Diagrama de blocos (1)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CONTROLE DE PROCESSOS QUÍMICOS DOCENTE: Dr. FABIO ALEJANDRO CARVAJAL FLOREZ DISCENTE: MATHEUS HENRIQUE SILVA CAVALCANTE
DIAGRAMA DE BLOCOS EM MALHA FECHADA DE UM PROCESSO DE CONTROLE DE NÍVEL DE UM TANQUE
São Luís 2021
1. INTRODUÇÃO
O ato de controlar está inerente as tarefas exercidas pelos seres vivos, podendo ser feito de forma natural ou artificial. Atualmente, há uma forte tendência para a área de controle automático de processos em busca de melhorar a qualidade e/ou a quantidade dos produtos ou serviços gerados, permitindo que haja processos complexos que não poderiam ser realizados pelo controle manual.
Um sistema de controle é um arranjo de dispositivos físicos, interligados de forma a comandar, dirigir ou autorregular um processo. Na Engenharia e na Ciência, usualmente o significado de sistema de controle está relacionado com as aplicações de comandar, dirigir ou regular dinamicamente ou ativamente, sendo importante salientar que esses sistemas não são apenas os que são fabricados por pessoas, mas também os que já existem na natureza e os sistemas que possuem componentes artificias e naturais [2].
As relações matemáticas para sistemas normalmente são expressas por diagrama de blocos. Com esses diagramas podemos ter uma visão mais simplificada e direta dos processos que estão sendo estudados, sendo possível representar um sistema complexo a partir dos desenhos esquematizados dos componentes, juntamente com as suas ligações e operações [1]. Os sistemas de controle se dividem em dois tipos: os sistemas de malha aberta e os sistemas de malha fechada [3]. Um sistema de controle de malha aberta tem como característica o fato de que a ação de controle é independente da saída e sua capacidade de desempenho é medida pela sua calibração. Enquanto que um sistema de controle de malha fechada é aquele no qual a ação de controle depende da saída. Os sistemas de controle de malha fechada são geralmente conhecidos como sistemas de controle com realimentação, isso é, permitem que a saída seja comparada com a entrada do sistema, de modo que a ação de controle seja baseada em uma função da saída e da entrada [4].
Nesse trabalho foi realizado a representação gráfica de um sistema de controle de nível de um tanque em malha fechada, demonstrando o funcionando do sistema utilizando os componentes presentes nesse em forma de blocos juntamente com as suas ligações. A função que irá exercer a ação de controle do sistema será o erro calculado pela comparação entre o nível desejado e o medido.
2. ESQUEMA UTILIZADO PARA A MEDIÇÃO DO NÍVEL DO TANQUE
Figura 1- Esquema de Controle do nível do tanque usando uma câmera Logitech Fonte: Autoria própria.
A figura 1 acima mostra a placa MyRio (7) conectada a um computador, a uma fonte de energia de 12 V e uma câmera Logitech (6), que por sua vez está ligada também ao computador (8) por um cabo USB. Um inversor de frequência Sinamics (5) para controlar a velocidade da bomba (4) também está conectado à porta C da placa de aquisição de dados, em que as ligações são referentes à terra no pino 3 (cabo preto) e ao sinal	de	saída	no	pino	5	(cabo	azul). A bomba fornecerá a potência necessária para que a água contida no reservatório 3 chegue até o tanque de nível (1). A válvula (2) presente na tubulação de saída do tubo deve ser aberta para que haja o escoamento do fluído novamente para o reservatório, o que fornecerá um fluxo de saída que deverá ser igual ao de entrada no tanque quando se atingir o nível requerido. A câmera irá captar o nível da água presente no tanque usando uma equação de calibração que vai depender da cor do objeto físico utilizado para acompanhar a altura da água e da distância da câmera para o tanque, com isso é possível controlar o nível da água. O inversor de frequência está sendo alimentado por uma tensão de 220 V monofásica, posteriormente convertida em trifásica na saída do inversor e enviada para a bomba, como mostra os fios preto, amarelo e azul. Esse inversor está ligado a placa de dados, por isso é possível enviar um comando para o inversor mudando a velocidade de bombeamento, sendo que os valores de velocidade convertidos são proporcionais há variação de uma tensão de 10 V máxima estabelecida pela MyRio. Os dados da câmera e do inversor podem ser mostrados graficamente fazendo uso da interface gráfica fornecida pelo software LabView, podendo-se
visualizar a variação do nível do tanque analisado.
3. DIAGRAMA DE BLOCOS EM MALHA FECHADA DO PROCESSO
Em sistemas de malha fechada a variável a ser controlada é mensurada por um sensor na saída. Depois disso, a informação é levada para o controlador que muda o sinal enviado para a planta (atuador + processo) de acordo com a referência. O sinal controlado passa pelo atuador e depois pelo processo gerando o sinal de saída, onde o ciclo se repete novamente, ocorrendo uma realimentação [3]. A figura 2 mostra esse esquema:
Figura 2- Exemplo de um diagrama de blocos em malha fechada. Fonte: Adaptado de Lucena, 2017
O diagrama de blocos em malha fechada do esquema mostrado na figura 1 está demonstrado na figura 3 abaixo:
Figura 3- Diagrama de blocos em malha fechada do processo de controle do nível de tanque. Fonte Autoria própria
O círculo com uma cruz é o símbolo utilizado para indicar a operação algébrica. As setas apontando para o círculo representam as entradas, enquanto que a seta para fora indica a saída. O sinal algébrico em cada seta de entrada mostra se a quantidade deve ser somada ou subtraída. Os blocos retangulares representam uma função dinâmica, tal que o sinal de saída é uma função do tempo e do sinal de entrada [1]. O controlador do processo é o computador e o conjunto inversor de frequência, bomba centrífuga e tanque representam a planta no diagrama, tendo a câmera funcionando como o sensor para a medição do nível da água.
Com isso, no diagrama acima o valor de referência (Setpoint), que é o nível desejado, deve ser subtraído do nível medido pelo modelo, isso nos dá a função erro: ε
= href – hmed. É preciso minimizar essa função de forma que a diferença entre a altura desejada e a medida seja a menor possível. Dessa forma, o fluxo de entrada será manipulado alterando a velocidade da bomba através do inversor de frequência, usando como informação o erro calculado que determinará se deve ocorrer um aumento ou diminuição na velocidade da bomba através de incrementos na tensão fornecida pela placa de aquisição de dados ao inversor de frequência. Esse processo é realizado automaticamente pelo algoritmo implementando no software LabView, usando a lógica Fuzzy para determinar as variações na tensão. A figura 4 mostra os gráficos do nível do tanque e da tensão fornecida:
Figura 4- Software LabView utilizado para o controle computacional do nível do tanque. Fonte: Autoria própria.
No gráfico do nível da água é possível perceber a altura desejada (curva azul) junto com a altura medida (curva vermelha), e no gráfico da tensão é mostrado a tensão que está sendo fornecida (curva azul) e os incrementos na tensão (curva vermelha). Também é possível observar o ajuste do nível de referência na primeira barra, considerando a ordem da esquerda para a direita. O nível medido irá variar de acordo
com a mudança na altura de referência. Quando se atingir um erro mínimo significa que o nível desejado foi atingido, e nesse estágio o processo está em estado estacionário, ou seja, a vazão de entrada fornecida pela bomba é igual a vazão de saída ocasionada pela abertura da válvula (2) mostrada no esquema do sistema na figura 1.
REFERÊNCIAS
[1] BOTTURA, C. P. Princípios de Controle e Servomecanismos. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1982.
[2] DISTEFANO, J. J. Sistemas de controle. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2014.
[3] LUCENA, T. V. L. de. Controle De Temperatura Para Um Sistema de Condicionamento de Ar. 2017. 67 p. Monografia (Engenharia Mecânica) — UniversidadeFederal do Rio de Janeiro.
[4] RAMOS, A. de J. et al. Construção de Planta Piloto Relatório Final. Salvador, 2009.