Projeto de Controle de Bancada Didática Eletro-Hidráulica

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Projeto do sistema de controle de uma
bancada didática para
posicionadores Eletro-Hidráulicos
Proporcionais
Relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Alisson Dalsasso Corrêa de Souza
Florianópolis, Março de 2003
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Projeto do sistema de controle de uma bancada didática
para posicionadores Eletro-Hidráulicos Proporcionais
Alisson Dalsasso Corrêa de Souza
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final pelo
Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial
Banca Examinadora:
Prof. Victor Juliano De Negri
Orientador do Curso
Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia
Responsável pela disciplina
Prof. Daniel Juan Pagano, Avaliador
Alberto Xavier Pavim, Debatedor
Vinicius Rafael Viecili, Debatedor
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Agradecimentos
Agradeço ao meu orientador Victor Juliano De Negri pelo tempo despendido,
paciência, ensinamento a mim transmitido e, ainda, correção deste relatório. Ao
amigo Roberto Antonio Rizzatti Filho que me incentivou a fazer o meu Projeto de Fim
de Curso no LASHIP. Aos meus colegas de projeto Luiz Antonio Haddad Rodrigues,
Rafael Bravo, Raphael Athanasio e Irving Muraro que sempre se empenharam na
execução deste Projeto. Às pessoas que trabalham no LASHIP, que com bom humor
todos os dias, criaram sempre um ambiente de trabalho alegre e produtivo. A minha
namorada Bartira Riguetto Bussolo que sempre foi complacente com a minha
dedicação na realização deste trabalho. E, finalmente, aos meus pais que me
proporcionam o estudo na UFSC.
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Resumo
Este trabalho contempla o projeto de circuitos elétricos e de programa para
CLP e a implementação de sistema de controle de posição eletro-hidráulico. Estas
atividades estão inseridas dentro do projeto de pesquisa “Plataforma de Projeto e
Comprovação Experimental de Sistemas Eletro-Hidráulicos Proporcionais: Módulo I
– Bancada de trabalho”, suportado pela NFPA (National Fluid Power Association –
USA), Bosch Rexroth e FUNGRAD/UFSC, que consiste de um sistema didático de
projeto de sistemas eletro-hidráulicos proporcionais incluindo análises teórica e
experimental.
A bancada de trabalho compõe-se de uma unidade de potência hidráulica
controlada por CLP, uma bancada para montagem de circuitos e um sistema de
aquisição e controle VXI / LABVIEW. No presente trabalho, além do projeto elétrico
para interligação do CLP com os componentes hidráulicos e sensores, realiza-se o
levantamento das equações booleanas e dos diagramas de contato e a conseqüente
estruturação do programa do CLP. Para a operacionalização do sistema VXI /
LABVIEW foi realizada a instalação dos módulos físicos de entrada e saída digitais e
de entrada e saída analógicas, bem como a implementação do software de controle
e interface com o usuário.
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Abstract
This work contemplates the project of electric circuits and of program for PLC
and the implementation of system of electric-hydraulic position control. These
activities are inserted inside of the project of research "Platform of Project and
Experimental Proof of Proportional Electric-Hydraulic Systems: Module I –
Component Carrier for Training", supported by NFPA (National Fluid Power
Association – USA), Bosch Rexroth and FUNGRAD/UFSC, that it consists of a
didactic system of project of proportional electric-hydraulic systems including
theoretical and experimental analyses.
The Component Carrier for Training is composed of a unit of hydraulic potency
controlled by PLC, a component carrier for assembly of circuits and an acquisition
and control system VXI / LABVIEW. In the present work, besides the electric project
for interlink of PLC with the hydraulic and sensor components, takes place
inventorying of the booleans equations and contact diagrams and the consequent
structuring of the program of PLC. For the operation of the system VXI / LABVIEW
was accomplished the installation of the physical modules of input and output digital
and of input and output analogical, as well as the implementation of the control
software and interface with the user.
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Índice
Agradecimentos................................................................................................3
Resumo ............................................................................................................4
Abstract ............................................................................................................5
Índice ................................................................................................................6
Simbologia........................................................................................................9
Capítulo 1: Introdução ....................................................................................11
1.1: Objetivos ..............................................................................................11
1.1.1: Visão Geral....................................................................................11
1.1.2: Objetivos Específicos ....................................................................13
1.1.3: Objetivos do Presente Trabalho ....................................................14
1.2: Justificativas.........................................................................................15
1.3: Viabilidade do Projeto ..........................................................................16
1.4: Organização do Documento ................................................................16
Capítulo 2: Apresentação do Local de Realização do Projeto de Fim de Curso
– LASHIP...................................................................................................................17
2.1: Histórico ...............................................................................................17
2.2: Objetivos ..............................................................................................17
2.3: Atuação Geral ......................................................................................17
2.4: Equipe..................................................................................................18
2.4.1: Professores ...................................................................................18
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica....................................................................19
3.1: Integração da Tecnologia Hidráulica e Pneumática com CLP’s...........19
3.1.1: Introdução......................................................................................19
3.1.2: Automação e Controle Hidráulico e Pneumático ...........................20
7
3.1.3: Sistemas de Medição e de Atuação ..............................................21
3.1.4: Controladores Lógicos Programáveis............................................23
3.1.5: Compatibilização de Sensores, Atuadores e Módulos de Entradas e
Saídas ................................................................................................................24
3.1.6: Linguagens de Programação – CLP..............................................25
3.2: Sistemas de Atuação ...........................................................................25
3.2.1: Válvulas Proporcionais ..................................................................25
3.2.2: Servoválvulas ................................................................................29
3.2.3: Bombas .........................................................................................30
3.2.4: Amplificadores de Potência ...........................................................31
3.3: Sistemas Hidráulicos de Controle de Posição......................................313.3.1: Sistema Eletro-Hidráulico ..............................................................32
3.4: Sistemas de Aquisição de Dados e Controle .......................................36
3.4.1: Sistema National VXI.....................................................................37
3.4.2: LabView.........................................................................................38
3.5: Controle Digital.....................................................................................38
3.5.1: Problemas Ligados ao Controle de Sistemas Amostrados............39
3.5.2: Projeto de Controladores Discretos...............................................40
Capítulo 4: Metodologia..................................................................................43
4.1: Cronograma .........................................................................................43
4.2: Recursos Disponíveis ..........................................................................44
Capítulo 5: Desenvolvimento do Trabalho......................................................45
5.1: Especificações Gerais..........................................................................45
5.2: Estruturação do Módulo 1 ....................................................................47
5.3: Projeto da Estrutura da Bancada .........................................................48
5.4: Componentes Hidráulicos para Montagem dos Circuitos ....................49
8
5.5: Projeto da Unidade de Potência Hidráulica..........................................49
5.5.1: Circuito Hidráulico .........................................................................50
5.5.2: Circuito Lógico, Circuito Elétrico e CLP.........................................52
5.6: VXIbus, LabView e Transdutor de Posição..........................................73
5.6.1: Modelo...........................................................................................73
5.6.2: Programa.......................................................................................74
5.6.3: Experimentos.................................................................................78
Capítulo 6: Principais Resultados...................................................................85
Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas ..........................................................87
Referências Bibliograficas: .............................................................................88
Anexos............................................................................................................89
9
Simbologia
Abaixo se mostram os símbolos utilizados no projeto hidráulico e elétrico da
bancada:
M Motor: elétrico
Bomba: hidráulica
Bomba: deslocamento variável com compensação de
pressão
Acumulador: por gás bexiga
Condicionador: filtro genérico
Conexão: engate válvula retenção não conectada
Instrumento de medição: pressostato
Instrumento de medição: indicador de nível
Instrumento de medição: termômetro
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Instrumento de medição: manômetro
Válvula de pressão: alívio um estágio e retorno por mola
variável
Válvula de pressão: alívio um estágio e retorno por mola
Válvula de retenção: simples sem mola
Válvula de retenção: simples com mola
Válvula direcional: 3/3 de centro fechado acionada por
duplo solenóide
Válvula direcional: 4/3 de centro aberto acionada por
duplo solenóide
Válvula especial: 2/2 acionada pro simples solenóide e
retorno por mola
Registro: simples
Botão: manual genérico
Solenóide
Lâmpada
11
Capítulo 1: Introdução
1.1: Objetivos
1.1.1: Visão Geral
Este sistema didático de projeto e comprovação experimental de sistemas
eletro-hidráulicos proporcionais busca que alunos de graduação em engenharia
mecânica, produção mecânica e de controle e automação industrial tenham a
oportunidade de conhecer e utilizar na prática componentes hidráulicos
proporcionais, sensores, recursos de aquisição de dados e estruturas de controle.
Visa, também, a sistematização do conhecimento de projeto de sistemas hidráulicos
de controle de posição e a correlação entre modelagem matemática e verificação
experimental do comportamento dinâmico destes sistemas.
O sistema como um todo está dividido em três módulos conforme descrito a
seguir:
Módulo 1: Bancada de ensaios:
Destinada à montagem e operação instrumentada de circuitos hidráulicos com
ênfase em controle de posição incluindo unidade de potência, componentes
hidráulicos e acessórios, sensores de posição, vazão e pressão, computador e
sistema de aquisição de dados e controle (Sistema VXIbus e Software Labview).
Destaca-se a inclusão de cerca de 04 válvulas proporcionais e 02 cilindros de
diferentes configurações que permitam avaliar os resultados obtidos no projeto
conduzido através do Módulo 2. Os dados de catálogo destas válvulas e cilindros
estarão incorporados no Módulo 2.
Recursos mínimos da bancada:
• Unidade de potência;
• Estrutura para montagem de circuitos;
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• 04 válvulas proporcionais ou servoválvulas de diferentes tamanhos
nominais;
• 02 cilindros simétricos de diferentes diâmetros;
• 02 cilindros assimétricos de diferentes diâmetros;
• 01 transdutor de posição;
• 03 transdutores de pressão;
• 01 indicador de temperatura de 4 canais;
• 01 sistema de aquisição de dados e controle composto de software
Labview e hardware de aquisição de dados.
Modulo 2: Software de projeto do sistema hidráulico de controle de posição:
Aplicável a circuitos compostos de válvula com controle contínuo direcional
(VCCD) (servoválvula ou válvula proporcional), cilindro hidráulico simétrico ou
assimétrico, sensor de posição e controlador, conforme ilustrado na Figura 1.1.
Mc
Kc
BcMa
pS
XV1
UV1 XA1
+
UZ1
US1
qvc qvc
Figura 1.1 – Sistema hidráulico de controle de posição
O software será desenvolvido empregando Labview e implementará o método
de projeto desenvolvido através de dissertação de mestrado concluída em 2001 no
LASHIP (FURST, 2001). O método inclui as atividades de dimensionamento estático
e dinâmico, conversão de dados de catálogo e estudo do comportamento dinâmico.
Como resultado da aplicação do método tem-se a definição da válvula proporcional
13
ou servoválvula conforme catálogo industrial e o dimensionamento do cilindro. A
Figura 1.2 ilustra as principais atividades, cujo detalhamento já está consolidado,
fruto do estudo de aplicações hidráulicas reais. A terceira atividade mostrada nesta
figura prevê o emprego de software de simulação dinâmica como MatLab ou
Amesim.
Estudo do
Comportamento
Dinâmico
Projeto
Preliminar
Dimensionamento
Estático e Dinâmico
parâmetros
Conversão
de
Dados de Catálogos
especificações Catálogos
Modelo
Preliminar
Modelo Conceitual
Requisitos Modelo Conceitual
Figura 1.2 – Etapas do Projeto preliminar de Posicionadores Hidráulicos
Módulo 3: Sistema de carregamento:
Sistema hidráulico de geração de carga sobre o cilindro do circuito de controle
de posição montado no módulo 1. Este sistema também será controlado através do
sistema de aquisição de dados e controle citado anteriormente e permitirá a geração
de cargas de modo semelhante a sistemas reais como em reguladores de
velocidade de turbinas hidráulicas.
1.1.2: Objetivos Específicos
Em conformidade com a duração do projeto e recursos humanos e financeiros
disponíveis, neste momento será executado o módulo 1. O módulo 2 será realizado
numa segunda etapa através de futuros alunos de graduação. O Módulo 3 será
realizado posteriormente através de trabalho de mestrado e com apoio de bolsistas
de iniciação científica.
14
A construção desta plataforma visa intensificar, junto a alunos de graduação
em engenharia, a interação entreos conceitos teóricos e a aplicação prática destes.
Nos sistemas automatizados, a exemplo dos sistemas hidráulicos, ferramentas de
auxílio ao projeto estático e dinâmico são indispensáveis na rotina do engenheiro.
De igual forma, a aplicação prática dos conceitos assimilados em sala de aula
sempre é de grande ajuda na formação dos futuros profissionais, principalmente se
esta vier acompanhada de uma infra-estrutura condizente com a tecnologia atual.
Para tanto, propõe-se a criação de uma bancada formada por componentes
usualmente utilizados no meio industrial, acompanhada da tecnologia característica
dos sistemas de automação e controle e que permita ao estudante a manipulação e
a implementação de trabalhos técnicos e científicos.
De modo geral, os seguintes objetivos específicos serão atingidos:
1. Estudante e professor envolvidos num contexto multidisciplinar
incluindo as disciplinas de hidráulica, controle e instrumentação.
2. Uso de tecnologias modernas presentes na indústria, preparando o
estudante para o mercado de trabalho.
3. Obtenção de um sistema adequado para o ensino, projeto, análise e
operação de sistemas hidráulicos com controle de posição.
1.1.3: Objetivos do Presente Trabalho
O estudo da automação e controle engloba diversas áreas como lógica
boolena, teoria de controle, metrologia e mecatrônica. Sendo assim, o presente
aluno pode aplicar neste trabalho os conceitos assimilados durante o Curso de
Engenharia de Controle e Automação Industrial.
Deste modo, os seguintes objetivos serão aqui alcançados:
• Implementação, em CLP, das funções lógicas do projeto de comando
combinatório da unidade de potência hidráulica da bancada conforme
ordem de execução.
• Desenvolvimento de um software didático para realização do controle
de sistemas eletro-hidráulicos proporcionais, utilizando-se o sistema de
instrumentação VXIbus comandado pelo software LabView.
15
1.2: Justificativas
Os sistemas hidráulicos têm uma aplicação intensa em todos os segmentos
da indústria e de serviços sendo empregados na construção de máquinas, veículos
(ônibus, caminhões, tratores, automóveis etc.) e aeroespaço. A Figura 1.1 fornece
uma visão geral do campo de aplicação dos sistemas hidráulicos e pneumáticos.
Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos
Mineração
Indústria madeireira
Indústria alimentíciaIndústria têxtil
Indústria do plástico
Máquinas agrícolas
Manufatura
Robótica
Veículos de estrada
Indústria automobilística
Máquinas para
construção civil
Construção de navios e
tecnologia de embarcações
Aeroespaço
Equipamentos
de simulação e
testes de
carregamentos
Engenharia médica
Figura 1.1 – Campo de aplicação dos sistemas hidráulicos e pneumáticos
Por sua natureza, os sistemas hidráulicos e pneumáticos constituem-se em
uma forma concreta de aplicação dos princípios da mecânica dos fluidos
compressível e incompressível a qual embasa o desenvolvimento de componentes e
circuitos. Por outro lado, os conceitos de automação e controle estão intimamente
relacionados com a hidráulica e a pneumática, pois esta área da tecnologia possui
dispositivos capazes de receber sinais elétricos, provenientes de processamento
eletrônico, e promover a atuação mecânica rotacional e translacional para uma vasta
gama de forças, torques, velocidades e rotações.
Desta forma, a efetiva compreensão desta área implica em mesclar várias
disciplinas como mecânica dos fluidos, teoria de controle, automação, metrologia e
mecatrônica. Para que esta integração de conceitos seja plena junto aos cursos de
graduação em engenharia, apresenta-se esta proposta de uma plataforma de projeto
teórico-experimental.
Destaca-se a preocupação do Departamento de Engenharia Mecânica na
integração de atividades experimentais junto aos conteúdos teóricos, auxiliando no
processo de aprendizagem dos alunos. Em disciplinas de engenharia aplicada, este
16
fato torna-se primordial e para tal também a disponibilidade de bancadas didáticas
apropriadas.
1.3: Viabilidade do Projeto
Uma das linhas de investigação mais importantes no Programa de Pesquisa
do LASHIP abrange os Sistemas Hidráulicos de Controle de Posição. As
experiências obtidas tanto nos ensaios dos componentes hidráulicos quanto no
controle de trajetória e posição capacitam os pesquisadores do LASHIP para o
projeto e construção de uma plataforma didática de apoio ao Projeto de Sistemas
Hidráulicos de Controle de Posição. Os procedimentos de projeto destes sistemas
serão implementados com base na Dissertação de Mestrado recentemente
concluída (FURST, 2001).
Está também firmada uma parceria com a empresa Bosch Rexroth que doará
os equipamentos hidráulicos e colaborará na concepção da bancada visando o
desenvolvimento de um produto com padrões industriais.
Por fim, além de se assegurar o aporte de recursos para o projeto, também
estão envolvidos dois estudantes de engenharia a fim de efetivar o desenvolvimento
desta plataforma.
1.4: Organização do Documento
Esse documento é dividido em 7 capítulos. Na seqüência a essa introdução,
no Capítulo 2, apresenta-se o local de realização deste Projeto de Fim de Curso
para que se tenha uma noção das motivações, objetivos, linhas de atuação e equipe
do LASHIP. A seguir, o Capítulo 3 traz uma revisão bibliográfica apresentando
alguns pontos importantes no que tange a condução desse trabalho. A metodologia
descrita no Capítulo 4 tem como objetivo expor o cronograma e recursos disponíveis
para o desenvolvimento do trabalho mostrado no Capítulo 5. O Capítulo 6 apresenta
os principais resultados obtidos em função do projeto com seguida análise destes.
Finalmente, no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões e perspectivas
relacionadas às atividades desenvolvidas.
17
Capítulo 2: Apresentação do Local de Realização do
Projeto de Fim de Curso – LASHIP
2.1: Histórico
O LASHIP – Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina,
atua há 20 anos no ensino de graduação e há 12 anos no ensino de pós-graduação
e pesquisa tecnológica de componentes e circuitos hidráulicos e pneumáticos.
2.2: Objetivos
Além da prioridade fundamental que é a de excelência na formação de nível
superior, o LASHIP tem como meta adicional buscar igualmente a excelência em
níveis nacional e internacional na pesquisa em Hidráulica e Pneumática.
2.3: Atuação Geral
Desde sua criação dedica-se ao estudo de componentes e de circuitos
hidráulicos e pneumáticos e à aplicação e adequação contínua de disciplinas e
tecnologias correlatadas que aprimorem a análise, o projeto e a construção destes
sistemas.
Deste modo, além da utilização da Mecânica dos Fluidos e da Dinâmica de
Sistemas Mecânicos na modelagem de sistemas hidráulicos e pneumáticos, o
LASHIP atua na integração da Tecnologia Hidráulica e Pneumática com as áreas de
Projeto Mecatrônico, Controle, Automação e Informática, buscando por um lado
colocar à disposição da sociedade Engenheiros com elevada qualificação
Tecnológica e, por outro, a incessante procura de soluções modernas para desafios
impostos pela Indústria ou campo acadêmico.
18
2.4: Equipe
As atividades do LASHIP são conduzidas por 03 professores com dedicação
exclusiva, contando com a cooperação continuada de 02 professores de outros
grupos de pesquisa do Centro Tecnológico da UFSC e envolvendo a ação conjunta
de engenheiros pesquisadores e estudantes de graduação e de pós-graduação.
2.4.1: Professores
• Victor Juliano De Negri (Coordenador do LASHIP);
• Irlan von Linsingen;
• Jonny Carlos da Silva;
• José Eduardo Ribeiro Cury (Laboratório de Controle e Microinformática
– LCMI/DAS);
• Raul Guenther (Laboratório de Robótica – EMC).19
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica
A seguir, serão explanados alguns assuntos importantes no que tange a
condução desse trabalho a fim de servir como referência no entendimento total de
todos os pontos abordados.
3.1: Integração da Tecnologia Hidráulica e Pneumática com CLP’s
3.1.1: Introdução
O grande desenvolvimento tecnológico da eletrônica nas últimas décadas tem
consolidado o uso de componentes hidráulicos e pneumáticos na automação e
controle de máquinas e processos, se fazendo presente nestes sistemas de duas
formas: por meio da disponibilização de sensores eletrônicos e de CLP´s
(Controladores Lógicos Programáveis), e pela incorporação de circuitos de
realimentação e compensação em válvulas.
A disponibilidade dos mais diferentes tipos de sensores adequa-se às
exigências de ambientes industriais, de limitações de espaço e de sensoriamento de
diversas grandezas e estados de um processo ou máquina. As informações colhidas
pelos sensores são processadas por CLP´s de forma bastante rápida e confiável,
apresentando vantagens de flexibilidade de reprogramação e detecção de falhas,
redução de custo em relação a outras soluções.
Assim, surge a necessidade do projetista, operador ou equipe de manutenção
conhecer, além da hidráulica e da pneumática, os princípios de eletro-eletrônica e de
programação. A especialização em hidráulica e pneumática é fundamental, pois
determina a capacidade de seleção dos componentes e de configuração do circuito
para atender aos requisitos funcionais. Já o conhecimento em eletro-eletrônica é
complementar, mas deve ser correto e suficientemente completo para permitir o
projeto e a operação adequada dos circuitos de automação e controle [ 1 ].
Para isto, se fará uma breve explicação de como interligar com segurança
estes componentes H & P com sensores e CLP, como selecionar a configuração do
20
CLP necessária para as válvulas H & P e como programar um CLP ou, pelo menos,
como transmitir ao programador os requisitos da automação.
3.1.2: Automação e Controle Hidráulico e Pneumático
Tem-se adotado o termo sistema automático para indicar uma aplicação que
envolva automação e/ou controle, pois se pode observar o problema segundo uma
visão lógica ou então, avaliando ao longo do tempo, a resposta da posição, força,
velocidade, vazão ou qualquer outra variável.
Um sistema automático pode ser decomposto em duas partes: um subsistema
de informação e um subsistema energético/material, conforme representado na
Figura 3.1. O sistema de informação engloba os equipamentos que processam
sinais e dados, tais como computadores, controladores lógicos programáveis, entre
outros. Por sua vez, o sistema energético/material (processo) sintetiza as partes das
máquinas, dispositivos e equipamentos que transformam ou processam energia e/ou
matéria.
Sistema de
Informação
Sistema
Energético/
Material
inf inf
inf inf
ene/
mat
ene/
mat
Sistema
Automático
Ambiente Externo
Figura 3.1 – Representação de um sistema automático [ 1 ]
Deste modo, o sistema de informação deve ser capaz de extrair as
informações provenientes da parte energético/material, processá-las e,
posteriormente utilizá-las para alterar o funcionamento deste. Além da troca de
informações entre estes dois subsistemas, há também o recebimento e fornecimento
de energia (ene), matéria (mat) e informação (inf) em relação ao ambiente externo.
Informação
Energia
Matéria
Energia e Matéria
Canal
Agência
Rede Canal/Agência - Notação
21
3.1.3: Sistemas de Medição e de Atuação
Empregando-se CLP’s no processamento de informações, tem-se a
representação do sistema automático apresentada na Figura 3.1, onde os elementos
principais são o programa principal, os alocadores de endereços e as interfaces de
medição e de atuação. A Tabela 1 descreve a simbologia utilizada na Figura 3.1.
Tabela 1 – Notação referente à Figura 3.1
Símbolo Descrição
ad Atributo desejado
am Atributo medido
Enda Endereço de atuação
Endm Endereço de medição
inf Informações (sinais elétricos, pneumáticos, hidráulicos
ou mecânicos)
ene Energia (elétrica, pneumática, hidráulica ou mecânica)
mat Matéria (peças, ferramentas, fluido hidráulico ou
pneumático etc.)
SBa Sinal Bruto de atuação
SBm Sinal Bruto medido
SCa Sinal Condicionado de atuação
SCm Sinal Condicionado medido
SA Sistema de Atuação
SM Sistema de Medição
22
 Energia/Matéria
Programa
Principal
Componentes do
Processo
ene/
mat
ene/
mat
Sistema Energético/Material
Sistema de Informação
inf inf
Ambiente externo (AMB)
SA
ad
Atuador
Condicio-
nador
Interface
de Atuação
Alocador de
Endereços
SBa
SCa
Enda
SM
am
Sensor
Condicio-
nador
Interface
de Medição
Alocador de
Endereços
SCm
SBm
Endm
CLP
Controlador
Lógico
Programável
Sistema Automático
 Processo
Interface
Ent. AMB
Interface
Saída AMB
Figura 3.1 – Representação refinada de um sistema automático [ 1 ]
Observa-se que, a interligação entre o processo e o CLP ocorre através dos
Sistemas de Medição (SM) e Sistemas de Atuação (SA).
Um sistema de medição tem a função de capturar informações do processo e
transmiti-las para o programa principal. Para tanto, este é composto de:
• Sensor: É o elemento que está em contato com a variável física e que
fornece um sinal corresponde a este;
23
• Condicionador de sinais: Destina-se à amplificação da potência do
sinal proveniente do sensor e às tarefas de processamento como
filtragem, compensação, integração etc;
• Interface de medição: Transforma o sinal tratado (condicionado) em
uma forma adequada ao CLP, ou a qualquer outro meio de
processamento de informações;
• Alocador de endereços: Faz a associação de símbolos (palavras
mnemônicas) ao endereço físico da entrada.
De modo similar, um sistema de atuação tem a função de receber dados do
programa principal e promover a modificação de um atributo (am) da matéria ou da
energia. Deste jeito, o sentido do fluxo de informações é contrário ao que ocorre em
um sistema de medição. Para realização destas funções, normalmente faz-se a
interligação dos seguintes componentes:
• Alocador de endereços: Faz a associação de símbolos (palavras
mnemônicas) ao endereço físico da saída;
• Interface de atuação: Transforma o sinal de saída do CLP, ou de
qualquer outro meio de processamento de informações, em um sinal
tratado (condicionado);
• Condicionador de sinais: Destina-se à amplificação da potência do
sinal proveniente da interface e às tarefas de processamento como
filtragem, adição de sinais de dither, etc;
• Atuador: É o instrumento que altera as variáveis do processo físico ou
químico em resposta a sinais recebidos.
3.1.4: Controladores Lógicos Programáveis
Funcionalmente, um CLP pode ser caracterizado como um dispositivo lógico
seqüencial que gera sinais de saída de acordo com operações lógicas realizadas
sobre os sinais de entrada. Os componentes de um CLP são mostrados na Figura
3.1.
24
As interfaces de medição constituem-se de circuitos digitais que recebem os
sinais de entrada provenientes dos sensores e convertem estes sinais em uma
forma aceitável para o processamento pelo CLP. Sinais de entrada também podem
ser provenientes do ambiente externo (operador, outro CLP ou computador), sendo
convertidos pela interface de entrada do ambiente.
O programa principal implementa as operações lógicas, sendo inserido pelo
operador através de terminais de programação ou computadores conectados ao
CLP. Este programa é gravado na memória do CLP para ser executado quando este
estiver ativo.
As interfaces de atuação constituem-se de dispositivos eletromagnéticos
(relés) ou circuitos digitais (transistores)que permitem o fornecimento de sinais
elétricos digitais ou analógicos para os condicionadores de sinais ou diretamente
para os atuadores.
Programa
CLP - Controlador Lógico Programável
ad
Interface
de Atuaçao
SBr
Enda
am
Interface
de Medição
SCm
Endm
inf infProgramaPrincipal
Interface
Ent. AMB
Interface
Saída AMB
Alocador de
Endereços
Alocador de
Endereços
Sinais de Entrada
Provienientes de
Operador, CLP ou
PC
Sinais de Entrada
Provienientes do
Processo
Sinais de Saída
para Operador,
CLP ou PC
Sinais de Saída
para o Processo
Figura 3.1 – Identificação de componentes de um CLP [ 1 ]
3.1.5: Compatibilização de Sensores, Atuadores e Módulos de Entradas
e Saídas
O principal aspecto para a compatibilização dos sensores e atuadores com o
CLP é a especificação dos módulos de interfaceamento deste, os quais podem ser:
25
entradas e saídas digitais, entradas e saídas analógicas, field bus (entrada e saída),
acionamento de drives específicos.
Comparando-se as interfaces disponíveis em um dado CLP com as
características técnicas dos sensores e atuadores, é possível determinar a
necessidade ou não de condicionadores de sinais para a interconexão destes.
3.1.6: Linguagens de Programação – CLP
Por fim, para que o sistema possa operar, faz-se necessário elaborar o
programa a ser implementado no CLP, o qual pode ser descrito empregando
linguagens de alto nível como STL (statement list), Diagramas de Blocos, Diagrama
de Contatos (Ladder Diagram) ou GRAFCET [ 4 ].
3.2: Sistemas de Atuação
As diferenças entre uma servoválvula e uma válvula proporcional residem nas
suas características construtivas e nos seus comportamentos estático e dinâmico.
Porém, percebe-se que muitas vezes esta diferenciação é feita em relação às
características comportamentais e não construtivas.
A conseqüente sofisticação e desempenho relativos da servoválvula tornam
seu preço mais elevado que o de uma válvula proporcional. No entanto, a
delimitação da fronteira de campo entre estas vem sendo diluída ao longo dos anos.
3.2.1: Válvulas Proporcionais
3.2.1.1: Definição
De uma maneira geral, pode-se dizer que as válvulas proporcionais
convertem um sinal elétrico variável de entrada em um sinal proporcional de alguma
outra variável hidráulica (Bosch, 1989). Dependendo da aplicação, podem-se
distinguir as válvulas proporcionais em várias categorias.
No intuito de não se prolongar no assunto desnecessariamente, falar-se-á
apenas do tipo de válvula utilizada no projeto da bancada.
26
3.2.1.2: Válvulas Proporcionais Direcionais
Estas são válvulas do tipo carretel com controladores de aberturas em cada
lado do carretel. Elas combinam o controle de direção e vazão em uma válvula
apenas. Na Figura 3.1 está apresentada uma solução construtiva que emprega dois
solenóides proporcionais que possibilitam a movimentação do carretel nas duas
direções a partir da posição central, a qual é alcançada através das molas de
centragem.
Figura 3.1 – Válvula direcional proporcional de 1 estágio
A Figura 3.2 apresenta uma típica curva característica de funcionamento
deste tipo de válvula proporcional cujo comportamento é não linear no início e final
de curso. Uma única curva seria suficiente para mostrar o comportamento destes
tipos de válvulas se a relação entre entradas e saídas fosse rigorosamente igual. Se
isso não ocorrer, ambas as curvas devem ser mostradas.
Nestes tipos de válvulas, dependendo da tecnologia de fabricação utilizada e
principalmente da eletrônica incorporada, ocorre uma região de zona morta que varia
entre 1% a 20% em torno da região central. Nesta região a válvula está fechada e
não ocorre vazão de óleo em nenhuma direção.
27
P=8 bar
Zona morta
-10 -8 -6 -4 -2 2
∆ P=8 bar
Saturação
∆
864 10
Tensão de Controle [V]
Vazão
[l/min]
Figura 3.2 – Curva característica das válvulas proporcionais direcionais de controle
de vazão [ 2 ]
3.2.1.3: Tempo de Resposta de Válvulas Proporcionais
O tempo de resposta serve como uma simples indicação das características
dinâmicas das válvulas proporcionais. Uma definição pode ser estabelecida como
sendo o tempo necessário para que uma válvula atinja 90% do seu valor final,
devido a um sinal na entrada do tipo degrau. O tempo de resposta pode ser definido
em relação à resposta obtida pelo solenóide/armadura ou ao deslocamento do
carretel da válvula. Uma resposta típica de uma válvula proporcional está entre 25 e
60 ms. A Figura 3.1 mostra dois modos de como calcular o tempo de resposta de
uma válvula proporcional [ 2 ].
S
10%
10%
T
t
 
S
T t
(a) (b)
Figura 3.1 – Dois modos para calcular o tempo de resposta de válvulas
proporcionais
28
3.2.1.4: Histerese, Erro de Reversão e Sensibilidade da Resposta
A histerese, o erro de reversão e a sensibilidade da resposta são três fatores
que estão intimamente relacionados. Eles dependem do solenóide proporcional
(histerese magnética), atrito mecânico relacionado ao deslocamento da válvula, das
folgas e acima de tudo, se o solenóide proporcional tem algum tipo de controle de
posição.
A histerese é definida como a diferença entre as saídas obtidas a partir de um
mesmo valor do sinal de entrada, quando a entrada está decrescendo de valor e
quando está crescendo de valor [ 1 ].
O erro de reversão é definido como o valor total do sinal de entrada
necessário para gerar uma mudança mensurável do sinal de saída, quando ocorre
uma mudança de direção de movimento da válvula de um certo ponto de parada.
Já a sensibilidade da resposta é definida como o valor a ser adicionado ao
sinal de entrada para gerar uma mudança mensurável do sinal de saída quando,
mantendo a mesma direção, ocorre uma parada da válvula. Estas definições são
mais claramente exemplificadas pela Figura 3.1, retiradas de [ 1 ] e [ 2 ].
Histerese
Limiar
Entrada
Saída
V
Q Erro de reversão
resposta
Sensibilidade de
V
Q
(a) (b) (c)
Figura 3.1 – a) histerese; b) erro de reversão; c) sensibilidade de resposta;
A fim de se melhorar o desempenho estático e dinâmico das válvulas
direcionais proporcionais, tem sido incorporada maciçamente a realimentação da
posição de elementos internos da válvula incorporando-se sensores de posição e
circuitos eletrônicos dedicados à válvula como se demonstra na Figura 3.2.
29
Solenóides Proporcionais
Transdutor de
 Deslocamento Carretel
Figura 3.2 – Válvula direcional proporcional de 1 estágio com realimentação de
posição do carretel
3.2.2: Servoválvulas
3.2.2.1: Definição
Como definido por Sperry-Vickers (1980), o termo servo designa um
mecanismo que, quando sujeito à ação de um dispositivo de controle funciona como
se fosse diretamente comandado por este, porém, capaz de fornecer uma força
muitas vezes superior. Então o termo servoválvula se refere muito mais à união
adequada de uma válvula direcional comum a um mecanismo que faz com que a
força resultante para a movimentação de cargas seja bem superior à força
necessária para acioná-las.
3.2.2.2: Tipos
Em hidráulica, dois tipos bem distintos de servomecanismos são encontrados:
mecânico ou elétrico. A fim de centrar-se no tipo de servoválvula utilizada no
presente trabalho, comentar-se-á somente o segundo.
3.2.2.2.1: Servoválvulas Eletro-Hidráulicas
Uma servoválvula mecânica é apenas um dispositivo de posicionamento. Ele
move a carga até um certo lugar e pára. As servoválvulas eletro-hidráulicas podem
ser usadas tanto para o posicionamento como para controle de velocidade, ou
30
mesmo ambos. Uma servoválvula eletro-hidráulica é comandada por um sinal
elétrico, que faz mover o carretel da válvula principal, ou uma válvula piloto (dotipo
bocal-defletor ou injetor), a qual, por sua vez, comanda o carretel da válvula
principal. As servoválvulas elétricas podem ter realimentação. Se a movimentação
da carga também gera um sinal de posição ou velocidade, através de um
potenciômetro ou um tacogerador então o controle de posição ou velocidade pode
ser obtido. A Figura 3.1 apresenta um exemplo de servoválvula.
Figura 3.1 – Servoválvula
3.2.3: Bombas
3.2.3.1: Definição
As bombas hidráulicas são os elementos responsáveis pelo fornecimento de
energia ao sistema hidráulico. Em geral, eles são dispositivos que transformam
energia mecânica rotacional em energia hidráulica, ou seja, pressão e vazão de um
fluido hidráulico.
31
Existem vários tipos construtivos de bombas hidráulicas. Entre estes tipos
podemos citar as bombas de palhetas, as bombas de engrenagens, tipo parafuso,
de pistões axiais e radiais etc.
3.2.3.2: Características Operacionais de Bombas
Para garantir um funcionamento ininterrupto destas bombas por um bom
período de tempo e para também garantir condições adequadas para o fluido que
passa pelas bombas, uma série de recomendações operacionais devem ser
seguidas. Estas condições operacionais são específicas para cada tipo de bomba e
entre estas, destacam-se as condições de partida, rotação mínima e máxima,
presença de ar/cavitação, faixa de temperatura, faixa de viscosidade e filtragem.
3.2.4: Amplificadores de Potência
Amplificadores eletrônicos de potência são necessários para a operação de
válvulas proporcionais. Estes multiplicam o sinal de entrada por um fator (ganho)
resultando no sinal de saída desejado, além de agregar potência a este sinal. São
subdivididos em categorias dependendo dos requisitos funcionais e operacionais das
destas válvulas.
3.3: Sistemas Hidráulicos de Controle de Posição
Os mecanismos de controle de posição têm enorme aplicabilidade nos mais
diversos campos da engenharia. Estes mecanismos podem ser de natureza
mecânico-hidráulica ou eletro-hidráulica. Estes últimos são comandados por sinais
de baixo consumo de energia e controlam com precisão os movimentos de cilindros
e motores hidráulicos de mecânica pesada. Ainda, possuem enorme versatilidade
devido a uma variedade de configurações, sobretudo no processamento de sinais
que podem ser diferentemente projetados para a obtenção da atuação hidráulica
desejada.
A interface entre o equipamento mecânico ou elétrico de controle e o atuador
hidráulico é desempenhada pela servoválvula ou válvula direcional proporcional que,
portanto, pode ter acionamento mecânico ou elétrico.
32
Sendo assim, apresentar-se-á a configuração básica de um sistema de
controle de posição com a utilização de servoválvulas ou válvulas proporcionais
eletro-hidráulicas seguida de análise.
3.3.1: Sistema Eletro-Hidráulico
3.3.1.1: Apresentação
Quando se faz necessário movimentar grandes massas e/ou realizar grandes
esforços, os sistemas eletro-hidráulicos combinam as vantagens próprias dos
circuitos hidráulicos, quais sejam: capacidade, pequena inércia e rápida resposta –
com o pequeno erro e versatilidade na medição, transmissão e processamento dos
sinais elétricos.
Apesar dos componentes hidráulicos serem os mais morosos dentro de um
sistema eletro-hidráulico de controle de posição, quando se trata de movimentar
cargas elevadas um sistema puramente eletro-eletrônico oferece respostas mais
lentas que um sistema eletro-hidráulico.
Na Figura 3.1 é apresentado um posicionador eletro-hidráulico cuja finalidade
é deslocar a massa (M) a uma distância proporcional a um sinal em tensão de
referência (UrZ1).
Mc
Kc
Bc
pS
XV1
UV1 XA1
+
UZ1
US1
qv
c
qv
c
Ma
Figura 3.1 – Sistema de controle de posição eletro-hidráulico
33
Neste sistema, conforme [ 3 ], a posição desejada para o cilindro é
estabelecida pela tensão de referência (Ur) que, através do comparador/amplificador,
gera uma tensão de comando (UV1) na válvula direcional continuamente variável
(VDCV) (servoválvula ou válvula direcional proporcional), produzindo o
deslocamento do elemento de controle principal (normalmente um carretel).
Considerando que a pressão de suprimento da válvula seja mantida constante, o
deslocamento de carretel principal da válvula provocará uma vazão no sentido da via
de suprimento para uma das câmaras do cilindro enquanto que ocorrerá uma vazão
da outra câmara para a linha de retorno da válvula. A vazão através da válvula
promove a variação da pressão nas câmaras do cilindro resultando na
movimentação da massa (M) que é medida através do sensor de posição (S1)
produzindo uma tensão US1. Esta tensão US1, de sinal contrário à tensão de
referência Ur, produz a realimentação de posição. Atingida a posição desejada, a
tensão de comando da válvula (UV1) estará anulada implicando que a posição real
do êmbolo (xA1) corresponda exatamente à posição desejada.
Estando adequadamente dimensionado, o sistema estabiliza rapidamente na
posição desejada. Se o sinal de entrada variar com o tempo, o sistema atuará como
um seguidor de modo que a posição da haste estará variando no tempo,
acompanhando o comando.
Por outro lado, a seleção inadequada do ganho de realimentação
(influenciado pelo sensor S1 e pelo condicionador do sinal correspondente) e do
ganho do amplificador pode também gerar instabilidade do sistema fazendo com que
a massa oscile com intensidade crescente, afastando-se cada vez mais da posição
desejada.
Para melhor compreensão do comportamento dinâmico deste sistema de
controle, apresenta-se a seguir sua modelagem e a descrição entrada-saída.
3.3.1.2: Modelagem
3.3.1.2.1: Válvula Direcional Proporcional ou Servoválvula (V1)
Para se utilizar a modelagem analítica dos principais componentes de uma
servoválvula ou válvula direcional há necessidade de se conhecer o valor dos seus
34
parâmetros, o que muitas vezes é uma tarefa difícil devido à dependência de alguns
fatores como:
• Disponibilidade de informações construtivas por parte do fabricante;
• Possibilidade de executar medições de grandezas como folgas radiais,
diâmetros, dimensões dos pórticos, massa de partes móveis, etc;
• Possibilidade de efetuar testes com o componente determinando os
coeficientes da válvula, forças de escoamento, etc.
Em grande parte dos catálogos de válvulas, são disponibilizados dados
estáticos e dinâmicos a partir dos quais pode-se inferir que a válvula seja descrita
por modelos de primeira ou segunda ordem. Considerando esta situação, pode-se
modelar a válvula proporcional da seguinte forma:
Equação da vazão de controle
c
V
c pKcxKqqv 0
1
0 −=
Onde o ganho de vazão (kqu0) e o coeficiente de vazão-pressão (kc0) podem
ser obtidos através de catálogo técnico.
Equação do movimento
112
2 .)1
21( VV
nn
UKDD =++ ω
δ
ω
3.3.1.2.2: Cilindro Hidráulico e Carga (A1)
Equação da continuidade
Desprezando-se os vazamentos internos no cilindro, o que é bastante
razoável considerando a existência de vedações junto ao êmbolo, tem-se:
dt
dpV
dt
dxAqv ct
A
c β4
1
+=
Equação do movimento
Considerando-se a presença de uma força de atrito viscoso significativa frente
à inércia da carga, tem-se:
35
dt
dxB
dt
xdMAp
AA
c
1
2
12
+=
3.3.1.2.3: Comparador/Amplificador (Z1) e Sensor de Posição (S1)
O sensor de posição é o elemento do sistema que fornece um sinal elétrico de
tensão (US1), proporcional ao deslocamento (XA1) da haste do cilindro hidráulico.
Esta função pode ser equacionada na forma:
111 . ASS xKU =
Onde KS1 é o ganho do sensor de posição e corresponde à constante de
realimentação do sistema em malha fechada.
Por sua vez, o comparador é o elemento que compara a posição desejadade
deslocamento da carga com a posição atual da carga, gerando um sinal de erro de
posicionamento. Isto é possível pela comparação do sinal elétrico UrZ1 (tensão de
referência) com o sinal elétrico US1 (tensão de realimentação) obtido pelo sensor de
posição. O amplificador recebe o sinal de erro (Ue = Ur - US1) e fornece como saída
um sinal elétrico em tensão UV1 (correspondente à tensão de erro amplificada) que é
aplicada ao solenóide da válvula. A tensão que sai do controlador/amplificador
alimenta a válvula V1 e pode ser expressa como:
)( 11111 ASZr
ZV xKUKU −=
3.3.1.2.4: Descrição Matemática Entrada-Saída
As equações que modelam o sistema podem ser postas na forma de funções
transferência, onde se faz necessário estabelecer as variáveis que são entradas
(causas) e saídas (efeitos).
Sendo assim, tem-se:
? )(.
121
)( 1
2
2
1
1 sU
ss
Ksx V
nn
V
V



 ++
=
ω
δ
ω
? )()()( 010 spKcsxKqsqv cVc −=
36
? ( ))()(
4
1)( 1 sAsxsqv
sV
sp Ac
t
c −=
β
? )()( 21 spBsMs
Asx c
A
+=
? ( ))()()( 1111 sxKsUKsU ASrZV −=
Com as expressões acima, obtém-se um diagrama de blocos de simulação do
sistema, o qual possibilita uma análise comparativa entre os resultados
experimentais e de simulação. Este está representado na Figura 3.1.
++
-
UZ1 UV1 xV11ZK
1SK
 )121(
 
2
V1
2
++ ss
K
nn ω
ζ
ω
0Kq ++
-
++
-
sVtβ4
1
BsMs
A
+2
0Kc
As
pc
xA1
qvc
US1
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema [ 3 ]
3.4: Sistemas de Aquisição de Dados e Controle
Normalmente em um sistema de aquisição e controle, o computador é o
responsável pela manipulação dos dados provenientes do ambiente externo que se
deseja atuar ou controlar. No entanto, para que um dado possa ser manipulado pelo
computador, este dado deve ser primeiro colocado na forma digital. A placa de
aquisição de dados é um dispositivo físico que pode fazer o interfaceamento do
computador com o meio externo transformando qualquer sinal analógico em sinal
digital ou o inverso, ou seja, transformar um sinal digital em um sinal analógico.
Em geral, uma placa de aquisição de dados consiste em entradas e saídas
analógicas, entradas e saídas digitais, contadores e temporizadores.
A Figura 3.1 mostra a representação física genérica de uma placa de
aquisição de dados.
37
Trilhas de comunicação para o
barramento do PC
Conectores para as entradas e saída
digitais e analógicas
Figura 3.1 – Aspecto de uma Placa de Aquisição de Dados [ 2 ]
Para um melhor entendimento do funcionamento de uma placa de aquisição e
para a sua correta utilização e especificação, alguns termos pertinentes a este
dispositivo devem ser seguidos de acordo com o manual do fabricante.
3.4.1: Sistema National VXI
O LASHIP dispõe atualmente de diversos sistemas, placas para a aquisição
de dados e diversos instrumentos para medição. Entre os sistemas, destaca-se o
sistema VXIbus elaborado pela National Instruments e Hewlett Packard, o qual foi
colocado em funcionamento por realização do presente aluno. Portanto, ainda está
em fase experimental de funcionamento dos módulos que o compõem.
O VXIbus consiste em uma plataforma para implementação de sistemas de
instrumentação. Sua arquitetura é aberta, o que possibilita o aproveitamento das
últimas tecnologias em termos de computação. Atualmente existe uma variada gama
de produtos, em nível comercial, compatíveis com o padrão VXI. Devido a sua
versatilidade, um único sistema VXI pode suportar diversos tipos de instrumentos,
possibilitando seu uso em diversas aplicações, desde a produção e testes de
manufatura até o monitoramento de processos e controle. Este último, proporciona a
realização do segundo objetivo listado em 1.1.3:.
Isto é possível graças às diversas opções de condicionamento de sinais, que
suportam um amplo conjunto de transdutores. Os instrumentos presentes a este
sistema do LASHIP serão enumerados no item 4.2:.
38
3.4.2: LabView
Além deste sistema, o laboratório dispõe ainda do software LabView
(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), também fabricado pela
National Instruments, que é uma linguagem de programação destinado ao
desenvolvimento de aplicações em linguagem gráfica (também conhecida como
linguagem G). Este é indicado para a construção de sistemas de teste com coleta de
dados integrada, controle de instrumentos, análise de dados, além de possibilitar
interface com usuário.
Para tanto, este software contém bibliotecas com aplicações específicas à
aquisição de dados. Esta biblioteca é composta por:
• Bibliotecas de I/O: GPIB, VXI, DAQ, serial, VISA, file I/O
• Redes: TCP, ActiveX, DDE
• Análise: Filtros, ajuste de curvas, FFT´s, estatística, álgebra matricial,
etc.
• Interface com usuário: gráficos, chaves, botões, mostradores,
medidores, dials, menus, etc.
Assim sendo, o sistema VXI e LabView se comunicam de modo a possibilitar
o desenvolvimento de vários tipos de aplicações, dentre os quais o
controle/monitoração de sistemas eletro-hidráulicos.
3.5: Controle Digital
Por diversas razões alguns sistemas apresentam sinais disponíveis em
determinados instantes de tempo discreto. Dentre as várias situações que originam o
aparecimento de sinais discretos no tempo é interessante mencionar:
• Repartição de um instrumento de alto custo (multiplexagem)
Figura 3.1 – Multiplexador [ 7 ]
39
• Controle de sistemas utilizando computadores digitais (controle digital)
Por exemplo, na ilustração abaixo se mostra o caso mais comum de controle
digital de processos contínuos.
Neste caso, o controle é implementado de forma discreta, utilizando-se para
tal, diferentes elementos (amostrador, conversores A/D e D/A, bloqueador) que
permitem processar os sinais analógicos do sistema contínuo.
3.5.1: Problemas Ligados ao Controle de Sistemas Amostrados
Conforme [ 7 ], o primeiro problema que se apresenta é como realizar a
amostragem dos sinais contínuos. Na Figura 3.1, está representado o processo de
amostragem de um sinal contínuo. Neste processo dois fatores são importantes:
• A escolha do período de amostragem T ou taxa de amostragem f = 1/T
• A representação matemática utilizada
Figura 3.1 – Amostragem de sinais contínuos [ 7 ]
Em relação à escolha de T, não existiria uma perda significativa de
informação caso este fosse suficientemente pequeno frente à velocidade de variação
do fenômeno considerado. Isto implicaria, no entanto, em um custo elevado em
Controle Atuador Processo
Medidor
SaídaRef +
-
40
termos de tempo de cálculo. Tem-se então, que quanto maior a freqüência de
amostragem, melhor a informação e mais alto o custo. Portanto, existe um
compromisso entre qualidade de informação e custo de cálculo.
O segundo problema é como fazer a conversão analógico/digital (A/D) e
digital/analógico (D/A). Este processo de conversão de sinais implica
necessariamente na quantificação dos sinais contínuos para poderem ser
transformados em sinais discretos. Na quantificação divide-se o domínio do sinal em
um número fixo de intervalos. Cada intervalo tem o mesmo tamanho, o qual se
chama passo de quantificação, e recebe um número. A cada amostra dentro de um
intervalo é atribuído o valor do intervalo. Isto produz inevitavelmente erros de
quantificação cuja magnitude depende diretamente do número de bits dos
conversores. O problema relacionado com o erro gerado na quantificação aparece
em três níveis:
• Na conversão das medidas analógicas em sinais discretos digitais
(aproximação);
• Durante os cálculos do processador;
• No posicionamento numérico de alguns atuadores.
Outro problema consiste em projetar o algoritmo de controle. Para solucionar
este problema são empregadasferramentas de análise e projeto para tempo
discreto, as quais serão estudadas no próximo item.
Finalmente, existe o problema de como recuperar o sinal analógico contínuo.
Para resolver esta situação é necessário utilizar um elemento que permita interpolar
o sinal discreto em amostras. Este processo denomina-se de bloqueamento ou
interpolação e o elemento associado de bloqueador ou sustentador. A interpolação
pode ser realizada utilizando-se diferentes tipos de sinais, por exemplo, degraus e
rampas.
3.5.2: Projeto de Controladores Discretos
Diferentemente da eletrônica analógica, os computadores digitais não podem
executar funções de integração. Portanto, equações diferenciais que descrevem um
41
controlador contínuo C(s) devem ser aproximadas utilizando-se equações a
diferenças que envolvem somente termos de adição e multiplicação.
Basicamente, serão comentadas duas técnicas de projeto de controle digitais:
• Por aproximação (ou emulação);
• Projeto discreto ou direto.
3.5.2.1: Método de Projeto por Aproximações
Esta técnica consiste em projetar um controlador contínuo C(s) para um
determinado processo, utilizando ferramentas de domínio contínuo e, em um
segundo passo, transladar o controlador do domínio contínuo ao discreto, mediante
aproximações, obtendo assim o controlador discreto C(z).
O controlador contínuo C(s) é aproximado mediante equações a diferenças
obtidas através de diferentes métodos, como por exemplo: o método de Euler, de
Tustin ou bilinear, aproximação zero-pólo etc.
3.5.2.2: Método de Projeto Direto
A partir do fato de que é possível obter um modelo exato discreto que
relacione as amostras da saída y(k) com as da entrada u(k), pode-se projetar um
controlador discreto para um determinado processo. Basicamente os passos a
seguir são, conforme [ 7 ]:
• Obter o modelo discreto G(z) da planta G(s) como mostrado na Figura
3.1;
• Utilizar G(z) para projetar o controlador C(z).
Para obter o modelo discreto de um determinado processo ou sistema
utilizam-se ferramentas computacionais. Na fase de análise e projeto podem-se
aplicar técnicas conhecidas para os sistemas contínuos (projeto por lugar das raízes,
métodos freqüenciais, etc).
42
Figura 3.1 – Sistema de controle discreto
43
Capítulo 4: Metodologia
Uma vez que o projeto está decomposto em três módulos, todo o
dimensionamento e seleção de componentes deverá ser efetuado levando sempre
em consideração os trabalhos futuros. Dentre as tarefas a serem realizadas, em
primeira mão pode-se citar o projeto da bancada, o dimensionamento estrutural e a
seleção dos componentes do circuito hidráulico e do circuito eletro-eletrônico. Por
fim, a montagem da bancada, a instalação dos circuitos e os ajustes necessários
para o conjunto operar corretamente. Estas tarefas são realizadas pelo aluno de
Engenharia Mecânica Raphael Maron Athanasio e pelo aluno de Engenharia de
Controle e Automação Irving Muraro.
As tarefas relacionadas ao sistema de instrumentação e circuitos elétricos são
cumpridas pelo presente aluno, o qual teve início de seu Projeto de Fim de Curso no
mês de setembro próximo passado.
O projeto mecânico e hidráulico está fundamentado nos conceitos e técnicas
ministradas nas disciplinas do curso de engenharia mecânica. As áreas de controle e
circuitos elétricos são contempladas no curso de engenharia de controle e
automação industrial. Princípios de metrologia e instrumentação são vistos em
ambos os cursos.
Conceitos e técnicas específicos de hidráulica estão disponíveis em
publicações dos professores e alunos vinculados ao LASHIP.
4.1: Cronograma
Atividades previstas:
1) Projeto dos comandos lógicos com seguida ordem de execução para a
unidade de potência hidráulica.
2) Obtenção das especificações dos componentes elétricos.
3) Desenvolvimento e verificação do software de aquisição de dados e
controle.
44
4) Relatório final.
4.2: Recursos Disponíveis
Equipamentos e materiais a serem doados pela empresa Bosch Rexroth:
• 01 Unidade de potência hidráulica completa;
• Perfis em alumínio para construção da bancada para montagem de
circuitos;
• 04 válvulas proporcionais ou servoválvulas de diferentes tamanhos
nominais;
• 02 cilindros simétricos de diferentes diâmetros;
• 02 cilindros assimétricos de diferentes diâmetros;
• Subplacas para componentes hidráulicos para conexões mecânicas e
hidráulicas.
Equipamentos disponíveis no LASHIP:
Sistema de controle e aquisição de dados – Plataforma VXI incluindo:
• Placa de interface PCI-MXI-2 – NATIONAL INSTRUMENTS;
• Módulo de Interfaceamento VXI-MXI-2 – NATIONAL INSTRUMENTS;
• Bastidor – MOD. E1421 B – Hewlett Packard;
• Módulo de entradas à relé multiplexado 16 canais – MOD. E1347 A –
Hewlett Packard;
• Módulo de saídas digitais 32 canais – MOD. 1463 A – Hewlett Packard;
• Coversor D/A de 4 canais – MOD E1328 A – Hewlett Packard;
• Multímetro 5 1/2 Digitos – MOD. E1411 B – Hewlett Packard.
• Transdutores de pressão (03)
• Computador Pentium III
45
Capítulo 5: Desenvolvimento do Trabalho
5.1: Especificações Gerais
Tendo em vista que o projeto da plataforma de hidráulica proporcional
apresenta os objetivos citados no item 1.1: e algumas limitações, levantaram-se as
especificações seguintes para o módulo 1 (bancada de trabalho):
Especificações para o projeto visando atender à análise e projeto de
posicionadores hidráulicos:
• Avaliação de sistemas com respostas dinâmicas rápidas e lentas;
• Cilindro do posicionador com atrito baixo e com características bem
regulares e repetitivas, possibilitando sua identificação;
• Carga variável: Pode envolver mudança de forças equivalentes a ação
do atrito;
• Massa de carregamento variável;
• Estrutura rígida. Dimensionamento da estrutura em função dos
esforços aplicados;
• Controle de posição eficiente;
• Controle de velocidade para permitir o deslocamento do pistão de
forma contínua e estável ao longo de toda faixa de operação;
• Sistema de segurança para evitar sobre-pressão na linha;
• Válvulas direcionais com diferentes centros objetivando comparação
entre o comportamento de cada componente;
• Possibilidade de implementação de diversos circuitos;
• Conexão através de tubulação rígida ou mangueira entre cilindro e
válvula proporcional;
46
• Baixo peso da unidade hidráulica e da bancada de trabalho para
facilitar o transporte;
• Baixo peso dos componentes de montagem de circuitos para facilitar
manuseio;
• Boa aparência - Características de equipamento industrial moderno;
• Atuadores com amortecimento no fim de curso;
• Possibilidade de controle de posição linear e não linear;
• Chave geral de desligamento do circuito e relaxação do sistema;
• Prevenção quanto à ocorrência de choques mecânicos durante a
simulação de carga;
• Interface didática com o usuário mostrando o diagrama funcional do
circuito através do circuito hidráulico e diagrama de blocos;
• Otimização na configuração do circuito e dimensionamento correto dos
componentes para evitar a necessidade de sistemas de refrigeração do
óleo;
• Baixo ruído acústico;
• Baixo nível de vibrações mecânicas;
• Instrumentação para medição das principais variáveis como vazão,
pressão, forças de deslocamento, posição, etc;
• Facilidade de limpeza;
• Construção compacta da bancada;
• Possibilidade de realização de ensaios experimentais, tais como,
histerese, repetibilidade, rigidez, freqüência natural, tempo de resposta,
medição de ganhos.
Visando expansão da plataforma para o estudo de sistemas hidráulicos de
forma geral:
47
• Fins de curso na forma de interruptores elétricos, sensores eletrônicos
e válvulas hidráulicas;
• Unidade hidráulica como elemento didático também:
o Constituída de circuito fixo, mas que possa terparâmetros
ajustáveis (como vazão e pressão);
o Com proteção contra sobrepressão e redução de pressão quando a
linha de suprimento para a bancada de trabalho não estiver sendo
usada;
o Suprimento de pressão através de duas bombas em paralelo,
sendo uma de deslocamento fixo e a outra de deslocamento
variável.
5.2: Estruturação do Módulo 1
A estrutura geral do Módulo 1 está exposta na Figura 5.1, compondo-se de
um computador com software LABVIEW, um sistema de aquisição de dados e
controle VXI, a Unidade de Potência Hidráulica que inclui o circuito hidráulico
propriamente dito, um CLP e uma painel de interface com o usuário.
Usuário / Ambiente Externo (EXT)
infex Computador VXI
SE
SE
BancadaCircuitoHidráulico
CLP
SE
UPCH
mat/
EHEE infex
Painel de
Interface infexSE
Legenda:
SE - Sinais Elétricos EE - Energia Elétrica EH - Energia Hidráulica
Figura 5.1 – Diagrama da estrutura da Bancada de Trabalho
48
5.3: Projeto da Estrutura da Bancada
Utilizou-se, para o projeto mecânico da bancada, alguns itens padrões para
bancadas hidráulicas da BoschRexroth (DS3 Synergy). Alguns detalhes, porém,
diferenciam a bancada DS3 Synergy da bancada em projeto no LASHIP.
Na bancada deste projeto pretende-se utilizar uma placa perfurada como a
que fica em baixo da bandeja e, sobre ela montar o painel com grade de fixação dos
componentes. E isso é feito dos dois lados da placa perfurada. Além desses dois
painéis com grades verticais, seria utilizado mais um painel com grade horizontal,
conforme a Figura 5.1. Existe, entretanto, um espaço entre esse painel horizontal e
os dois painéis verticais, onde poderão ser dispostos os cilindros.
Uma idéia a considerar seria a união entre válvulas e cilindros por meio de
tubos rígidos e curtos, tais que caibam naquele espaço entre os painéis. O objetivo
com isso é diminuir o volume de óleo entre válvulas e cilindros, diminuindo ao
máximo o tempo de resposta. Há também a necessidade de se ter disponíveis os
dois lados da bancada para montagem de circuitos, permitindo assim um maior
aproveitamento do espaço.
Figura 5.1 – Estrutura da bancada
49
Para a ligação elétrica serão empregados módulos elétricos com dimensões
iguais a da bancada DS3 Synergy. Porém os bornes serão próprios para este
projeto, incluindo ligações para sinais digitais e analógicos. Estas caixas serão
ligadas ao sistema de aquisição de dados VXI.
5.4: Componentes Hidráulicos para Montagem dos Circuitos
Em Sistemas Hidráulicos de Controle de Posição existem três configurações
mais utilizadas na prática industrial, são elas:
• Válvulas direcionais proporcionais simétricas combinadas com cilindros
simétricos;
• Válvulas direcionais proporcionais assimétricas combinadas com
cilindros assimétricos (2:1);
• Válvulas proporcionais de 3 vias combinadas com cilindros de simples
ação;
No estudo das três configurações acima, sugere-se a comparação através da
determinação das vantagens e desvantagens de cada uma dependendo da
aplicação. Cada configuração apresenta características estáticas, dinâmicas,
consumo de energia, relação peso/potência, espaço etc., diferentes e são mais
adequadas para aplicações específicas. Para verificação da validade da
sistematização do projeto desses sistemas são necessários no mínimo três
conjuntos distintos de cada configuração, cada conjunto com capacidades
volumétricas diferentes (válvula e cilindro), possibilitando 9 combinações diferentes e
uma ampla faixa de respostas dinâmicas.
5.5: Projeto da Unidade de Potência Hidráulica
Com a finalidade de atender a diversas configurações de válvulas e cilindros
que irão compor os sistemas projetados durante as disciplinas, a unidade de
potência hidráulica precisa ser bastante versátil. Para tal, constitui-se do circuito
hidráulico propriamente dito e de um CLP com o circuito elétrico complementar.
50
5.5.1: Circuito Hidráulico
Além da versatilidade mencionada acima, a unidade de potência deve ser
compacta de modo que possa ser movimentada com facilidade. Para isso, os
tamanhos do motor elétrico, das bombas e do reservatório devem ser muito
limitados. Tem-se então como uma solução bastante viável, a utilização de um
acumulador de bexiga, para suprir as necessidades de altas vazões das válvulas
proporcionais em curtos intervalos de tempo, ou seja, vazões de pico. Assim, as
bombas e, conseqüentemente, o reservatório e o motor elétrico podem ser
selecionados de tamanhos um pouco menores como o que seria necessário se não
fosse utilizado o acumulador.
Foram idealizadas duas bombas para a unidade, uma de deslocamento fixo e
outra de deslocamento variável. As vazões das bombas desta unidade podem ser
combinadas por meio de duas válvulas direcionais, 0V3 e 0V7, para alimentar um
lado da bancada, ou outro, ou até ambos conforme Figura 5.1. Além dessas duas
válvulas direcionais, há outras duas, 0V4 e 0V8, que fazem o controle da
alimentação do acumulador e de sua saída para os sistemas da bancada através de
engates rápidos.
Optou-se pela utilização de 3 conjuntos prontos, cada um incluindo outros
componentes (melhor entendido pela visualização do diagrama hidráulico), que
atendessem a diferentes necessidades. Um para fazer o controle do acumulador,
que inclusive o acompanha. Outro para realizar a filtragem, incluindo filtro, válvula de
retenção e indicador de ensujamento. E um terceiro, que seria uma Mini Unidade
Compacta, padrão BoschRexroth, que além dos componentes que a constituem,
incluísse um medidor de nível com saída elétrica, para leitura através do CLP. A
finalidade dessa Mini Unidade Compacta é de captar o óleo recolhido através das
bandejas da bancada e devolvê-lo ao reservatório, passando pelo filtro.
Um detalhe importante é que o circuito da unidade de potência deve ser bem
visível, e o mais claro possível, para fins didáticos. Assim seria indesejável a
utilização de blocos que não permitam a visualização do circuito hidráulico. Outra
sugestão que visa facilitar o entendimento é a montagem do circuito na vertical, caso
seja possível.
51
0S1
M
0P1 0P2
0M1
0V2
0V1
0V3
0V4
1V1
0V6
0V5
0V7
0V8
0V12
0V11
2V1
0V13
0Z1
0Z2
0Z3
0Z6
0Z9 0S2
0Z5
0Z7
Y1 Y2
Y1 Y2
Y1 Y2 Y1 Y2
Y1
M
0P30M2
0Z14
0Z15
0V17
0V10
0V9
1Z1 2Z1
0Z16
0Z10
0Z11
P2 P1 T P2 P1 T
0V14
0Z4
0Z0
0Z13
0Z8
0V15
0Z12
Figura 5.1 – Circuito hidráulico da bancada de ensaios
Neste circuito, chamou-se Lado 1 o lado esquerdo e Lado 2 o lado direito da
Figura 5.1.
52
5.5.2: Circuito Lógico, Circuito Elétrico e CLP
Sendo que o restante deste documento é o principal motivo do presente aluno
estar junto à realização deste trabalho, já discorrido no Capítulo 4:, este será
extremamente elucidado.
O primeiro passo a ser dado aqui foi o projeto do circuito lógico (circuito
elétrico e programa do CLP) da unidade hidráulica para, em seguida, obter a
especificação dos componentes elétricos (CLP, chaves, lâmpadas, chaves de
partida de motor, etc.). Para tanto, mostra-se a seguir o projeto de comando
combinatório, a ordem de execução e posterior levantamento dos componentes
elétricos.
5.5.2.1: Projeto de Comando Combinatório
A bancada de trabalho didática contém dois lados, como visto no item 5.5.1:,
com três linhas de pressão cada uma, e possui a seguinte configuração:
• Cada lado possui duas linhas de pressão que podem ser utilizadas da
seguinte forma:
o Via 1 (P1): pode-se fazer uso de qualquer bomba (inclusive as duas
ao mesmo tempo) e/ou acumulador;
o Via 2 (P2): somente o uso do acumulador é possível.
• Cada lado possui uma linha de retorno do fluido.
Para tal, o leiaute do painel de configuraçãoda bancada ficou assim definido:
Bomba Fixa
Bomba Variável
Acumulador
Início
Fim
Bomba Fixa
Bomba Variável
Acumulador
Indicador de Estado
LADO1
Bomba Fixa
Bomba Variável
Acumulador
Início
Fim
Bomba Fixa
Bomba Variável
Acumulador
Indicador de Estado
LADO2
ErroErro
Onde, a notação utilizada para identificar os botões é dada a seguir:
Lado1: Lado2:
53
o Bomba Fixa = 1S1
o Bomba Variável = 1S2
o Acumulador = 1S3
o Início = 1S4
o Fim = 1S5
o Bomba Fixa = 2S1
o Bomba Variável = 2S2
o Acumulador = 2S3
o Início = 2S4
o Fim = 2S5
E a notação utilizada para identificar as luzes indicativas é:
Indicador de Estado, que é igual para os dois lados:
o Bomba Fixa = 0L1
o Bomba Variável = 0L2
o Acumulador = 0L3
Indicador de Alarme:
Lado1:
o Bomba Fixa = 1L1
o Bomba Variável = 1L2
o Acumulador = 1L3
Lado2:
o Bomba Fixa = 2L1
o Bomba Variável = 2L2
o Acumulador = 2L3
O indicador de estado significa que o recurso foi selecionado por algum lado,
desde que a escolha deste seja válida. Ou seja, o lado que escolheu tal recurso tem
este reservado. Após o acionamento do botão de início, o indicador de início só
acende quando a configuração da unidade hidráulica está efetivamente em
operação. Neste momento o indicador de fim desliga.
Lado1:
o Início = 1L4
o Fim = 1L5
Lado2:
o Início = 2L4
o Fim = 2L5
54
o Erro = 1L6 o Erro = 2L6
O uso desta luz de início deve-se ao fato de que quando um usuário, de um
lado da bancada, seleciona o acumulador, este requer uso de uma das bombas para
enchê-lo. Então, esta luz só acende quando o enchimento do acumulador é
completado. Para tanto, adotou-se o seguinte critério de enchimento:
• Se, de um lado, for selecionado apenas o acumulador, este será cheio
pela bomba fixa; caso esta bomba esteja sendo utilizada pelo outro
lado, a bomba variável é quem vai enchê-lo.
• Se forem selecionados o acumulador e uma das bombas, a bomba
selecionada é quem vai encher o acumulador.
• Se forem selecionados o acumulador e as duas bombas, novamente
será a bomba fixa quem vai enchê-lo.
Na discussão acima já está se levando em conta que a configuração feita pelo
usuário é válida para possível início do sistema, ou seja, só falta o usuário do lado
em questão apertar o botão de início. As configurações válidas serão mostradas
brevemente.
Sendo assim, montou-se uma tabela de correspondência lógica das variáveis
de entrada e saída do sistema:
Variáveis de entrada Notação Correspondência lógica
Sinal de estado do acumulador
Sinal de uso da bomba fixa pelo lado1
Sinal de uso da bomba variável pelo lado1
Sinal de uso do acumulador pelo lado1
Sinal para início de uso do lado1
Sinal para fim de uso do lado1
Sinal de uso da bomba fixa pelo lado2
Sinal de uso da bomba variável pelo lado2
Sinal de uso do acumulador pelo lado2
0S1
1S1
1S2
1S3
1S4
1S5
2S1
2S2
2S3
Acumulador cheio; 0S1 = 1
Usar bomba fixa para o lado1; 1S1 = 1
Usar bomba variável para o lado1; 1S2 = 1
Usar acumulador para o lado1; 1S3 = 1
Iniciar uso do lado1; 1S4 = 1
Finalizar uso do lado1; 1S5 = 1
Usar bomba fixa para o lado2; 2S1 = 1
Usar bomba variável para o lado2; 2S2 = 1
Usar acumulador para o lado2; 2S3 = 1
55
Sinal para início de uso do lado2
Sinal para fim de uso do lado2
2S4
2S5
Iniciar uso do lado2; 2S4 = 1
Finalizar uso do lado2; 2S5 = 1
Variáveis de saída
Luz indicativa de uso da bomba fixa
Luz indicativa de uso da bomba variável
Luz indicativa de uso do acumulador
Luz p/ alarme de uso da bomba fixa pelo lado1
Luz p/ alarme de uso da b. variável pelo lado1
Luz p/ alarme de uso do acumulador pelo lado1
Luz indicativa de operação do lado1
Luz indicativa de repouso do lado1
Luz indicativa de erro para lado1
Luz p/ alarme de uso da bomba fixa pelo lado2
Luz p/ alarme de uso da b. variável pelo lado2
Luz p/ alarme de uso do acumulador pelo lado2
Luz indicativa de operação do lado2
Luz indicativa de repouso do lado2
Luz indicativa de erro para lado2
0L1
0L2
0L3
1L1
1L2
1L3
1L4
1L5
1L6
2L1
2L2
2L3
2L4
2L5
2L6
Bomba fixa usada/selecionada; 0L1 = 1
B. variável usada/selecionada; 0L2 = 1
Acumulador usado/selecionado; 0L3 = 1
B. fixa não pode ser selecionada; 1L1 = 1
B. var. não pode ser selecionada; 1L2 = 1
Acum. não pode ser selecionado; 1L3 = 1
Lado1 está em operação; 1L4 = 1
Lado1 está desligado; 1L5 = 1
Lado1 há erro; 1L6 = 1
B. fixa não pode ser selecionada; 2L1 = 1
B. var. não pode ser selecionada; 2L2 = 1
Acum. não pode ser selecionado; 2L3 = 1
Lado2 está em operação; 2L4 = 1
Lado2 está desligado; 2L5 = 1
Lado2 há erro; 2L6 = 1
Deve-se observar que o início de qualquer um dos lados somente é possível
se algum recurso for selecionado (bomba fixa, bomba variável ou acumulador). Além
disso, os botões 1S3 e 2S3 são de três estágios, pois: para via 2 (P2), somente o
uso do acumulador é possível (XS31); e para via 1 (P1), o acumulador pode ser
utilizado combinado ou não com qualquer uma das bombas (XS32). Ou seja:
posição 2 do botão significa o uso do acumulador sozinho (via 2); posição 1 do botão
significa o uso do acumulador com bomba (via 1). Acima, X pode assumir 1 ou 2
dependendo do lado em questão.
Com a tabela de correspondência lógica em mãos montou-se uma tabela
verdade (Tabela A 1), em anexo, visando-se obter as condições válidas de início
(S11 e S12 para lado1 e lado2, respectivamente), ou seja, quando os botões de
início do sistema (1S4 e 2S4) podem ser acionados. Como a tabela é muito grande,
56
dividiu-se em duas partes e ainda utilizou-se de um artifício, com uso do asterisco,
para limitar o tamanho da tabela. O asterisco indica que o valor da variável de saída
é 1 se a variável de entrada (pressostato – 0S1) também estiver em 1, o que
significa que o acumulador já está cheio e a bomba utilizada para seu enchimento já
está liberada.
Por simplificação, chegou-se às seguintes condições:
11 1 1.1 2.1 3.2 3.(2 1 2 2) 1 1.1 2.1 3.2 2
1 1.1 2.1 3.2 2.2 3 1 1.1 2.1 3.2 1.(2 2 0 1 2 3)
1 1.1 2.1 3.2 1.2 3 1 1.1 2.1 3.2 1.2 2.(0 1 2 3)
1 1.1 2.1 3.2 1.2 2.2 3
S S S S S S S S S S S
S S S S S S S S S S S S
S S S S S S S S S S S S
S S S S S S
= + + +
+ + + +
+ + +
31.21.11.32.22.12
)3110.(21.11.32.22.1231.11.32.22.12
)311021.(11.32.22.1231.21.32.22.12
21.32.22.12)2111.(31.32.22.1212
SSSSSS
SSSSSSSSSSSS
SSSSSSSSSSSS
SSSSSSSSSSS
+++
++++
+++=
Onde os diagramas de contatos são dados a seguir:
2S1
]/[
S11
( )
1S1
]/[
1S2
]/[
1S3
] [
2S3
]/[
1S1
]/[
1S2
] [
1S3
]/[
2S2
]/[
1S1
]/[
1S2
] [
1S3
] [
2S2
]/[
1S1
] [
1S2
]/[
1S3
]/[
2S1
]/[
2S2
] [
1S1
] [
1S2
]/[
1S3
] [
2S1
]/[
2S3
]/[
1S1
] [
1S2
] [
1S3
]/[
2S1
]/[
2S2
]/[
1S1
] [
1S2
] [
1S3
] [
2S1
]/[
2S2
]/[
2S3
]/[
2S2
]/[
2S3
]/[
0S1
] [
2S3
]/[
0S1
] [
2S3
]/[
57
1S1
]/[
S12
( )
2S1
]/[
2S2
]/[
2S3
] [
1S3
]/[
2S1
]/[
2S2
] [
2S3
]/[
1S2
]/[
2S1
]/[
2S2
] [
2S3
] [
1S2
]/[
2S1
] [
2S2
]/[
2S3
]/[
1S1
]/[
1S2
] [
2S1
] [
2S2
]/[
2S3
] [
1S1
]/[
1S3
]/[
2S1
] [
2S2
] [
2S3
]/[
1S1
]/[
1S2
]/[
2S1
] [
2S2
] [
2S3
] [
1S1
]/[
1S2
]/[
1S3
]/[
1S2
]/[
1S3
]/[
0S1
] [
1S3
]/[
0S1
] [
1S3
]/[
Para melhor entendimento das equações, explicam-se nos seguintes pontos
os significados destas:
• Quando somente o acumulador é selecionado por um lado, este não
pode estar em uso pelooutro lado e uma das bombas tem que estar
ociosa;
• Quando somente a bomba variável é escolhida por um lado, basta que
o outro lado não a tenha escolhido;
• Quando a bomba variável e o acumulador são escolhidos por um lado,
basta que os mesmos não tenham sido escolhidos pelo outro lado;
• Quando somente a bomba fixa foi escolhida por um lado, a mesma não
pode ter sido escolhida pelo outro lado. Além disso, uma das seguintes
opções tem que ser válida: o outro lado escolheu a bomba variável, ou
o acumulador já está cheio (sensor 0S1=1), ou o acumulador não foi
escolhido;
• Quando a bomba fixa e o acumulador foram escolhidos por um lado,
basta que estes não tenham sido escolhidos pelo outro lado;
• Quando somente as duas bombas foram escolhidas por um lado, estas
não podem ter sido escolhidas pelo outro lado. Além disso, ou o
58
acumulador já está cheio (sensor 0S1=1) ou o outro lado não escolheu
o acumulador;
• Por fim, quando um lado escolhe todos os recursos disponíveis na
bancada, o outro lado não pode ter escolhido algum destes recursos.
Chamando-se as saídas de S1 e S2 do lado1 e lado2, respectivamente,
construiu-se uma nova tabela verdade (Tabela A 2), em anexo.
Aonde se chegou às seguintes simplificações:
)141.11.1.(511 aSSSaSSS +=
)242.12.2.(522 aSSSaSSS +=
Onde o diagrama de contatos é dado abaixo:
S1
( )
1S4
] [
S1a
]/[
S11
] [
S1a
] [
S2
( )
2S4
] [
S2a
]/[
S12
] [
S2a
] [
1S5
]/[
2S5
]/[
As equações significam que as saídas do sistema, para qualquer lado, são
válidas uma vez que as condições de início foram válidas (S11, S12) ao mesmo
tempo em que o botão de início foi acionado (1S4, 2S4) e enquanto que o botão de
desliga não é acionado (1S5, 2S5). Isso faz com que a mudança de configuração do
sistema já em operação, para qualquer lado, necessite da finalização deste antes.
Ambos os lados da bancada possuem luzes indicadoras de alarme ao lado
de cada recurso, acionadas quando o recurso que se quer selecionar em um lado da
bancada já foi selecionado pelo outro lado. A parte da lógica associada a cada saída
destas lâmpadas, que somente diz respeito à ordem de acionamento dos botões à
cada lado da bancada, foi obtida da tabela verdade (Tabela A 3) em anexo.
Adicionou-se ainda, a parte que diz respeito à condição não válida para a seleção da
bomba fixa (Tabela A 4) e para a seleção do acumulador (Tabela A 5). Analisam-se
essas condições adicionais somente para dois recursos, os quais são:
59
• Bomba fixa: caso o outro lado selecionou somente o acumulador
anteriormente, esta bomba pode estar sendo utilizada para enchimento
deste;
• Acumulador: se o outro usuário selecionou somente as duas bombas
anteriormente, não há maneira de encher o acumulador;
As saídas foram nomeadas da seguinte maneira:
S21 é o alarme para o botão 1S1;
S31 é o alarme para o botão 1S2;
S41 é o alarme para o botão 1S3;
S22 é o alarme para o botão 2S1
S32 é o alarme para o botão 2S2
S42 é o alarme para o botão 2S3
As equações booleanas ficam assim definidas:
Da Tabela A 3:
)31.32.(32.3141
)21.22.(22.2131
)11.12.(12.1121
aSaSSSS
aSaSSSS
aSaSSSS
+=
+=
+=
;
)32.31.(32.3142
)22.21.(22.2132
)12.11.(12.1122
aSaSSSS
aSaSSSS
aSaSSSS
+=
+=
+=
Da Tabela A 4:
10)].1231.21.11.(31.21.11.12[22
10)].1132.22.12.(32.22.12.11[21
SaSaSaSaSSSSSS
SaSaSaSaSSSSSS
+=
+=
Da Tabela A 5:
10)].32.31.21.11.(31.21.11.32[42
10)].31.32.22.12.(32.22.12.31[41
SaSaSaSaSSSSSS
SaSaSaSaSSSSSS
+=
+=
Juntando-se os termos achados nestas tabelas têm-se:
]10).31.32.22.12.(32.22.12.[31)]31.32.(32.[3141
)21.22.(22.2131
]10).1132.22.12.(32.22.12.[11)]11.12.(12.[1121
SaSaSaSaSSSSSaSaSSSS
aSaSSSS
SaSaSaSaSSSSSaSaSSSS
+++=
+=
+++=
]10).32.31.21.11.(31.21.11.[32)]32.31(31.[3242
)22.21.(22.2132
]10).1231.21.11.(31.21.11.[12)]12.11(11.[1222
SaSaSaSaSSSSSaSaSSSS
aSaSSSS
SaSaSaSaSSSSSaSaSSSS
+++=
+=
+++=
60
Onde os diagramas de contatos são mostrados abaixo:
S41
( )
2S1
] [
S21
( )
1S1a
]/[
2S1
] [
1S1
] [
2S1a
] [
S31
( )
2S2
] [
1S2
] [
2S2a
] [
1S3a
]/[
2S3
] [
1S3
] [
2S3a
] [
2S2a
] [
2S2
]/[
2S3
] [
2S1a
]/[
2S2a
]/[
2S3a
] [
1S1a
]/[
0S1
]/[
2S1
]/[
2S2
] [
2S3
]/[
2S1a
] [
2S2a
] [
2S3a
]/[
1S3a
]/[
0S1
]/[
S32
( )
2S2
] [
1S2
] [
1S2a
] [
2S2a
]/[
S22
( )
2S1a
]/[
2S1
] [
1S1
] [
1S1a
] [
1S2
]/[
1S3
] [
1S1a
]/[
1S2a
]/[
1S3a
] [
2S1a
]/[
0S1
]/[
1S1
]/[
S42
( )
1S1
] [
2S3a
]/[
2S3
] [
1S3
] [
1S3a
] [
1S2
] [
1S3
]/[
1S1a
] [
1S2a
] [
1S3a
]/[
2S3a
]/[
0S1
]/[
Há, ainda, uma luz indicativa de erro para cada lado (independentes). Esta
luz de erro acende-se quando o lado em questão fez sua escolha, no entanto esta
não satisfaz as condições válidas descritas por S11 e S12. Assim, têm-se:
12.4272
11.4171
SSS
SSS
=
=
61
Onde S71 e S72 significam erro para o lado1 e erro para o lado2 respectivamente.
Abaixo, mostram-se os diagramas de contatos:
2S4
] [
1S4
] [
S71
( )
S11
]/[
S72
( )
S12
]/[
Também há um painel com luzes indicativas do estado do sistema,
acendendo-se as luzes de cada recurso (bombas e acumulador) selecionado para
uso por qualquer um dos lados. Ou seja, é independente do lado que o selecionou.
Se o usuário apertar o botão e este não der o sinal de alarme a ele correspondente,
então o recurso escolhido aparece como reservado em ambos os lados (não
confunda com: para ambos os lados). A lógica associada a cada saída da lâmpada,
por simplicidade, não necessita da construção de uma tabela verdade.
01 1 1. 21 2 1. 22
02 1 2. 31 2 2. 32
03 1 3. 41 2 3. 42
S S S S S
S S S S S
S S S S S
= +
= +
= +
Onde o diagrama de contatos é dado a seguir:
S01
( )
S21
]/[
1S1
] [
S22
]/[
2S1
] [
S02
( )
S31
]/[
1S2
] [
S32
]/[
2S2
] [
S03
( )
S41
]/[
1S3
] [
S42
]/[
2S3
] [
Retomando-se as luzes de início do sistema, chega-se às seguintes
equações conforme Tabela A 6, em anexo:
)3210.(252
)3110.(151
SSSS
SSSS
+=
+=
62
Ou seja, uma vez que a saída do lado em questão é válida e o acumulador
está cheio ou este não foi selecionado, a luz de início se acende indicando que a
bancada está pronta para ser utilizada.
O diagrama de contatos é dado abaixo:
S51
( )
S1
] [
0S1
] [
1S3
]/[
S52
( )
S2
] [
0S1
] [
2S3
]/[
No entanto, a fim de assegurar a ordem de execução descrita a seguir na
seção 5.5.2.2:, deve-se adicionar as seguintes variáveis:
)32.3232.32.(2)22.2222.22.(2)12.1212.12.(282
)31.3131.31.(1)21.2121.21.(1)11.1111.11.(181
SaSSaSSSaSSaSSSaSSaSSS
SaSSaSSSaSSaSSSaSSaSSS
+++++=
+++++=
825292
815191
SSS
SSS
+=
+=
As equações S91 e S92 garantem que o sistema será desligado quando se
aperta no botão desliga ou se muda a configuração do sistema do lado em questão,
quando este está em operação. Isto se faz necessário por questões de segurança.
Finalmente, em cada lado da bancada há um sinaleiro vermelho junto ao
botão “Fim”. Quando aceso, indica que a unidade de potência ainda não está
pronta para operação, aguardando que o operador faça a seleção desejada e acione
o botão “Início”. A equação deste sinaleiro é o oposto ao do sinaleiro de início:
5262
5161
SS
SS
=
=
Onde o diagrama de contatos é dado a seguir:
S61
( )
S51
]/[
S62
( )
S52
]/[
63
Quando a chave geral da unidade de potência for desligada, todas as luzes
deverão ser desligadas como se pode ver no diagrama do circuitoelétrico na Figura
5.4.
As modelagens das saídas do CLP foram feitas com relação a cada botão
(entrada) a ser acionado. A lógica associada a cada botão com relação ao
acionamento dos solenóides na unidade de potência hidráulica é mostrada abaixo.
Os botões 1S3 e 2S3 são de três estágios, sendo que o estágio 1 é destinado ao
uso do acumulador para linha 1 e o estágio 2 ao uso para a linha 2.
321)40(1).110(1
311)80(1).110(1
32131131
21)30(1
11)70(1
SVYVY
SVYVY
SSS
SVY
SVY
=
=
+=
=
=
322)40(2).110(1
312)80(2).110(1
32231232
22)30(2
12)70(2
SVYVY
SVYVY
SSS
SVY
SVY
=
=
+=
=
=
5.5.2.2: Ordem de Execução
Neste item, descrever-se-á a ordem de execução das equações booleanas
encontradas no item anterior para a unidade de potência hidráulica.
Alarmes
Calcular S21;
Calcular S31;
Calcular S41;
Calcular S22;
Calcular S32;
Calcular S42;
1L1 = S21;
1L2 = S31;
1L3 = S41;
2L1 = S22;
2L2 = S32;
64
2L3 = S42;
↓
Estados
0L1 = S01;
0L2 = S02;
0L3 = S03;
↓
Avaliações das Combinações
Calcular S11;
Calcular S12;
Verificar S91;
Verificar S92;
↓
Saídas
Verificar S1;
Verificar S2;
↓
Luzes de Erro
Calcular S71;
Calcular S72;
1L6 = S71;
2L6 = S72;
↓
Partida do Sistema Físico
Y1(0V7) = 1S1;
Y1(0V3) = 1S2;
65
Calcular 1S3;
Y1(0V11).Y1(0V8) = 1S31;
Y1(0V11).Y1(0V4) = 1S32;
Y2(0V7) = 2S1;
Y2(0V3) = 2S2;
Calcular 2S3;
Y1(0V11).Y2(0V8) = 2S31;
Y1(0V11).Y2(0V4) = 2S32;
Chamar Grafcet1 e Grafcet2;
↓
Luzes de Início e Fim
Calcular S51;
Calcular S52;
Calcular S61;
Calcular S62;
1L4 = S51;
2L4 = S52;
1L5 = S61;
2L5 = S62;
Onde o Grafcet1 ficou definido como mostrado na Figura 5.1 (o Grafcet2 não
será mostrado devido sua semelhança ao primeiro):
66
Figura 5.1 – Grafcet1
67
5.5.2.3: Componentes Elétricos (CLP, Sinaleiros e Chaves)
Com as saídas e entradas digitais já definidas para o sistema, pode-se
dimensionar e selecionar o CLP a ser utilizado na unidade hidráulica de potência.
Visto que são necessárias treze (13) entradas digitais, vinte e duas (22) saídas
digitais, escolheu-se o modelo CL150 da BoschRexroth segundo Figura 5.1. O
diagrama da ligação do CLP com os atuadores e sensores pode ser mostrado
conforme a Figura 5.4.
Figura 5.1 – Foto do CL150 com módulos acoplados
O CL150 possui as seguintes características:
• Oito entradas digitais de 24V
• Oito saídas digitais de 0,5A
• Possui capacidade para extensão modular.
Para melhor ilustrar as partes que compõem o CLP em questão da Figura 5.1,
faz-se necessário o uso da Figura 5.2 e da Figura 5.3.
68
Figura 5.2 – Ilustração referente à Figura 5.1
Figura 5.3 – Partes do CL150
69
Onde:
1) Indicações LED (diodo luminoso)
2) Interruptor basculante Stop/Run
3) Botão Copy/Battery
4) Interface V.24 para conexão de aparatos de conexão
5) Campo de escritura para entradas digitais
6) Indicação de estado para entradas digitais
7) Saídas de 24V para abastecimento de sensor
8) Entradas digitais
9) Campo de escritura para saídas digitais
10) Indicação de estado para saídas digitais
11) Saídas digitais
12) Potencial de referência de 0V para atuadores
13) Conector para os módulos B~IO
14) Abastecimento de 24V
15) Potencial de referência de 0V para fontes de tensão
16) Terra funcional
Dentre as entradas e saídas digitais do CLP necessárias à bancada tem-se:
• Entradas: dez (10) botões, sendo dois (2) de três (3) estágios, e um (1)
sensor magnético.
• Saídas: nove (9) solenóides e dezesseis (16) sinaleiros (luzes
indicadoras); para tanto, serão necessárias apenas treze (13) saídas
devido a seis (6) sinaleiros serem ligados em par (indicadores de
estado).
Com base nas informações do manual do CL150 e a fim de suprir as
necessidades no que diz respeito à corrente de acionamento dos solenóides (1A) da
unidade de potência hidráulica, requerem-se, além do CL150 (1070 080 502):
70
• Um (1) módulo de entradas digitais do tipo 1070 079 757. O módulo
possui oito entradas de 24V.
• Dois (2) módulos de saídas digitais do tipo 1070 080 151. Cada módulo
possui oito saídas de 2A.
• Conector para os módulos (1070 079 782).
As características relevantes destas entradas e saídas são descritas abaixo:
• Entradas digitais: 24V
o Sinal 0: -3 a 5V / =< 2.5mA
o Sinal 1: 11 a 30V / 2.8 a 6mA
• Saídas digitais: 24V / 0.5A
o Sinal 1: 2mA – 0.6A
o Sinal 0: <0.5mA
• Saídas digitais: 24V / 2A
o Sinal 1: 2mA – 2A
o Sinal 0: <0.5mA
Os sinaleiros adotados foram leds, os quais possuem as seguintes
especificações:
Tamanho = 5mm; Vled = 2V; Iled = 10 – 20mA;
Nota-se aqui a necessidade de resistores de proteção ligados em série com
os leds, para que estes possam ser ligados à rede de 24V. O cálculo dos resistores
é feito da seguinte maneira:



 −=
led
ledrede
I
VVR
Onde:
Vrede = tensão de alimentação da rede, a qual serão ligados os leds;
Vled = tensão drenada pelo led;
Iled = corrente máxima drenada pelo led.
71
Sendo assim, tem-se:
1466
015.0
224 ≅

 −=R
Aproximando-se para o valor comercial mais próximo tem-se R=1,5kΩ.
Quanto às chaves do painel, não vem ao caso discutir-se o modelo adotado já
que as únicas especificações necessárias para a escolha destas são corrente e
tensão máxima permitida. Sendo 30V e 6mA o pico máximo das entradas do CL150,
tem-se no mercado uma enorme variedade de produtos que atingem tais
especificações, onde o critério de escolha é simplesmente estético.
72
Figura 5.4 – Diagrama do circuito elétrico do CLP
73
5.6: VXIbus, LabView e Transdutor de Posição
Com o intuito de se fazer posteriormente o controle das válvulas combinadas
com cilindros, desenvolveu-se um programa no Software LabView, o qual se
comunica com o Sistema VXIbus de modo já citado no item 3.4:.
Para tanto, um transdutor de posição DIGIAC, propriedade do Laship, foi
utilizado a fim de se realizar experimentos e testes para o programa que se
desenvolveu uma vez que seu modelo já é conhecido. Este modelo validado foi
objeto de estudo dos alunos de Pós-Graduação Alvino C. da Silva Junior, Carlos
Henrique Farias dos Santos e Cristiano Schwartz.
5.6.1: Modelo
O diagrama de simulação do sistema, obtido das expressões apresentas no
item 3.3.1.2:, foi implementado no MATLAB – Simulink conforme a Figura 5.1.
Figura 5.1 – Simulador do Sistema Eletro-Hidráulico
Onde:
• Ks1=225; Ganho do sensor de posição;
• Step=3; Degrau de entrada;
• A=9.37e-4; Área líquida;
74
• B=3500; Coeficiente de atrito viscoso;
• Kquo=1.4e-5; Ganho de vazão;
• Kco=3.3e-12; Coeficiente de vazão-pressão;
• M=46.8; Massa;
• Vt=7.9e-5; Volume total de óleo;
• beta=12e8; Coeficiente de compressibilidade;
• wn=100; Freqüência natural;
• zeta=0.65; Constante de amortecimento;
• Controlador: Este apresenta o Ganho Proporcional e a Função de
Transferência da Ação Integral. Conforme experimentos mostrados
adiante, foi utilizada hora controle P hora controle PI.
5.6.2: Programa
O programa criado conta com uma interface com o Sistema VXIbus, onde são
necessárias algumas configurações para a comunicação correta com os dispositivos
conforme o manual destes fornecidos pela Hewlett Packard.
O programa em questão realiza o controle do transdutor de posição. Este
controle é feito da seguinte maneira: após a obtenção dos dados de saída do
sistema (em Volt) por meio do Multiplexador HPE1347A que imediatamente os envia
ao Multímetro HPE1411B, estes são processados pelo programa desenvolvido e
posteriormente os dados de entrada do sistema (em Volt) são fornecidos via
Conversor D/A HPE1328A conforme Figura 5.1.
A implementaçãoda lógica de controle está destacada na Figura 5.2. O sinal
adquirido pelo multímetro é comparado com o sinal de referência (erro). O “Ganho P”
e “Pólo do PI” influenciam no processamento deste sinal como se pode observar
nesta figura. Assim, obtém-se o sinal de saída do programa (ou entrada do sistema),
o qual é dirigido ao conversor D/A, conforme o controle escolhido pelo usuário.
75
Figura 5.1 – Diagrama do Programa Controlador
76
Figura 5.2 – Lógica de Controle
O programa ainda possui uma interface com o usuário onde ele pode definir o
controle a ser utilizado conforme Figura 5.3. Como se pode observar, é possível
definir-se a ação de controle proporcional e opcionalmente determinar o pólo da
77
função de transferência da ação integral. Para tanto, após o início da execução do
programa, basta aplicar-se a referência para que este efetue tal controle.
Como o programa tem o propósito de servir aos alunos de Engenharia de
Controle e Automação Industrial de maneira que, além de escolher um controlador
que satisfaça aos requisitos propostos para o sistema também se possam
compreender as dificuldades encontradas no controle de sistemas industriais, neste
pode-se definir a taxa de amostragem de aquisição, processamento e execução do
controle. A faixa de escolha da taxa está entre 5 e 100ms.
Figura 5.3 – Interface do Programa com o Usuário
A Figura 5.4, que é continuação da Figura 5.3, traz as configurações
avançadas para usuários familiarizados com os instrumentos do sistema VXI.
Nestas, pode-se escolher a faixa de leitura do multímetro, os canais que se desejam
acessar do multiplexador, os canais de atuação do conversor D/A, dentre várias
outras possibilidades.
78
Figura 5.4 – Interface com o Usuário Avançada
A verificação da resposta do sistema ao controle e aplicação do degrau de
referência escolhido é realizada através de um gráfico em tempo real que também
faz parte desta interface com o usuário, já discutida acima.
5.6.3: Experimentos
Com o intuito de verificar a funcionalidade do programa, realizaram-se testes
com este onde se experimentaram tipos de controle (P e PI), ganhos e taxas de
amostragem diferentes como se mostra a seguir.
A legenda e a notação referente aos gráficos é dada abaixo:
• K = ganho proporcional;
• t1% = tempo de resposta de 1%;
• S0 = valor do sobrepasso em relação ao valor de regime (= ymax/yreg);
• Resposta do programa:
o Em azul = resposta do sistema;
o Em vermelho = ação de controle;
• Resposta do simulador:
79
o Em verde = resposta do sistema;
o Em azul = ação de controle;
5.6.3.1: Controle P:
• Tempo de amostragem = 5ms;
• Degrau de referência = 3V.
Resposta do Programa: (K= 1; t1% = 0,9s; S0 = 0%)
Resposta do Simulador: (K= 1; t1% = 0,9s; S0 = 0%)
80
Resposta do Programa: (K= 2; t1% = 0.27s; S0 = 0%)
Resposta do Simulador: (K= 2; t1% = 0.33s; S0 = 0%)
81
Resposta do Programa: (K= 3; t1% = 0.25s; S0 = 0%)
Resposta do Simulador: (K= 3; t1% = 0.27s; S0 = 0%)
Para que não seja muito repetitivo, já que se sabe que os resultados
alcançados pelo programa são muito próximos ao do simulador, serão mostrados
apenas mais alguns experimentos com o programa.
• Tempo de amostragem = 100ms;
• Degrau de referência = 3V;
82
Resposta do Programa: (K= 1; t1% = 2.03s; S0 = 23%)
Resposta do Programa: (K= 2; t1% = 1.02s; S0 = 23%)
83
Resposta do Programa: (K= 3; t1% = 0.71s; S0 = 27%)
5.6.3.2: Controlador PI
• Tempo de amostragem = 5ms;
• Degrau de referência = 3V;
• Pólo da função de transferência da ação integral = 0,1.
Resposta do Programa: (K= 1; t1% = 0.67s; S0 = 1.5%)
84
Resposta do Programa: (K= 2; t1% = 0.32s; S0 = 3%)
Resposta do Programa: (K= 3; t1% = 0.22s; S0 = 6%)
Pode-se constatar aqui a diferença entre os tipos de controladores, onde as
respostas são semelhantes no que diz respeito ao tempo de resposta do sistema, no
entanto o controlador PI mantém erro nulo da resposta ao sinal de referência.
85
Capítulo 6: Principais Resultados
Cerca de seis meses transcorreram desde o início do projeto, no qual o
estudante teve participação ativa no desenvolvimento dos circuitos lógico e elétrico
do painel de configuração da bancada via implementação do CLP e ainda do
programa de comunicação e controle de sistemas hidráulicos por meio do VXIBus.
Devido ao longo período de tempo que o projeto demanda (complexidade,
financiamento etc) o módulo 1 da bancada ainda não está efetivamente funcionando,
no entanto se fará em futuro próximo.
No desenvolvimento dos circuitos lógico e elétrico do painel de configuração
da bancada utilizou-se o método de projeto de comandos combinatórios binários,
onde suas saídas ocorrem em função de uma determinada combinação lógica das
variáveis de entrada. Para tanto, métodos sistemáticos foram utilizados a fim de
apresentarem as seguintes vantagens:
• Elaboração rápida do projeto;
• Fácil localização e correção de erros de programação;
• Confiabilidade e segurança de funcionamento;
• Integração ou comunicação fácil entre as várias formas de execução
dos comandos;
• Facilidade para supervisão e manutenção dos comandos;
• Otimização do Projeto.
Sendo assim, o projeto fornece como resultado final o elenco das funções
lógicas e suas interligações, apropriadas para o processamento do sinal do comando
combinatório desejado. Uma vez pronto o projeto lógico, seguiu-se com a escolha
adequada da tecnologia para a implementação física do comando adotando-se o
controlador lógico programável CL150 da Bosch Rexroth.
Uma ordem de execução foi definida, no entanto faz-se necessária ainda a
utilização do método passo-a-passo para a elaboração do diagrama funcional do
86
comando seqüencial desejado, definindo bem seus passos e suas ações
correspondentes.
Quanto ao desenvolvimento do programa de comunicação e controle de
sistemas hidráulicos por meio do VXIBus, para o qual utilizou-se um transdutor de
posição, este se comportou muito eficiente como mostrado.
As respostas do sistema simulado (MatLab) e real (LabView, VXI, transdutor
de posição) se mostraram muito próximas para todas taxas de amostragem e tipos
de controladores testados. As diferenças entre as respostas são perfeitamente
aceitáveis já que o modelo simulado não leva em conta histerese, erro de reversão e
sensibilidade da resposta descritos em 3.2.1.4:. Além disso, conforme alguns
objetivos deste projeto, mostrou-se versátil e didático por oferecer ao usuário a
escolha do controlador e taxa de amostragem a serem adotados.
A interface amigável também é um ponto positivo. Possui um gráfico da
resposta do sistema em tempo real fazendo com que não seja necessária a
proximidade ao sistema controlado e com que o estudo da otimização da resposta
frente às especificações de tempo de resposta e/ou sobrepasso seja facilitado. O
manuseio e execução do programa são fáceis e não requerem algum tipo de
familiaridade com o software Labview.
Certamente os resultados obtidos são satisfatórios, uma vez que o
desenvolvimento do trabalho exigiu contato constante com as novas tecnologias que
surgem freqüentemente e com as que já estão consolidadas e que se propôs o
desenvolvimento deste em relativo curto espaço de tempo.
87
Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas
Não se devem desenvolver novas tecnologias pensando apenas nas
aplicações que estão sendo empregadas atualmente. Por isso, há de se notar a
importância deste trabalho tendo em vista a disseminação na utilização das
aplicações existentes e inúmeras novas que possam surgir em breve.
Para tanto, pode-se citar a utilização destes sistemas tanto em meio
acadêmico quanto industrial.
Sabendo-se da aplicação intensa em todos os segmentos da indústriados
sistemas hidráulicos, a construção desta plataforma visa intensificar, junto a alunos
de graduação em engenharia, a interação entre os conceitos teóricos e a aplicação
prática destes sendo de grande ajuda na formação dos futuros profissionais,
principalmente se esta vier acompanhada de uma infra-estrutura condizente com a
tecnologia atual.
Por fim, pretende-se que estudos futuros continuem a fim de se realizar a
implementação do três módulos propostos. O software desenvolvido pode ainda ser
aprimorado de tal forma que multiplexador e conversor D/A sejam utilizados para
controlar até quatro sistemas simultaneamente. O módulo 1 fez parte do presente
trabalho e será efetivado brevemente.
88
Referências Bibliograficas:
[ 1 ] DE NEGRI, V. J., Integração da Tecnologia Hidráulica e Pneumática com CLP’s.
Florianópolis, Julho de 1999. 52p. (Apostila).
[ 2 ] DE NEGRI, V. J., KINCELER, R., SILVEIRA, J. Automação e controle
experimental em hidráulica e pneumática. Florianópolis, Novembro de 1998.
Não paginado. (Apostila).
[ 3 ] DE NEGRI, V. J., Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Controle e
Automação: Partes I, II e III. Florianópolis, Março de 2001 (Apostila).
[ 4 ] BOLLMANN, A. Fundamentos da Automação Industrial Pneutrônica. São Paulo:
ABHP, 1997. 278 p.
[ 5 ] Revista Mecatrônica Atual. São Paulo SP: Editora Saber Ltda. Abril de 2002.
Ano-1. Nº3.
[ 6 ] RICO, Julio Elias Normey. Sistemas Realimentados. 182p.
[ 7 ] PAGANO, Daniel Juan. Teoria de Sistemas Amostrados e Controle Digital. 70p.
[ 8 ] RICO, Julio Elias Normey. Projeto de Controladores PID Industriais. 39p.
[ 9 ] http://www.ni.com
[ 10 ] http://www.agilent.com
[ 11 ] Hewlett Packard. HP E1326B/E1411B 5 1/2 Digit Multimeter User's Manual.
279p.
[ 12 ] Hewlett Packard. HP E1328A D/A Converter Module User's Manual. 85p.
[ 13 ] Hewlett Packard. HP E1343A/44A/45A/47A Relay Multiplexer User's Manual.
87p.
89
Anexos
Tabela A 1
Linha 1S1 1S2 1S3 2S1 2S2 2S3 S11 S12
0. 0 0 0 0 0 0 0 0
1. 0 0 0 0 0 1 0 1
2. 0 0 0 0 1 0 0 1
3. 0 0 0 0 1 1 0 1
4. 0 0 0 1 0 0 0 1
5. 0 0 0 1 0 1 0 1
6. 0 0 0 1 1 0 0 1
7. 0 0 0 1 1 1 0 1
8. 0 0 1 0 0 0 1 0
9. 0 0 1 0 0 1 0 0
10. 0 0 1 0 1 0 1 1
11. 0 0 1 0 1 1 0 0
12. 0 0 1 1 0 0 1 1*
13. 0 0 1 1 0 1 0 0
14. 0 0 1 1 1 0 0 1*
15. 0 0 1 1 1 1 0 0
16. 0 1 0 0 0 0 1 0
17. 0 1 0 0 0 1 1 1
18. 0 1 0 0 1 0 0 0
19. 0 1 0 0 1 1 0 0
20. 0 1 0 1 0 0 1 1
21. 0 1 0 1 0 1 1 1
22. 0 1 0 1 1 0 0 0
23. 0 1 0 1 1 1 0 0
24. 0 1 1 0 0 0 1 0
25. 0 1 1 0 0 1 0 0
26. 0 1 1 0 1 0 0 0
27. 0 1 1 0 1 1 0 0
28. 0 1 1 1 0 0 1 1
29. 0 1 1 1 0 1 0 0
30. 0 1 1 1 1 0 0 0
31. 0 1 1 1 1 1 0 0
32. 1 0 0 0 0 0 1 0
33. 1 0 0 0 0 1 1* 1
34. 1 0 0 0 1 0 1 1
35. 1 0 0 0 1 1 1 1
36. 1 0 0 1 0 0 0 0
37. 1 0 0 1 0 1 0 0
38. 1 0 0 1 1 0 0 0
39. 1 0 0 1 1 1 0 0
90
40. 1 0 1 0 0 0 1 0
41. 1 0 1 0 0 1 0 0
42. 1 0 1 0 1 0 1 1
43. 1 0 1 0 1 1 0 0
44. 1 0 1 1 0 0 0 0
45. 1 0 1 1 0 1 0 0
46. 1 0 1 1 1 0 0 0
47. 1 0 1 1 1 1 0 0
48. 1 1 0 0 0 0 1 0
49. 1 1 0 0 0 1 1* 0
50. 1 1 0 0 1 0 0 0
51. 1 1 0 0 1 1 0 0
52. 1 1 0 1 0 0 0 0
53. 1 1 0 1 0 1 0 0
54. 1 1 0 1 1 0 0 0
55. 1 1 0 1 1 1 0 0
56. 1 1 1 0 0 0 1 0
57. 1 1 1 0 0 1 0 0
58. 1 1 1 0 1 0 0 0
59. 1 1 1 0 1 1 0 0
60. 1 1 1 1 0 0 0 0
61. 1 1 1 1 0 1 0 0
62. 1 1 1 1 1 0 0 0
63. 1 1 1 1 1 1 0 0
Tabela A 2
Linha S1a S11 1S4 1S5 S1
0. 0 0 0 0 0
1. 0 0 0 1 0
2. 0 0 1 0 0
3. 0 0 1 1 0
4. 0 1 0 0 0
5. 0 1 0 1 0
6. 0 1 1 0 1
7. 0 1 1 1 0
8. 1 0 0 0 1
9. 1 0 0 1 0
10. 1 0 1 0 1
11. 1 0 1 1 0
12. 1 1 0 0 1
13. 1 1 0 1 0
14. 1 1 1 0 1
15. 1 1 1 1 0
91
Tabela A 3
Linha 1S1a 2S1a 1S1 2S1 S21 S22
0. 0 0 0 0 0 0
1. 0 0 0 1 0 0
2. 0 0 1 0 0 0
3. 0 0 1 1 1 1
4. 0 1 0 0 0 0
5. 0 1 0 1 0 0
6. 0 1 1 0 0 0
7. 0 1 1 1 1 0
8. 1 0 0 0 0 0
9. 1 0 0 1 0 0
10. 1 0 1 0 0 0
11. 1 0 1 1 0 1
12. 1 1 0 0 0 0
13. 1 1 0 1 0 0
14. 1 1 1 0 0 0
15. 1 1 1 1 1 1
Tabela A 4
Linha 1S1a 2 1 .2 2 .2 3S a S a S a 1S1 2 1.2 2.2 3S S S S21
0. 0 0 0 0 0
1. 0 0 0 1 0
2. 0 0 1 0 0
3. 0 0 1 1 1*
4. 0 1 0 0 0
5. 0 1 0 1 0
6. 0 1 1 0 0
7. 0 1 1 1 1*
8. 1 0 0 0 0
9. 1 0 0 1 0
10. 1 0 1 0 0
11. 1 0 1 1 0
12. 1 1 0 0 0
13. 1 1 0 1 0
14. 1 1 1 0 0
15. 1 1 1 1 1*
Legenda: o asterisco refere-se à condição de o acumulador estar vazio, ou
seja, 0S1 = 0.
Tabela A 5
92
Linha 1S3a aSaSaS 32.22.12 1S3 32.22.12 SSS S41
0. 0 0 0 0 0
1. 0 0 0 1 0
2. 0 0 1 0 0
3. 0 0 1 1 1*
4. 0 1 0 0 0
5. 0 1 0 1 0
6. 0 1 1 0 0
7. 0 1 1 1 1*
8. 1 0 0 0 0
9. 1 0 0 1 0
10. 1 0 1 0 0
11. 1 0 1 1 0
12. 1 1 0 0 0
13. 1 1 0 1 0
14. 1 1 1 0 0
15. 1 1 1 1 1*
Legenda: o asterisco refere-se à condição de o acumulador estar vazio, ou
seja, 0S1 = 0.
Tabela A 6
Linha S1 1S3 0S1 S51
0. 0 0 0 0
1. 0 0 1 0
2. 0 1 0 0
3. 0 1 1 0
4. 1 0 0 1
5. 1 0 1 1
6. 1 1 0 0
7. 1 1 1 1
	Projeto do sistema de controle de uma bancada did
	posicionadores Eletro-Hidráulicos Proporcionais
	Introdução
	Objetivos
	Visão Geral
	Objetivos Específicos
	Objetivos do Presente Trabalho
	Justificativas
	Viabilidade do Projeto
	Organização do Documento
	Apresentação do Local de Realização do Projeto�
	Histórico
	Objetivos
	Atuação Geral
	Equipe
	Professores
	Revisão Bibliográfica
	Integração da Tecnologia Hidráulica e Pneumáti�
	Introdução
	Automação e Controle Hidráulico e Pneumático
	Sistemas de Medição e de Atuação
	Controladores Lógicos Programáveis
	Compatibilização de Sensores, Atuadores e Módul�
	Linguagens de Programação – CLP
	Sistemas de Atuação
	Válvulas Proporcionais
	Definição
	Válvulas Proporcionais Direcionais
	Tempo de Resposta de Válvulas Proporcionais
	Histerese, Erro de Reversão e Sensibilidade da R�
	Servoválvulas
	Definição
	Tipos
	Servoválvulas Eletro-Hidráulicas
	Bombas
	Definição
	Características Operacionais de Bombas
	Amplificadores de Potência
	Sistemas Hidráulicos de Controle de Posição
	Sistema Eletro-Hidráulico
	Apresentação
	Modelagem
	Válvula Direcional Proporcional ou Servoválvula 
	Cilindro Hidráulico e Carga \(A1\)
	Comparador/Amplificador \(Z1\) e Sensor de Pos�
	Descrição Matemática Entrada-Saída
	Sistemas de Aquisição de Dados e Controle
	Sistema National VXI
	LabView
	Controle Digital
	Problemas Ligados ao Controle de Sistemas Amostrados
	Projeto de Controladores Discretos
	Método de Projeto por Aproximações
	Método de Projeto Direto
	Metodologia
	Cronograma
	Recursos Disponíveis
	Desenvolvimento do Trabalho
	Especificações Gerais
	Estruturação do Módulo 1
	Projeto da Estrutura da Bancada
	Componentes Hidráulicos para Montagem dos Circui�
	Projeto da Unidade de Potência Hidráulica
	Circuito Hidráulico
	Circuito Lógico, Circuito Elétrico e CLP
	Projeto de Comando Combinatório
	Ordem de Execução
	Componentes Elétricos \(CLP, Sinaleiros e Chave�
	VXIbus, LabView e Transdutor de Posição
	Modelo
	Programa
	Experimentos
	Controle P:
	Controlador PI
	Principais Resultados
	Conclusões e Perspectivas
	Anexos