrais ou equipamentos de monitorao. Acomunicao mestre/escravo digital, simultnea com o sinal analgico de 4-20mA a maiscomum. Este modo, descrito na figura 36, permite que a informao digital proveniente doinstrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20mA contnuo e carrega a varivel primria para controle.
Figura 36 - Mestre/Escravo ou Resposta por Varredura
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Uma modalidade opcional de comunicao, que pose ser vista na Figura 37, o burst, quepermite que um nico instrumento escravo publique continuamente uma mensagem deresposta padro HART. Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando desolicitao para atualizar a informao da varivel de processo.
Figura 37 - Modo Burst ou Broadcast (publicao)
A mesma mensagem de resposta HART (PV ou outra) continuamente publicada peloescravo at que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualizao dedados de 3-4 por segundo tpica no modo de comunicao do tipo burst e poder variar deacordo com o comando escolhido. O modo burst s pode ser usado quando existe um nicoinstrumento escravo na rede.
O Protocolo HART tambm tem a capacidade de conectar mltiplos instrumentos de campopelo mesmo par de fios em uma configurao de rede multidrop, como mostrado na figura38. Em aplicaes multidrop, o sinal de corrente fixo, ficando somente a comunicaodigital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo fixada no valormnimo para alimentao do instrumento (tipicamente 4 mA) e no representa nenhumsignificado relativo ao processo.
Figura 38 - Modo Burst ou Broadcast (publicao)
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