sistemas de entrada e de saída analógicas para simulação de
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA ANALÓGICAS PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM CLP BRUNO MENEZES DA SILVA VITÓRIA – ES AGOSTO/2005 BRUNO MENEZES DA SILVA SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA ANALÓGICAS PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM CLP Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Bruno Menezes da Silva, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. VITÓRIA – ES AGOSTO/2005 BRUNO MENEZES DA SILVA SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA ANALÓGICAS PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM CLP COMISSÃO EXAMINADORA: ___________________________________ Prof. Dr. José Denti Filho Orientador ___________________________________ Prof. Dr. José Leandro Félix Salles Examinador ___________________________________ Eng. Tiago Reinan Barreto Examinador Vitória - ES, 4 de Agosto de 2005 DEDICATÓRIA. À memória de meu pai. i AGRADECIMENTOS Agradeço em primeiro lugar a Deus, por ter me proporcionado essa vitória. A minha família, principalmente minha mãe, que mesmo distante me deu todo apoio e suporte necessário. Não poderia deixar de citar o meu agradecimento também à minha namorada Aline, que sempre me ajudou e esteve ao meu lado nos momentos difíceis. Aos amigos que estiveram comigo nessa jornada, principalmente aqueles mais chegados, e que estudaram comigo na universidade durante esses anos. Gostaria de citar alguns: Matheus e Pablo que sempre fizeram os trabalhos junto comigo, Tiago Baiano, Márcio, Edinho, Zé Alberto e Felipe Trula. Agradeço também ao meu orientador, Prof. Denti e ao prof Aragão e a galera do LEPAC, pela força e apoio na parte prática. A todos o meu muito obrigado. ii LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Estrutura básica de um CLP....................................................................13 Figura 1.2 – UCP do CLP da GE 9030........................................................................14 Figura 1.3 – Fonte do CLP da GE 9030 ......................................................................14 Figura 1.4 – Programa Ladder. ....................................................................................16 Figura 1.5 – Diagrama de funções...............................................................................17 Figura 1.6 – Elementos analógicos..............................................................................18 Figura 1.7 – Atuadores analógicos ..............................................................................18 Figura 2.1 - Layout dos terminais do CLP FX 1N-14M .............................................19 Figura 3.1 – Exemplo de alocação de unidades de extenção em um CLP ..................20 Figura 3.2 – Resolução do Conversor A/D..................................................................22 Figura 3.3 - Entrada e saída do conversor A/D. ..........................................................22 Figura 3.4 – Faixa de operação do conversor D/A de acordo com a função préestabelecida..................................................................................................................25 Figura 3.5 – Esquema das ligações elétricas do conversor D/A..................................25 Figura 4.1 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.1.................................28 Figura 4.2 – Diagrama de blocos.................................................................................29 Figura 4.3 – Resposta ao degrau do diagrama de blocos da figura 4.2. (Amplitude x tempo) ..........................................................................................................................30 Figura 4.4 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.1. .........................................30 Figura 4.5 – Reposta ao degrau da equação 4.6 (Amplitude x tempo)........................31 Figura 4.6 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.2................................32 Figura 4.7 – Diagrama de blocos da equação 4.8. .......................................................33 Figura 4.8 – Resposta ao degrau do sistema da figura 4.7 (Amplitude x tempo). ......33 Figura 4.9 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.6. .........................................34 Figura 4.10 – Resposta ao degrau da equação 4.9 (Amplitude x tempo). ...................35 Figura 4.11 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.3...............................35 Figura 4.12 – Diagrama de blocos da equação 4.10. ...................................................36 Figura 4.13 – Resposta ao degrau do sistema da figura 4.12 (Amplitude x tempo). ..37 Figura 4.14 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.11. .....................................37 iii Figura 4.15 – Resposta ao degrau da equação 4.11 (Amplitude x tempo). .................38 Figura 5.1 – layout para circuito impresso para o bloco 1. .........................................39 Figura 5.2 – Resultado observado para o bloco 1 (tensão x tempo)............................39 Figura 5.3 – layout para circuito impresso para o bloco 2. .........................................40 Figura 5.4 – Resultado observado no bloco 2 (tensão x tempo)..................................41 Figura 5.5 – layout de circuito impresso para o bloco 3..............................................42 Figura 5.6 – Resultado observado no bloco 3 (tensão x tempo)..................................42 Figura 5.7 – Circuito de Ganho ajustável. ...................................................................43 Figura 5.8 – Layout de circuito impresso para o bloco 4. ...........................................44 Figura 5.9 – Circuito conversor de corrente para tensão.............................................45 Figura 5.10 – Layout de circuito impresso do circuito da fig 5.8................................46 Figura 5.11 – Fonte de corrente Wilson. .....................................................................47 Figura 5.12 – Fonte de corrente adotada. ....................................................................49 Figura 5.13 – Layout de Circuito impresso do conversor de tensão para corrente. ....50 Figura 6.1 – Parte superior do bloco 1.........................................................................51 Figura 6.2 – Diagrama simplificado do processo. ......................................................52 Figura 6.3 – Esquema de ligação dos equipamentos. ..................................................52 Figura 6.4 – Exemplo de processo...............................................................................53 Figura 10.1 - Ligação elétrica do CLP.........................................................................58 Figura 10.2 – Ligação elétrica do conversor D/A........................................................58 Figura 10.3 – Ligação elétrica do conversor A/D........................................................59 Figura 11.1 – Ligação do CI XTR110 da Texas..........................................................60 Figura 11.2 – Configuração utilizando transistores PNP. ...........................................61 iv LISTA DE TABELA Tabela 1 – Especificação das entradas/saídas do conversor A/D ................................21 Tabela 2 – Configuração das entradas do conversor A/D ...........................................23 Tabela 3 – Especificações do conversor D/A ..............................................................25 Tabela 4 – Alocação do buffer de memória do conversor D/A...................................26 Tabela 5 - Custo do projeto..........................................................................................54 v LISTA DE EQUAÇÕES Equação 4.1..................................................................................................................27 Equação 4.2..................................................................................................................27 Equação 4.3..................................................................................................................27 Equação 4.4..................................................................................................................29 Equação 4.5..................................................................................................................29 Equação 4.6..................................................................................................................31 Equação 4.7..................................................................................................................32 Equação 4.8..................................................................................................................33 Equação 4.9..................................................................................................................34 Equação 4.10................................................................................................................36 Equação 4.11................................................................................................................38 vi SIMBOLOGIA τ - Constante de tempo RC, representando um pólo do sistema. α - Constante de tempo RC, representando um zero do sistema. vii GLOSSÁRIO UCP - Unidade Central de Processamento. viii SUMÁRIO DEDICATÓRIA.............................................................................................................i AGRADECIMENTOS..................................................................................................ii LISTA DE FIGURAS..................................................................................................iii LISTA DE TABELAS...................................................................................................v LISTA DE EQUAÇÕES..............................................................................................vi SIMBOLOGIA............................................................................................................vii GLOSSÁRIO..............................................................................................................viii RESUMO......................................................................................................................xi 1 O CLP ..............................................................................................................12 1.1 Introdução .........................................................................................................12 1.2 Estrutura básica.................................................................................................13 1.2.1 Unidade Central de Processamento (UCP). ............................................14 1.2.2 Fonte ........................................................................................................14 1.2.3 Memória. .................................................................................................14 1.2.4 Terminal de programação........................................................................16 1.3 Dispositivos de entrada e saída. ........................................................................17 1.3.1 Módulos de Entrada.................................................................................17 1.3.2 Módulos de Saída. ...................................................................................18 2 O CLP MITSUBISH FX 1N-14M.................................................................19 2.1 Especificações Técnicas....................................................................................19 2.2 Layout dos Terminais do CLP ..........................................................................19 3 BLOCOS DE EXPANSÃO............................................................................20 3.1 Conversor Analógico/Digital (A/D). ................................................................20 3.1.1 Especificações Técnicas ..........................................................................21 3.1.2 Layout das ligações do conversor A/D ...................................................22 3.1.3 Configuração das entradas do conversor A/D - Alocação no Buffer de Memória ...........................................................................................................23 3.2 Conversor D/A. .................................................................................................24 3.2.1 Especificações Técnicas ..........................................................................24 ix 3.2.2 Layout das ligações elétricas...................................................................25 3.2.3 Configuração das entradas/saídas do conversor D/A..............................26 4 CONJUNTO DE FUNÇÕES A SEREM SIMULADAS.............................27 4.1 Circuitos eletrônicos necessários para a construção dos kits............................27 4.2 Diagrama esquemático e análise teórica dos circuitos......................................28 4.2.1 Circuito da equação 4.1. Ganho K e um pólo. ........................................28 4.2.2 Circuito da equação 4.2. Ganho K e dois pólos. .....................................32 4.2.3 Circuito da equação 4.3. Ganho K, um zero e dois pólos. ......................35 5 MONTAGEM DOS CIRCUITOS E RESULTADOS PRÁTICOS OBSERVADOS..........................................................................................................38 5.1 Bloco 1 – Função com ganho K e um pólo.......................................................38 5.2 Bloco 2– Função com ganho K e dois pólos. ...................................................40 5.3 Bloco 3 – Função com ganho K, dois pólos e um zero. ...................................41 5.4 Bloco 4 – Ganho ajustável. ...............................................................................43 5.5 Blocos conversores. ..........................................................................................44 5.5.1 Conversor de corrente para tensão. .........................................................44 5.5.2 Conversor de tensão para corrente. .........................................................46 6 MANUAL DE OPERAÇÃO DO KIT. .........................................................51 7 LEVANTAMENTO DE CUSTOS................................................................53 8 CONCLUSÃO ................................................................................................55 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................56 10 APÊNDICE I...................................................................................................57 10.1 Experiência de controle via CLP ....................................................................57 10.2 Equipamentos..................................................................................................57 10.3 Procedimentos.................................................................................................57 10.4 Ligação elétrica do CLP..................................................................................58 10.5 Ligação elétrica dos conversores A/D, D/A ...................................................58 10.6 Análise ............................................................................................................59 11 APÊNDICE II. ................................................................................................60 x RESUMO Um dos problemas que se encontra para o treinamento de pessoal na utilização de CLPs está na inexistência de sistemas que simulem o meio exterior, ou planta simulada, para que sejam explorados os recursos disponíveis nos CLPs. O objetivo desse trabalho é Projetar, especificar e levantar custos de implementação de sistemas de entrada e saída simulados (kits) para serem acoplados aos CLPs disponíveis e compor um laboratório de treinamento em Controle direto com CLPs. Esses kits funcionarão como caixas com função de transferência ajustável simulada por circuitos eletrônicos adequados. xi 12 1 O CLP 1.1 Introdução O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente CLP, tem revolucionado os comandos e controles industriais desde seu surgimento na década de 70. Antes do surgimento dos CLPs as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industriais eram feitas por relés eletromagnéticos especialmente projetados para este fim. O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística norte-americana, mais precisamente na General Motors em 1968. A primeira geração de CLPs utilizava componentes discretos como transistores e CIs com baixa escala de integração. Nos Estados Unidos, este equipamento foi batizado de PLC (Programable Logic Control), em português este termo foi traduzido para CLP (Controlador Lógico Programável). A evolução do CLP está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e hardware. O que antes era executado com componentes discretos, hoje se utilizam microprocessadores e microcontroladores de última geração, além disso o CLP hoje utiliza técnicas de processamento paralelo, redes de comunicação, fieldbus, entre outros. Hoje o CLP oferece muitos benefícios às aplicações industriais e por isso tornouse popular. Além disso, o preço de um CLP hoje o torna acessível para as indústrias. As vantagens de sua utilização incluem: • Menor ocupação de espaço; • Potência elétrica requerida menor; • Reutilização; • Programável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle; • Maior confiabilidade; • Manutenção mais fácil; • Permite a interface com outros CLPs e microcomputadores; 13 1.2 Estrutura básica. O CLP tem sua estrutura baseada no hardware de um computador, tendo, portanto, uma unidade central de processamento (UCP), memórias e interfaces de entrada e saída. As diferenças entre um computador comum e um CLP são a fonte de alimentação, que no CLP possui uma superior filtragem e estabilização, interfaces de entrada e saída imune a ruídos, e proteção mecânica contra choques e outras variáveis existentes na área industrial e que podem causar dano aos equipamentos. O diagrama a seguir ilustra a estrutura básica de um CLP: Figura 1.1 - Estrutura básica de um CLP. As partes integrantes desta estrutura são: 14 1.2.1 Unidade Central de Processamento (UCP). A UCP é responsável pela execução do programa. Sua tarefa consiste em coletar os dados dos cartões de entrada, processá-los de acordo com o programa do usuário, gravado na memória, e enviar o resultado para os cartões de saída. Geralmente cada CLP tem uma UCP, que pode estar compactada com os pontos de entrada e saída numa mesma unidade, ou constituir uma unidade separada dos outros módulos. Figura 1.2 – UCP do CLP da GE 9030. 1.2.2 Fonte A fonte é responsável pela alimentação do CLP e dos módulos de entrada e saída. Figura 1.3 – Fonte do CLP da GE 9030 1.2.3 Memória. O sistema de memória é uma parte de importância vital para o controlador programável, pois armazena todas as instruções do programa a ser executado, bem como variáveis inerentes ao seu funcionamento. Existem vários tipos de memória, com diferentes características. Um CLP pode fazer uso de vários desses tipos. As memórias podem ser divididas em dois grupos: 15 • Memória ROM (read only memory) memória de leitura apenas; • Memória RAM (random acess memory) memória de acesso aleatório; Os diferentes tipos de memórias que compõem o mapa de memória de um controlador programável podem ser divididos em cinco áreas principais: • Memória executiva. É formada por memórias do tipo ROM ou PROM, e armazena o sistema operacional do controlador programável. O usuário não tem acesso a essa área da memória. • Memória do Sistema. É formada por memórias do tipo RAM, e seu conteúdo é alterado constantemente pelo sistema operacional. Nesta área da memória são armazenados os resultados das operações efetuadas pela UCP, e seu conteúdo também não pode ser alterado pelo usuário. • Memória de Status de E/S. Essa memória é do tipo RAM, e serve para armazenar os dados lidos nos dispositivos de entrada e os dados a serem lançados nos dispositivos de saída. Essa memória também é chamada de memória de imagem, pois representa uma imagem dos dispositivos de E/S. • Memória de dados. Também do tipo RAM, essa memória armazena os valores do processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário. Funções de temporização, contagem, aritméticas e especiais necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados. • Memória do Usuário. Nesta área é armazenado o programa do usuário, que é lido e executado pela UCP, de acordo com os procedimentos determinados pelo sistema operacional. Essa memória pode ser do tipo RAM, RAM/EPROM ou RAM/EEPROM. 16 1.2.4 Terminal de programação. O terminal de programação é um dispositivo periférico que, conectado ao CLP, permite introduzir o programa do usuário. Este terminal pode ser um equipamento de um determinado fabricante ou um computador pessoal equipado com um software de programação e interface entre o PC e o CLP. Os CLPs suportam alguns tipos de linguagem de programação pré-definidos, os mais comuns são: • Diagrama Ladder São diagramas de relés cujos símbolos representam: contatos normalmente abertos (--| |--), contatos normalmente fechados (--|/|--) e a saída representado a bobina (--( )-), além de blocos especiais que contêm funções lógicas, temporizadores, etc. Esta é a mais tradicional das linguagens utilizadas pelos CLPs e será utilizada neste trabalho, além disso apresenta facilidades de aprendizado e de leitura para quem está acostumado aos diagramas de relés. A figura 1.4 nos mostra um exemplo de linguagem Ladder. Figura 1.4 – Programa Ladder. • Diagrama de funções O diagrama de funções pode ser utilizado para pequenos programas de funções lógicas e para representação de programas seqüenciais. Se ,antes, para a programação de um sistema de controle tem-se um diagrama de fluxo , torna-se muito mais fácil converter para o de funções. A fig. 1.5 mostra um diagrama de funções. 17 Figura 1.5 – Diagrama de funções. 1.3 Dispositivos de entrada e saída. Os dispositivos de entrada e saída são os circuitos responsáveis pela aquisição e envio de dados à planta. Os CLPs mais simples só são capazes de reconhecer dados digitais de entrada e saída, já os mais completos e avançados podem utilizar cartões de expansão que possibilitam o manejo de variáveis analógicas. A estrutura de E/S é encarregada de filtrar os vários sinais recebidos ou enviados para os componentes externos do sistema de controle. Estes componentes podem ser botões, chaves de fim de curso, contatos de relés, termopares, sensores indutivos, entre outros. Neste projeto, serão utilizadas as entradas e saídas analógicas do CLP. Estas podem se apresentar em forma de corrente (4 a 20mA, 0 a 10mA, 0 a 50mA) ou tensão (1 a 5V, 0 a 10V, -10 a 10V). Em alguns casos é possível alterar esses valores através de um software. Serão estudados a partir de agora os módulos de entrada e saída analógicas. 1.3.1 Módulos de Entrada. Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável. Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber certo número de variáveis. Nos interessam apenas os cartões analógicos que, em conjunto com elementos analógicos, transmitem dados à UCP como mostrado na figura abaixo, onde C.A. quer dizer Cartão Analógico: 18 Figura 1.6 – Elementos analógicos. Deve-se tomar cuidado com os sinais que estarão sendo lançados no CLP, alguns sensores geram sinais em corrente, outros em tensão, portanto é importante configurar as entradas dos cartões de maneira adequada. Se for o caso, é preciso lançar mão de circuitos de conversão de tensão para corrente e vice-versa. Além disso, faz-se necessário ter certeza de que os valores gerados pelos sensores estão dentro da faixa suportada pelo cartão. 1.3.2 Módulos de Saída. Os módulos de saída fazem a interface entre o processador e os elementos atuadores. Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, com capacidade de enviar sinais para os atuadores, resultante do processamento da lógica de controle. O que importa é apenas o estudo dos atuadores analógicos. A interface entre a UCP e os atuadores analógicos é mostrada abaixo. Figura 1.7 – Atuadores analógicos 19 2 O CLP MITSUBISH FX 1N-14M. O DEL-CTUFES possui 2 CLPs Mitsubish FX1N com cartões de entrada analógica (2 entradas) e saída analógica (2 saídas), ambos em 4 a 20 mA ou 0 a 10V. Este tópico tem como objetivo conhecer melhor esse equipamento e aprender a configurá-lo de maneira adequada. 2.1 Especificações Técnicas Marca: MITSUBISHI Modelo: FX 1N – 14MR – ES/UL Entradas digitais: Oito Saídas digitais: Seis Alimentação: 100-240 VAC (+10% -15%) Freqüência da rede: 60/50 Hz Período momentâneo máximo permissível da falta de energia: 10 ms Se o período de tempo for inferior a 10ms o CLP continuará em funcionamento caso contrário, o CLP entrara em shut down. Corrente máxima de energização: 100V AC - Max. 15A em 5ms 200V AV - Max. 25A em 5ms 2.2 Layout dos Terminais do CLP Na figura 9 tem-se uma visão de todos os terminais da unidade principal do CLP FX 1N – 14MR – ES/UL. Figura 2.1 - Layout dos terminais do CLP FX 1N-14M 20 3 BLOCOS DE EXPANSÃO A proposta deste trabalho é implementar um kit de treinamento de controle via CLP utilizando as entradas e saídas analógicas deste. Para isto ser possível deve-se utilizar blocos de expansão capazes de lidar com variáveis analógicas. A série de CLP’s FX1N pode ser expandida utilizando para isso 2 blocos adicionais podendo gerar assim até 32 pontos de I/O. Pode ser, ainda, expandida utilizando 4 blocos especiais de uma unidade da extensão FX0N (2+2), ou expandida para 8 blocos especiais utilizando para isso as unidades de extensão FX2N (2+6). O máximo para um sistema de FX1N é 128 pontos de I/O e de 8 blocos especiais. Figura 3.1 – Exemplo de alocação de unidades de extenção em um CLP 3.1 Conversor Analógico/Digital (A/D). O conversor FX2N-4AD possui quatro canais de entrada, esses canais recebem sinais analógicos do sistema externo e convertem estes sinais em um valor digital enviando-os para a CPU. Isto é chamado de conversão A/D. O FX2N-4AD tem uma resolução máxima de 12 palavras binárias. A seleção da tensão ou do I/O é baseada nas ligações feitas pelo usuário. As escalas analógicas são: 21 -10 a 10V C.C. (resolução de 5mV); 4 a 20mA (resolução de 16µA); -20 a 20mA (resolução de 20µA). A transferência de dados entre o FX2N-4AD e a unidade principal de FX2N é realizada pelo buffer de memória. Há 32 posições de memória no buffer (cada uma de 16 bits). O FX2N-4AD ocupa 8 pontos de I/O no barramento da expansão do FX2N. Os 8 pontos podem ser alocados das entradas ou das saídas. O FX2N-4AD drena 30mA do trilho a 5V da unidade principal. 3.1.1 Especificações Técnicas O conversor A/D FX 2N-4AD possui as seguintes características: Entrada por tensão Item Faixa de entrada analógica Saída digital Entrada por corrente Cada entrada de tensão ou corrente podem ser selecionadas por sua escolha. Até quatro pontos de entrada podem ser utilizados de um só vez 20mA até –20mA não podendo ±10 V DC não podendo este exceder ±32mA exceder 15V Valor máximo +2047 Valor mínimo -2048 Resolução 5 mV (ver fig 12) 20 µA(ver figura 12) Exatidão ±1% ±1% Velocidade de conversão 15 ms/canal(velocidade normal), 6ms(velocidade rápida) Fonte de tensão externa 24V DC ±10% 200mA Fonte de tensão interna (unidade 5V DC ±10% 30mA principal) Tabela 1 – Especificação das entradas/saídas do conversor A/D A resolução do conversor A/D é exibida na figura 3.2, notando-se que para uma variação de 10 V, por exemplo, a saída digital do conversor sofreu uma variação de 2000 dados binários. 22 Figura 3.2 – Resolução do Conversor A/D 3.1.2 Layout das ligações do conversor A/D Figura 3.3 - Entrada e saída do conversor A/D. Caso seja necessário, a entrada analógica deve ser transmitida por um par de cabos trançados e blindados para que, dessa forma, linhas de força ou outras linhas próximas não possam gerar ruídos no sinal elétrico. Se ocorrer algum ripple na tensão durante a entrada, ou houver um ruído eletricamente induzido na fiação externa, conecte um capacitor de 0.1 a 0.47mF, 25V. 23 Caso seja usada a entrada de corrente, atente para o fato de pôr em curto os terminais de V+ e de I+. 3.1.3 Configuração das entradas do conversor A/D - Alocação no Buffer de Memória Essas configurações permitem ao operador habilitar ou desabilitar uma entrada do conversor, ou capturar a média dos sinais da entrada. Para isso segue a tabela 2. Tabela 2 – Configuração das entradas do conversor A/D As informações do operador devem ser gravadas no conversor antes do início da operação. Se isso não for feito o conversor estará configurado de acordo com a última gravação realizada. A iniciação do canal é feita por um número hexadecimal de 4 caracteres (HOOOO) na memória do buffer BFM # 0. O caractere menos significativo controla o canal 1 e o quarto caractere controla o canal 4. O ajuste de cada caractere é como segue: O=0: Faixa pré-ajustada (-10V até 10V) O=1: Faixa pré-ajustada (+4mA até +20mA) 24 O=2: Faixa pré-ajustada (-20mA até +20mA) O=3: Estado do canal OFF Por exemplo: H3310 Isto significa que CH1 está habilitado para entrada de tensão na faixa de -10V até +10V; CH2 está habilitado para entrada de corrente na faixa de +4mA até 20mA; CH3 e CH4 estão OFF; 3.2 Conversor D/A. O conversor FX2N-4DA possui quatro canais de saída, esses canais recebem sinais digitais da CPU e enviam os devidos sinais analógicos para o sistema externo. Isto é chamado de conversão A/D. O FX2N-4DA tem uma definição máxima de 12 palavras binárias. A seleção da tensão ou do I/O é baseada nas ligações feita pelo usuário. As escalas analógicas são: -10 a 10V C.C. (resolução de 5mV); 4 a 20mA (resolução de 16µA); -20 a 20mA (resolução de 20µA). A transferência de dados entre o FX2N-4DA e a unidade principal de FX2N é realizada pelo buffer de memória. Há 32 memórias no buffer (cada uma de 16 palavras binárias). O FX2N-4DA ocupa 8 pontos de I/O no barramento da expansão do FX2N. Os 8 pontos podem ser alocados das entradas ou das saídas. O FX2N-4DA extrai 30mA do trilho e 5V da unidade principal. 3.2.1 Especificações Técnicas 25 Item Faixa da saída analógica Entrada digital Resolução Exatidão Velocidade de conversão Saída de Tensão Saída de Corrente 0 até 20mA (resistência da ±10 V DC(resistência carga externa 500Ω) externa da carga 2K até 1MΩ) 16 palavras binárias 5 mV (ver fig 3.4) 20 µA(ver figura 3.4) ±1%(até a escala max. 10V) ±1%(até a escala max 20mA) 2.1ms para 4 canais (a mudança no número das canais usados não mudará a velocidade da conversão.) Fonte de tensão externa Fonte de tensão interna (unidade principal) 24V DC ±10% 200mA 5V DC ±10% 30mA Tabela 3 – Especificações do conversor D/A A mesma relação entre entrada e saída descrita no módulo A/D vale para o módulo D/A como mostrado na figura 3.4. Figura 3.4 – Faixa de operação do conversor D/A de acordo com a função pré-estabelecida 3.2.2 Layout das ligações elétricas A figura 3.5 mostra as ligações elétricas do conversor D/A Figura 3.5 – Esquema das ligações elétricas do conversor D/A 26 Pela figura 3.5 observa-se que no caso de se utilizar uma saída de tensão é preciso conectar a carga nos bornes V+ e V-. Já no caso de se utilizar uma saída de corrente, faz-se necessário conectar a carga nos bornes I+ e V-. As mesmas observações para o conversor A/D também são válidas para esse conversor. 3.2.3 Configuração das entradas/saídas do conversor D/A A Tabela 4 mostra como é distribuída a memória do conversor com seus respectivos canais. Tabela 4 – Alocação do buffer de memória do conversor D/A O valor de BFM #0 comuta a saída analógica entre a tensão e a corrente em cada canal fazendo um exame do número hexadecimal de 4 dígitos (HOOOO). O primeiro dígito será o comando para o canal 1 (CH1), e o segundo dígito para o canal 2 (CH2) etc.. Dessa forma, cada valor do número hexadecimal selecionará as saídas como mostrado abaixo: O=0: seleciona a tensão como modo de saída (-10V até 10V) O=1: seleciona a corrente como modo de saída (+4mA até +20mA) O=2: seleciona a corrente como modo de saída (-20mA até +20mA) Exemplo: H2110 Ou seja: CH1: saída de tensão (-10V até 10V); CH2 e CH3: saída de corrente (+4mA até +20mA); CH4: saída de corrente (-20mA até +20mA); 27 4 CONJUNTO DE FUNÇÕES A SEREM SIMULADAS. No intuito de se obter uma maior variedade de sistemas a serem controlados e possibilitar uma maior aplicação das ferramentas de controle estudadas no curso de Engenharia Elétrica, foi preciso definir um conjunto mínimo de funções de transferência a serem simuladas. Desse modo, chega-se a três funções básicas: a) Ganho K e um pólo: G1 ( s) = K (τs + 1) (4.1) Equação 4.1 b) Ganho K e dois pólos: G2 ( s ) = K (τ 1s + 1)(τ 2 s + 1) (4.2) Equação 4.2 c) Ganho K, um zero e dois pólos: G3 ( s) = K (αs + 1) (τ 1s + 1)(τ 2 s + 1) (4.3) Equação 4.3 4.1 Circuitos eletrônicos necessários para a construção dos kits. Para obtenção de tais funções foram utilizados circuitos baseados em amplificadores operacionais na configuração integradora. Evidencia-se a preferência pela configuração inversora pela sua maior praticidade. Com a instalação de potenciômetros pode-se alterar os pólos, zeros e o ganho das funções. Com o objetivo de simplificar a análise das equações, serão utilizados os circuitos com todos os potenciômetros zerados. Sendo assim, haverá aprofundamento em apenas um caso de cada circuito. Serão mostrados também os casos dos circuitos com os potenciômetros a pleno curso. O amplificador utilizado foi o uA741, por seu baixo custo e fácil obtenção. Apesar de suas deficiências, tais como sua resposta em freqüência ruim, e alta tensão de offset, este apresentou desempenho satisfatório no objetivo deste projeto. 28 4.2 Diagrama esquemático e análise teórica dos circuitos. Pode-se observar abaixo os circuitos que implementam as equações 4.1, 4.2 e 4.3, vistas anteriormente, bem como suas análises teóricas. 4.2.1 Circuito da equação 4.1. Ganho K e um pólo. Para implementar a equação 4.1, será utilizado o circuito mostrado abaixo. Aproveitando o multiplicador utilizado para inverter o sinal também para variar o ganho da função, através do potenciômetro R5, sem interferir em seu pólo, como é mostrado a seguir. Figura 4.1 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.1. Do circuito acima, tem-se: R1 + R4 C //( R1 + R4 ) sC ( R + R4 ) + 1 V1 = − 1 Vin ⇒ V1 = − 1 1 Vin R2 R2 R1 + R4 R2 V1 = − Vin sC1 ( R1 + R4 ) + 1 (1) O multiplicador inversor tem ganho A = R + R5 , então R 29 Vout = −V1 R + R5 R (2) Substituindo (1) em (2): R1 + R4 R + R5 Vo R2 R = [sC1 ( R1 + R4 ) + 1] Vi (4.4) Equação 4.4 Os valores escolhidos para os componentes foram: R1 = 56 KΩ, C1 = 10 µF , R2 = 47 KΩ, R = 1KΩ , substituindo esses valores na equação 4.4, obtem-se a seguinte função de transferência: 56 K + R4 1K + R5 47 K 1K G1 ( s ) = 10 µ (56 K + R4 ) s + 1 (4.5) Equação 4.5 Os valores dos potenciômetros R4 e R5 foram escolhidos como 50KΩ e 1KΩ respectivamente, com isso o ganho da função G1(s) pode variar entre 1,1914 e 4,5106. Assim, pode-se dizer que o ganho da equação 4.5 é de 2,85105 (+/-) 58,2%. Já o valor de τ pode ser ajustado entre 0,56 e 1,06. O que apresenta uma função com pólos entre -0,9434 e -1,7857. Isso proporciona uma boa faixa de ajuste para essa função No caso de os potenciômetros R4 e R5 estarem zerados, a equação 4.5 assume a forma mostrada no diagrama de blocos abaixo: Figura 4.2 – Diagrama de blocos. Utilizando a ferramenta Simulink do software MATLAB, podemos observar a resposta ao degrau unitário da função da equação 4.5 como mostrada na figura 4.3. 30 Figura 4.3 – Resposta ao degrau do diagrama de blocos da figura 4.2. (Amplitude x tempo) Com a utilização do software PSpice Schematics, será simulada a aplicação de um degrau unitário ao circuito da figura 4.1 com os potenciômetros zerados, obteve-se a seguinte resposta: 1.2V 0.8V 0.4V 0V -0.4V 0s 2s V(In) 4s 6s V(Out) Time Figura 4.4 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.1. 8s 10s 31 Analisando esses resultados verifica-se que tanto a simulação do circuito proposto quanto a da função de transferência equivalente são iguais o que comprova que objetivo desta proposta foi alcançado. Como já foi dito anteriormente, será estudado apenas o caso em que os potenciômetros do circuito estão zerados. Mas como demonstração da variedade de funções que podem ser obtidas com o circuito proposto na figura 4.1, segue abaixo a resposta ao degrau unitário da equação 4.5 com os potenciômetros na posição máxima. A equação fica: G (s) = 4,5106 1,06 s + 1 (4.6) Equação 4.6 Já a curva de resposta apresenta a seguinte característica: Figura 4.5 – Reposta ao degrau da equação 4.6 (Amplitude x tempo). O que evidencia a variedade de curvas que podem ser obtidas a partir do circuito da figura 4.1. 32 4.2.2 Circuito da equação 4.2. Ganho K e dois pólos. O circuito baseado em amplificadores operacionais que implementa a equação 4.2 é mostrado abaixo: Figura 4.6 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.2. Equacionando o circuito acima tem-se: R2 + R5 R1 V1 = −Vi sC1 ( R2 + R5 ) + 1 R 4 + R6 R3 Vo = −V1 sC 2 ( R4 + R6 ) + 1 (1) (2) Substituindo (1) em (2), tem-se: ( R2 + R5 )( R4 + R6 ) Vo R3 R1 = Vi [sC1 ( R2 + R5 ) + 1][sC 2 ( R4 + R6 ) + 1] (4.7) Equação 4.7 Os valores escolhidos para os componentes foram: R1 = R3 = R2 = R4 = 470 KΩ, C1 = 10µF , C 2 = 1µF . Com esses valores, a equação 4.6 fica: 33 (470 K + R5 )(470 K + R6 ) Vo 220900.10 6 = Vi [s10 µ (470 K + R5 ) + 1][s1µ (470 K + R6 ) + 1] (4.8) Equação 4.8 Com essa configuração, pode-se ajustar os dois pólos da função, mas ao mesmo tempo é alterado também o seu ganho. Os potenciômetros foram escolhidos como 100KΩ cada um. Com isso o ganho da equação 4.8 pode variar entre 1 e 1,4709. Já τ1 varia entre 4,7 e 5,7, por sua vez τ2 varia entre 0,47 e 0,57. Os pólos p1 e p2 variam então, respectivamente entre -0,2127 e -0,1754, -2,1277 e -1,7544. Com os potenciômetros regulados na posição zero obtém-se a função mostrada no diagrama de blocos da figura 4.7. A figura 4.8 mostra a resposta ao degrau unitário dessa função. Figura 4.7 – Diagrama de blocos da equação 4.8. Figura 4.8 – Resposta ao degrau do sistema da figura 4.7 (Amplitude x tempo). 34 Para confirmar o funcionamento do circuito da figura 4.6 este foi devidamente simulado utilizando-se para tanto o software PSpice. 1.0V 0.5V 0V 0s 5s V(Vo) 10s 15s 20s 25s 30s V(Vi) Time Figura 4.9 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.6. Ao observar, constata-se que o circuito também atente aos objetivos propostos. Para constatar a variedade de funções obtidas a partir deste circuito, é simulada também o circuito com os potenciômetros em pleno curso. A função de transferência agora é: G (s) = 1,4709 (5,7 s + 1)(0,57 s + 1) (4.9) Equação 4.9 Aplicando um degrau na função da equação 4.9, temos, em sua saída, a seguinte resposta: 35 Figura 4.10 – Resposta ao degrau da equação 4.9 (Amplitude x tempo). 4.2.3 Circuito da equação 4.3. Ganho K, um zero e dois pólos. Figura 4.11 – Diagrama esquemático do circuito da equação 4.3. Do circuito acima: ( R 2 + R6 ) [s( R1 + R5 )C1 + 1] ( R2 + R6 ) // C 2 ( R1 + R5 ) V1 =− =− [s( R 2 + R5 )C 2 + 1] Vi ( R1 + R5 ) // C1 36 De forma análoga obtém-se Vo: ( R2 + R6 )( R3 + R7 ) [s( R1 + R5 )C1 + 1] Vo ( R1 + R5 ) R4 = [s( R 2 + R6 )C 2 + 1][s( R3 + R7 )C3 + 1] Vi Substituindo os valores dos componentes mostrados no circuito tem-se: (220 K + R6 )(220 K + R7 ) [s(470 K + R5 )22µ + 1] Vo (470 K + R5 )100 K = [s(220 K + R6 )10µ + 1][s(220 K + R7 )10µ + 1] Vi (4.10) Equação 4.10 Os potenciômetros escolhidos foram, também de 100KΩ, desse modo os parâmetros da função podem ser ajustados da seguinte forma: • Com os potenciômetros zerados: O ganho vale 1,03, o valor de α é 10,34, τ1 e τ2 valem 2,2. • Com os potenciômetros a pleno curso: O ganho vale 1,796, o valor de α é 12,54, τ1 e τ2 valem 3,2. Em seqüência, a análise do caso em que os potenciômetros estão zerados, a Função assume os valores mostrados no diagrama de blocos abaixo: Figura 4.12 – Diagrama de blocos da equação 4.10. A figura abaixo evidencia a resposta ao degrau do diagrama de blocos proposto: 37 Figura 4.13 – Resposta ao degrau do sistema da figura 4.12 (Amplitude x tempo). A figura 4.14 mostra o resultado da simulação do circuito que implementa a equação 4.10 com os potenciômetros zerados. 3.0V 2.0V 1.0V 0V -1.0V 0s 5s V(Vi) 10s 15s 20s 25s 30s V(Vo) Time Figura 4.14 – Resposta ao degrau do circuito da figura 4.11. Analisando as duas curvas, conclui-se que o circuito proposto atende às especificações desejadas. Se os potenciômetros do circuito da figura 4.11 estiverem a pleno curso, a função de transferência fica: 38 G(s) = 1,796(12,54 s + 1) (3,2 s + 1)(3,2 s + 1) (4.11) Equação 4.11 A resposta ao degrau dessa função é mostrada abaixo: Figura 4.15 – Resposta ao degrau da equação 4.11 (Amplitude x tempo). 5 MONTAGEM DOS CIRCUITOS E RESULTADOS PRÁTICOS OBSERVADOS. Os circuitos estudados anteriormente foram montados em placas de circuito impresso para a confecção dos blocos que compõe o kit. Foram confeccionados também três blocos complementares, um bloco de ganho variável, um de conversão de tensão (0 a 10V) para corrente (4 a 20mA), e um de conversão de corrente para tensão nos mesmos níveis do anterior. A seguir, serão apresentados os detalhes da fabricação e montagem dos blocos que implementarão as funções de transferência anteriormente estudadas e os blocos complementares. 5.1 Bloco 1 – Função com ganho K e um pólo. De acordo com os estudos feitos anteriormente, é notório que o circuito da figura 4.1 implementa a função desejada. Esse circuito foi montado numa placa de circuito impresso, cujo layout será enfocado a seguir: 39 Figura 5.1 – layout para circuito impresso para o bloco 1. Depois de montado, o circuito foi testado. Para tanto, giram-se os potenciômetros para a posição zero e aplica-se em sua entrada um sinal de 1V de amplitude, em sua saída verifica-se o seguinte sinal: Figura 5.2 – Resultado observado para o bloco 1 (tensão x tempo). 40 5.2 Bloco 2– Função com ganho K e dois pólos. A implementação com amplificadores operacionais da função G2(s) é mostrada na figura 4.6. Para este circuito, tem-se o seguinte layout de placa de circuito impresso: Figura 5.3 – layout para circuito impresso para o bloco 2. Verifica-se, então, na prática, o comportamento do circuito, com os potenciômetros zerados, à aplicação de um degrau unitário em sua entrada. O resultado é mostrado baixo na figura 5.4: 41 Figura 5.4 – Resultado observado no bloco 2 (tensão x tempo). 5.3 Bloco 3 – Função com ganho K, dois pólos e um zero. Para a placa de circuito impresso da função 3, que mostrou poder ser implementa pelo circuito da figura 4.11, foi utilizado o seguinte layout: 42 Figura 5.5 – layout de circuito impresso para o bloco 3. O resultado prático observado desse circuito, também com os potenciômetros zerados, a um degrau unitário é mostrado a seguir: Figura 5.6 – Resultado observado no bloco 3 (tensão x tempo). 43 5.4 Bloco 4 – Ganho ajustável. Ao contrário do bloco 1, os blocos 2 e 3 não dispõem de um ajuste de ganho independente de seus pólos e zeros. Para eliminar essa deficiência e deixar todos os blocos com a mesma possibilidade de ajuste, será feito uso de um bloco independente contendo apenas um ganho K ajustável. Este bloco será implementado com um circuito a base de amplificadores operacionais na configuração multiplicadora. Será utilizada uma configuração com dois amplificadores inversores, para tanto, será usado o CI LM747 que já contém os dois amplificadores operacionais integrados. O circuito é mostrado a seguir: Figura 5.7 – Circuito de Ganho ajustável. Com um potenciômetro de 50KΩ pode-se ajustar o ganho entre 1,1915 e 2,2553, que são valores que se mostraram adequados aos objetivos desejados nas simulações realizadas. Este bloco pode ser acoplado em série com os blocos 2 e 3, como já foi comentado anteriormente. Todavia, seu uso junto ao bloco 1 não é necessário, uma vez que neste bloco já foi implementado um controle de ganho independente. Na figura 5.8 vemos o layout do circuito impresso desse bloco: 44 Figura 5.8 – Layout de circuito impresso para o bloco 4. 5.5 Blocos conversores. Se ao invés de utilizar as entradas e saídas de tensão dos cartões do CLP, desejarse utilizar as de corrente, é preciso acoplar, ao circuito, blocos especiais capazes de converter tensão para corrente e vice-versa, uma vez que os blocos contendo as funções de transferência a serem utilizadas são implementados utilizando-se circuitos integradores, que funcionam com sinais de entrada em tensão. Os valores utilizados para as conversões devem seguir o padrão dos cartões de entrada e saída analógicas a serem utilizados. No caso a tensão deve variar entre 0 e 10V enquanto a corrente entre 4 e 20mA. Existem circuitos integrados que se dispõem a realizar essa conversão, mas esta proposta opta por uma solução mais barata e fácil de ser implementada, pois serão utilizados apenas componentes baratos e facilmente encontrados no mercado. 5.5.1 Conversor de corrente para tensão. O primeiro desses blocos converterá a corrente na saída do CLP para uma tensão a ser aplicada na entrada da planta. Para este fim, é importante a utilização de um resistor shunt que converterá o valor de corrente em tensão. Para ajustar o nível de tensão dentro dos valores desejados, será usado um subtrator a base de amplificador operacional. O circuito resultante é mostrado abaixo, neste circuito a corrente de entrada gera a tensão 45 V1, e essa é uma entrada do subtrator. A outra entrada é dada pelo potenciômetro, esta é a tensão de referência. O circuito é mostrado abaixo: Figura 5.9 – Circuito conversor de corrente para tensão O subtrator funciona da seguinte forma: A entrada não-inversora (pino 3) possui uma tensão de V3 = R2 . Devido ao curto circuito virtual existente nas entradas do R1 + R2 amp op, observa-se que a tensão na entrada inversora é a mesma V3 . Podendo-se obter ainda as seguintes equações: V2 − R2 R2 V1 V1 − Vo R1 + R2 R1 + R2 = , R1 R2 Vo R2 1 1 V2 − V1 + =− R1 R2 R1 ( R1 + R2 ) R1 + R2 R2 + R1 Vo V 1 1 (V2 − V1 ) = − o V2 − V1 ⇒ =− R1 R2 R1 R2 R1 ( R2 + R1 ) Vo = R2 (V1 − V2 ) = V1 − V2 R1 Vo = 1K . I in − V2 3 46 Ajustando a tensão de referência, obtêm-se com essa configuração 0V para uma entrada de 4mA, e de 10V para uma entrada de 20mA. Para este circuito, tem-se o seguinte layout do circuito impresso: Figura 5.10 – Layout de circuito impresso do circuito da fig 5.8. 5.5.2 Conversor de tensão para corrente. Assim como a corrente de saída do CLP deve ser convertida em tensão, para então ser aplicada à planta, deve-se fazer o caminho inverso na saída da planta. A tensão gerada deve ser convertida em corrente, para então ser aplicada ao CLP. Lembrando sempre que os valores de conversão devem estar dentro dos limites suportados pelo cartão analógico do CLP. Para implementar esse conversor, foi utilizada uma fonte de corrente Wilson, figura 5.11 devido a sua arquitetura que é simples e, portanto, barata, melhor precisão e maior impedância de saída do que as concorrentes: fonte Widlar e fonte com compensação de corrente de base. 47 Figura 5.11 – Fonte de corrente Wilson. Da figura 5.11: Ic3 = Ic 2 + Ib 2 − Ib1 − Ib3 VBE1=VBE3 Como os transistores são iguais, pode-se afirmar que: Ie1=Ie3 E Ib1=Ib3 Como Ie=Ic+Ib, Ic1=Ic3 Ic3 = Ic 2(1 + 1 β )−2 Ic3 β Reagrupando os termos: Ic3(1 + 2 β ) = Ic 2(1 + 1 β ) (1) Tem-se também da figura: Ic1 = Ic3 = Iref − Ic 2 (2) β Substituindo (1) em (2): Iref − Ic 2 β Ic 2(1 + = (1 + 2 β 1 β ) ) 48 Ic 2(1 + Iref = 1 β ) β + Ic 2(1 + (1 + 2 β β ) )β Ic 2( β + 1) + Ic 2(1 + Iref = 2 2 β ) β +2 Ic 2( β + 2 + Iref = 2 β ) β +2 Iref = Ic 2 β +2 2 + Ic2 β +2 β ( β + 2) O que resulta em: Ic 2 = Iref (1 + 2 ) −1 β ( β + 2) Pela equação acima observa-se que a corrente de carga é praticamente igual a corrente de referência, dado que o ganho β do trasnsistor usado BC549, é de 400, observa-se que : Ic 2 = 1,0000124 Iref O espelho de corrente será inicialmente composto por um potenciômetro em série com um resistor. Quando somente o resistor estiver limitando a corrente (potenciômetro em curto), obtêm-se a corrente máxima, e quando o potenciômetro estiver a pleno curso, a corrente de referência será mínima. 49 Figura 5.12 – Fonte de corrente adotada. Considerando os transistores na região ativa, a corrente de referência será dada por: Iref = Vcc − Vbe1 − Vbe2 R Foi usado para este caso uma tensão Vcc de 10V, e o valor medido de Vbe para os transistores BC549 é de 0,672V, o que nos leva a seguinte situação: Iref = 8,656 R Então o valor do resistor para se obter a máxima corrente desejável(20mA), deve ser de 432,8Ω. E para a mínima corrente(4mA), o valor de resistência deve ser de 2164Ω, subtraindo o resultado do resistor previamente achado, o potenciômetro deve ser de 1731,2Ω. Os valores comerciais usados foram: 50 Resistor: um resistor de 390Ω em série com um de 56Ω, totalizando 446Ω. Potenciômetro: 1K5Ω. Foi usado também um potenciômetro de 4K7Ω em paralelo com o resistor de 56Ω para promover um ajuste fino da corrente, variando o resistor de aproximadamente o seu valor nominal até 0Ω, a figura 5.12 mostra a configuração final da fonte de corrente. Esta fonte de corrente apresentada oferece uma limitação, para o correto funcionamento, devem-se manter os transistores na região ativa, ou seja: Vce>Vbe. Utilizando o pior caso, corrente de carga = 20mA, observa-se que a impedância máxima da carga para o transistor Q2 continuar na região ativa deve ser de: Rmáx = 10 − 0,672 − 0,672 = 446Ω 20 x10 −3 É indicado no manual do cartão analógico/digital que para a configuração de entrada de corrente, a resistência do cartão é de 250Ω, o que possibilita o uso deste espelho de corrente. A figura 5.13 enfoca o layout de circuito impresso desse bloco: Figura 5.13 – Layout de Circuito impresso do conversor de tensão para corrente. Essa configuração oferece uma boa conversão para valores fixos, entretanto sua variação não é linear. Uma sugestão de circuito com variação completamente linear e conversão bem acurada é mostrada no apêndice 2 deste texto. 51 6 MANUAL DE OPERAÇÃO DO KIT. Com os blocos estudados anteriormente, é possível compor vários sistemas simulados. Estes sistemas devem ser controlados via CLP, utilizando-se um bloco de controle já disponível na programação do CLP (P/PI/PID). Os circuitos propostos foram montados em caixas que implementam os blocos que compõe o kit. Essas caixas seguem um padrão, para facilitar seu manuseio e a montagem dos sistemas a serem simulados. A figura 6.1 nos mostra o layout do bloco 1. O mesmo padrão é usado nos blocos 2 e 3 que simulam as outras funções de transferência. Figura 6.1 – Parte superior do bloco 1. Os blocos de ganho independente e os conversores seguem um padrão semelhante ao que vimos acima, alimentação na parte superior, entrada na esquerda e saída na direita, e ajuste (quando necessário) na parte inferior, porém as caixas têm cor diferente. As funções de transferência foram montadas em caixas amarelas e as demais em caixas cinzas com o fundo preto. O processo a ser simulado deve ser montado se acordo com o mostrado na figura 6.2, suas conexões elétricas com o CLP são mostradas na figura 6.3. 52 Figura 6.2 – Diagrama simplificado do processo. Figura 6.3 – Esquema de ligação dos equipamentos. Na figura 6.3, são utilizados como exemplo os canais 1 e 2 do CLP. Mas os outros canais disponíveis também podem ser usados segundo o critério do usuário. A planta pode ser substituída pelos blocos 1 apenas ou pelos blocos 2 e 3, com ou sem o bloco de ganho independente. Se trabalho for realizado com a saída de corrente do CLP, devem-se incluir os blocos conversores como discutido anteriormente. Na figura 6.4, um exemplo de montagem, com o bloco 2, o bloco de ganho e os blocos conversores. 53 Figura 6.4 – Exemplo de processo. Várias outras combinações de processos podem ser obtidas a partir da combinação dos blocos propostos, que é o objetivo deste projeto: montar um conjunto de equipamentos de fácil operação e grande versatilidade. 7 LEVANTAMENTO DE CUSTOS. A confecção dos sistemas estudados, das placas de circuito impresso, caixas para acomodação dos circuitos, entre outros, gerou um custo. A tabela 5 evidencia detalhadamente os valores de cada item utilizado, assim como o valor total do projeto. A partir dos valores gastos, pode-se analisar a viabilidade financeira do projeto. Os circuitos escolhidos são todos muito simples e implementados com componentes baratos e de fácil aquisição, porém o acabamento dos sistemas, bornes de conexão, caixas entre outros, acabaram por elevar seu custo total. Ainda assim, levando-se em consideração a variedade de circuitos produzidos, chega-se à conclusão de que o projeto é viável do ponto de vista financeiro. 54 Item Descrição 1 Preço unitário quantidade Ampificadores Operacionais LM741 Preço total R$ 1,50 7 R$ 10,50 2 Resistores de 1K R$ 0,06 5 R$ 0,30 3 Resistores de 470K R$ 0,06 5 R$ 0,30 4 Resistores de 56K R$ 0,06 1 R$ 0,06 5 Resistores de 4K7 R$ 0,06 1 R$ 0,06 6 Resistores de 220K R$ 0,06 2 R$ 0,12 7 Resistores de 100K R$ 0,06 1 R$ 0,06 8 Resistores de 390 Ohm R$ 0,06 1 R$ 0,06 9 Resistores de 56 Ohm R$ 0,06 1 R$ 0,06 10 Potenciômetros de 1K R$ 2,95 2 R$ 5,90 11 Potenciômetros de 100K R$ 2,95 5 R$ 14,75 12 Potenciômetros de 50K R$ 2,95 1 R$ 2,95 13 Potenciômetros de 4K7 R$ 2,95 1 R$ 2,95 14 Potenciômetros de 1K5 R$ 2,95 1 R$ 2,95 15 Capacitores de 10u R$ 0,50 4 R$ 2,00 16 Capacitores de 1u R$ 0,50 1 R$ 0,50 17 Capacitores de 22u R$ 0,50 1 R$ 0,50 18 Transistor BC540 R$ 0,40 3 R$ 1,20 19 Bornes de conexão R$ 2,25 30 R$ 67,50 20 Caixas R$ 4,25 6 R$ 25,50 21 Soquetes para CI's de 8 pinos R$ 1,95 9 R$ 17,55 R$ 0,81 6 R$ 4,86 R$ 0,95 6 R$ 5,70 22 23 Bornes de ligação das placas de 2 vias Bornes de ligação das placas de 3 vias 24 Placas de fenolite 10x15 R$ 3,00 2 R$ 6,00 25 LM 747 R$ 2,95 1 R$ 2,95 TOTAL Tabela 5 - Custo do projeto. R$ 175,28 55 8 CONCLUSÃO A partir dos resultados obtidos, conclui-se que os circuitos implementados são suficientes para a implantação de um laboratório de treinamento em controle com CLPs. Com os blocos construídos, podem-se realizar várias combinações de plantas simuladas com características variadas. No estudo dessas plantas, várias técnicas de controle podem ser usadas, o estudante deverá levantar a função de transferência da planta, projetar seu controlador e ainda programar o CLP, com isso ele estará aprimorando seus conhecimentos com um exemplo prático. Isso mostra que o kit pode ser utilizado em diferentes disciplinas e laboratórios, ou ainda podem ser montados outros blocos de funções utilizando-se o método estudado nesse projeto. Além disso, conclui-se, também, que, do ponto de vista financeiro, o projeto é viável. 56 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BASTOS FILHO, T. F. Eletrônica Básica II. Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória-ES. Apostila da disciplina Eletrônica Básica II. Junho, 2002. [2] MITSUBISHI. Programming manual II JY992D88101A do controlador lógico programável FX1N. Revisão A, Abril 2000. [3] MITSUBISHI. User´s guide JY992D65201A do cartão A/D FX2N. Junho, 1997. [4] MITSUBISHI. User´s guide JY992D65901A do cartão D/A FX2N. Junho, 1997. [5] MITSUBISHI. Hardware manual JY992D89301 do controlador lógico programável FX 1N. Revisão B, Junho 2000. [6] FILHO, José Denti, Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória-ES. Notas de aula da disciplina Supervisão e controle de processos, Setembro 2004. [7] KUO, B.C. Automatic Control Systems. 7ed. Prentice Hall, 1995. [8] NILSSON, James W. E RIEDEL, Susan A. Circuitos Elétricos. 5ed. LTC, 1999. [9] SMITH, Kenneth C. and SEDRA, Adel S. Microelectronics. 4ed. Oxford University Press, 1997. [10] GOMES, Pablo Z. Sistema de Controle com CLP para aplicações didáticas. Projeto de Graduação. Universidade Federal do Espírito Santo, Setembro, 2004. [11] TEXAS INSTRUMENTS, XTR110 Datasheet. Disponível em <www.ti.com>. Acesso em 12/07/2005. 57 10 APÊNDICE I Nesta seção será mostrado um modelo do roteiro das experiências que deverão ser realizadas pelos alunos. 10.1 Experiência de controle via CLP Essa experiência tem por objetivo o controle de um planta simulada pelo kit de simulação de processos. Deve-se utilizar para tanto as entradas e saídas analógicas do CLP Mitsubishi FX1N-14MR. 10.2 Equipamentos • Kit de simulação de processos; • CLP Mitsubishi FX1N-14MR; • Conversores A/D e D/A - FX2N-4AD, FX2N-4DA respectivamente; • Uma Fonte de tensão DC simétrica; • Micro computador; • Osciloscópio Digital; • Manual de software/hardware do CLP; • Manual dos conversores A/D, D/A; 10.3 Procedimentos. • Monte o sistema em malha aberta; • Aplique um degrau unitário na entrada da planta e observe a resposta; • De acordo com a resposta obtida no item anterior, obtenha a função de transferência da planta utilizando algum método conhecido; • Verifique se a resposta observada corresponde à da função obtida; • Com posse dos dados obtidos nos itens anteriores, projete um controlador PID para o sistema; 58 • Monte o sistema de acordo com o procedimento discutido no capitulo 6; • Obtenha as respostas do sistema com o controlador; 10.4 Ligação elétrica do CLP. O CLP deve ser ligado como mostra a figura 9.2: Figura 10.1 - Ligação elétrica do CLP 10.5 Ligação elétrica dos conversores A/D, D/A Figura 10.2 – Ligação elétrica do conversor D/A 59 Figura 10.3 – Ligação elétrica do conversor A/D Se for necessária a utilização de uma entrada de corrente observar que os pinos V+ e I+ são curto-circuitados. A configuração das entradas no programa do CLP e do valor do set point devem seguir as regras descritas nos manuais e detalhadas no capítulo 3 deste texto. Já o bloco PID interno do controlador segue todo um padrão de configuração que é descrito no manual do CLP. 10.6 Análise Com base nos resultados e as curvas obtidas verifique se a resposta do sistema com o controlador atende às especificações. Projete um controlador PI e um PD para o mesmo sistema e verifique se podemos atender os requisitos de velocidade, sobre-sinal e valor de regime com esses controladores. 60 11 APÊNDICE II. Nesse tópico será apresentada uma configuração alternativa de conversor de tensão para corrente, que apresenta conversão bem acurada para os valores desejados e variação completamente linear. Para esse objetivo, foi utilizado o CI XTR110 da Texas Instruments, que atende a todos os requisitos anteriores. Sua conexão elétrica é mostrada na figura 11.1, bem como uma tabela de valores de conversão disponíveis. Figura 11.1 – Ligação do CI XTR110 da Texas. Se, no entanto, não for disponível a utilização de MOSFETs, estes podem ser substituídos por dois transistores PNP, ou por um par darlington PNP como mostrado da figura 11.2. 61 Figura 11.2 – Configuração utilizando transistores PNP. O custo desse CI é elevado, em torno de U$$ 5,00 (cinco dólares), mas como é descrito em seu manual, ele possui grande variedade de valores de entrada e saída, além de grande precisão de conversão e um máximo de 0,005% de não linearidade, o que compensa seu preço. Há também um CI da Texas que faz o caminho inverso, transforma corrente em tensão, mas este não será discutido nesse texto, pois o circuito escolhido e discutido no capítulo 5 atende às especificações de conversão e linearidade exigidas.
