Pid s7-1200 Tia Portal

Setor industrial, IA&DT

Documentação de treinamento SCE Página 1 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/P&D Módulo TIA Portal 010-060, edição 03/2013 ilimitado / © Siemens AG 2013. Todos os direitos reservados

SCE_PT_010-060_R1209_Engenharia de controle com o SIMATIC S7-1200

Módulo TIA Portal 010-060 Engenharia de controle com o SIMATIC S7-1200

Documentação de treinamento SCE

para a solução de automação universal

Totally Integrated Automation (TIA) Siemens Automation Cooperates with Education




Pacotes de instrutor SCE deste documento

SIMATIC S7-1200 AC/DC/RELAIS 6º "TIA Portal"

Nº de pedido: 6ES7214-1BE30-4AB3

SIMATIC S7-1200 DC/DC/DC 6º "TIA Portal"

Nº de pedido: 6ES7214-1AE30-4AB3

SIMATIC S7-SW para treinamento STEP 7 BASIC V11 Upgrade (para S7-1200) 6º "TIA Portal"

Nº de pedido: 6ES7822-0AA01-4YE0

Note que os pacotes de instrutor podem ser substituídos por pacotes atualizados. Um resumo dos pacotes SCE atualmente disponíveis pode ser encontrado em: siemens.com/sce/tp

Treinamentos avançados Para treinamentos avançados SCE Siemens, entre em contato com o parceiro SCE da sua região siemens.com/sce/contact

Outras informações sobre SCE siemens.com/sce

Nota sobre o uso

A documentação de treinamento para a solução de automação universal Totally Integrated Automation (TIA) foi elaborada para o programa "Siemens Automation Cooperates with Education (SCE)" especificamente para fins educacionais. A Siemens AG não assume nenhuma responsabilidade sobre o conteúdo. Este documento só pode ser utilizado para o treinamento inicial em produtos/sistemas da Siemens. Isto é, ele pode ser copiado em sua totalidade ou parcialmente e ser entregue aos alunos para uso durante o treinamento. A transmissão e reprodução deste documento, bem como a divulgação de seu conteúdo, são permitidas apenas para fins educacionais. As exceções demandam a aprovação por escrito do representante da Siemens AG: Sr. Roland Scheuerer [email protected]. As violações estão sujeitas a indenização por danos. Todos os direitos, inclusive da tradução, são reservados, particularmente para o caso de registro de patente ou marca registrada. A utilização em cursos para clientes industriais é expressamente proibida. O uso comercial dos documentos não é autorizado. Agradecemos à empresa Michael Dziallas Engineering e todas as pessoas pelo auxílio na elaboração deste documento.

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PÁGINA:

1. Prefácio ....................................................................................................................................................... 4

2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200 .................................................................................... 6

2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200 ................................................................................................. 6

2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) ...................................................... 6

3. Fundamentos da engenharia de controle ................................................................................................... 7

3.1 Tarefas da engenharia de controle ............................................................................................................. 7

3.2 Componentes de um circuito de controle ................................................................................................... 8

3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados ....................................................................... 11

3.4 Sistemas controlados com compensação ................................................................................................ 12

3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo ......................................................... 12

3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo ......................................................... 13

3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo ................................................ 14

3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo .................................................... 15

3.5 Sistemas controlados sem compensação ................................................................................................ 16

3.6 Tipos básicos de controladores contínuos ............................................................................................... 17

3.6.1 O controlador proporcional (controlador P) ...................................................................................... 18

3.6.2 O controlador integral (controlador I) ............................................................................................... 20

3.6.3 O controlador PI ............................................................................................................................... 21

3.6.4 O controlador diferencial (controlador D) ......................................................................................... 22

3.6.5 O controlador PID ............................................................................................................................ 22

3.7 Meta no ajuste do controlador .................................................................................................................. 23

3.8 Ajustes dos sistemas controlados ............................................................................................................ 25

3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols ......................................................................... 26

3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick ......................................................... 26

3.9 Controladores digitais ............................................................................................................................... 28

4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque ........................................... 30

5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200 .................................... 31




1. Prefácio

O conteúdo do módulo SCE_PT_010-060 constitui a unidade de aprendizado 'Fundamentos da

programação CLP' e descreve a programação de controladores PID no SIMATIC S7 1200 com o

TIA Portal.

Meta de aprendizado:

O leitor deverá aprender neste módulo a programação de controladores PID com o SIMATIC S7-1200

com a ferramenta de programação TIA Portal. O módulo apresenta os fundamentos e demonstra o

procedimento com base em um exemplo detalhado.

Pré-requisitos:

Para um bom entendimento desse módulo, é

necessário conhecimento sobre Windows

Fundamentos da programação de CLP's com o TIA Portal

(por exemplo, módulo 010-010 - Programação 'startup' do SIMATIC S7-1200 com o TIA Portal

V11)

Blocos para o SIMATIC S7-1200

(por exemplo, módulo 010-020 – Tipos de bloco no SIMATIC S7-1200)

Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200

(por exemplo, módulo 010-050 – Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200)

Fatores adicionais para

a programação CLP Módulo 30

Fundamentos da

programação CLP Módulo 10, módulo 20

PROFIBUS PROFINET Módulo 60 Módulo 70

AS-Interface Módulo 50

Tecnologia de

segurança Módulo 80

Tecnologia de

acionamento Módulo 100

Visualização do

processo (IHM) Módulo 90

Tecnologia de

sensores Módulo 110

Simulação do sistema

SIMIT Módulo 150

Outras linguagens de

programação Módulo 40




Hardware e software necessários

1 PC Pentium 4 com 1.7 GHz, 1 GB de RAM (XP) ou 2 GB de RAM (Vista), espaço livre em disco de

aprox. 2 GB

Sistema operacional Windows XP Professional SP3 / Windows 7 Professional / Windows 7

Enterprise / Windows 7 Ultimate / Windows 2003 Server R2 / Windows Server 2008 Premium SP1,

Business SP1, Ultimate SP1

2 Software STEP 7 Professional V11 SP1 (TIA Portal V11)

3 Conexão Ethernet entre o PC e o CLP 315F-2 PN/DP

4 CLP SIMATIC S7-1200, p.ex., CPU 1214C.

As entradas deverão ser executadas em um painel de controle.

3 Conexão Ethernet

1 PC

2 STEP 7 Professional

V11 (TIA Portal)

4 S7-1200 com

CPU 1214C




2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200

2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200

O sistema de automação SIMATIC S7-1200 é um sistema de microcontrolador modular para as faixas

de baixa e média potência.

Existe uma ampla gama de módulos para a adaptação ideal em diferentes tarefas de automação.

O controlador S7 é composto de uma fonte de alimentação, uma CPU e módulos de entrada e de saída

para os sinais digitais e analógicos.

Eventualmente, também são aplicados módulos funcionais e de comunicação para tarefas específicas,

como por exemplo, o controle do motor de passo.

O controlador lógico programável (CLP) monitora e controla uma máquina ou um processo por meio do

software S7. No software S7, os módulos de Input/Output (I/O) são consultados através de endereços

de entrada (%I) e endereçados através de endereços de saída (%Q).

O sistema é programado com o software STEP 7.

2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11)

O software STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) é a ferramenta de programação para os sistemas

de automação

- SIMATIC S7-1200

- SIMATIC S7-300

- SIMATIC S7-400

- SIMATIC WinAC

Com STEP 7 Professional V11, as seguintes funções podem ser usadas para a automação de um

sistema:

- configuração e parametrização do hardware

- estabelecimento da comunicação

- programação

- teste, startup e serviço com as funções de operação/diagnóstico

- documentação

- criação de telas para os SIMATIC Basic Panels com WinCC Basic integrado.

- com os pacotes WinCC avançado também é possível criar soluções de visualização para PCs e

outros painéis

Todas as funções são auxiliadas por uma Ajuda detalhada.




3. Fundamentos da engenharia de controle

3.1 Tarefas da engenharia de controle

"O controle é um processo no qual o valor de uma variável de interesse é continuamente mantido por

meio de intervenções baseadas em medições desta variável.

Isto cria uma sequência de ações que tem lugar em uma malha fechada, a malha de controle, pois o

processo realiza-se com base em medições de uma variável, que influencia a si mesma novamente."

A variável a ser controlada é continuamente medida e comparada com o valor desejado (setpoint).

Dependendo do resultado desta comparação, o processo de controle realiza ajustes para que a variável

de interesse se aproxime do valor do setpoint.

Esquema de controle

Elemento de comparação

Elemento de controle

Regulador Atuador + sistema

Dispositivo de medição

Temperatura nominal




3.2 Componentes de um circuito de controle

A seguir serão explicados em detalhes os conceitos básicos da engenharia de controle.

Primeiramente uma visão geral com base em um esquema:

1. A variável controlada x

Ela é a "meta" propriamente dita do controle, ou seja, a variável a ser influenciada ou mantida constante

em todo o sistema. Em nosso exemplo, esta é a temperatura ambiente. O valor instantâneo de uma

variável controlada em um determinado momento chama-se "valor efetivo" referente a aquele momento.

2. A variável de realimentação r

Em um circuito de controle, a variável controlada é constantemente verificada para que seja possível

reagir às alterações indesejadas. A variável de medição proporcional à variável controlada chama-se

variável de realimentação. No exemplo "Aquecimento", ela corresponde à tensão de medição do

termômetro interno.


Elemento de controle

Dispositivo de medição

Sistema controlado

Controlador

Atuador

Regulador

YR




3. A variável de distúrbio z

A variável de distúrbio é aquela variável que influencia a variável controlada de forma indesejada e a

distancia do setpoint atual. Em caso de um controle de valor fixo, esta é necessária em razão da

existência da variável de distúrbio. No sistema de aquecimento considerado, esta seria - por exemplo -

a temperatura externa ou também qualquer outra variável que faz com que a temperatura ambiente se

afaste de seu valor ideal.

4. O setpoint w

O setpoint é o valor desejado que a variável controlada deve apresentar naquele momento. Deve-se

notar que o setpoint em um controle de valor sequencial pode se alterar constantemente em

determinadas circunstâncias. O valor medido determinado pelo dispositivo de medição quando a

variável controlada corresponde exatamente ao setpoint é o valor instantâneo da variável de referência.

No exemplo, o setpoint é a temperatura ambiente desejada no momento.

5. O elemento de comparação

Este é o ponto no qual o valor medido atual da variável controlada e o valor instantâneo da variável de

referência são comparados entre si. Na maioria dos casos, em ambas as variáveis, estes são tensões

de medição. A diferença entre as duas variáveis é a "diferença de controle", chamada de e. Esta é

encaminhada para o elemento de controle e lá avaliada (consulte abaixo).

6. O elemento de controle

O elemento de controle é o coração propriamente dito de um sistema de controle. Ele avalia a diferença

de controle - ou seja, a informação sobre se, como e em qual extensão a variável controlada se desvia

em relação ao valor nominal atual - na forma de variável de entrada e, a partir desta avaliação, deriva a

"variável de saída do controlador" YR por meio da qual a variável controlada será influenciada. No

exemplo do sistema de aquecimento, a variável de saída do controlador é a tensão para o motor do

misturador.

Como o elemento de controle determina a variável de saída do controlador a partir da diferença de

controle é o principal critério de um controle. A parte II irá tratar deste tema de forma mais detalhada.




7. O regulador

O regulador é por assim dizer o "órgão executor" do controle. Ele recebe a informação do elemento de

controle, na forma de variável de saída do controlador, sobre como a variável controlada deve ser

influenciada e converte esta informação em uma alteração da "variável manipulada". No nosso

exemplo, o regulador é o motor do misturador. Dependendo da tensão fornecida pelo elemento de

controle (ou seja, a variável de saída do controlador), ele influencia a condição do misturador (que aqui

representa a variável manipulada).

8. O atuador

Este é o elemento do circuito de controle que influencia a variável controlada (mais ou menos

diretamente) dependendo da variável manipulada Y. No exemplo, esta é a combinação entre

misturador, tubulações de aquecimento e aquecedor. O ajuste do misturador (a variável manipulada) é

realizado pelo motor do misturador (regulador) e influencia a temperatura ambiente através da

temperatura da água.

9. O sistema controlado

O sistema controlado é o sistema em que se encontram as variáveis a serem controladas; no exemplo

do aquecimento, a sala de estar.

10. O tempo morto

Tempo morto é o tempo que decorre entre a alteração da variável de saída do controlador até a reação

mensurável do sistema controlado. No exemplo, este é o tempo entre a alteração da tensão para o

motor do misturador e a alteração mensurável, condicionada por este fato, da temperatura ambiente.




3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados

Para examinar o comportamento dos sistemas controlados, controladores e circuitos de controle, é

usada uma função uniforme para o sinal de entrada, a função de passo.

Dependendo do objeto de estudo ser o exame do elemento do circuito de controle ou de todo o circuito

de controle, a variável controlada x(t), a variável manipulada y(t), a variável de referência w(t) ou a

variável de distúrbio z(t) podem ser ocupadas com a função de passo. Em razão disto, frequentemente

o sinal de entrada, a função de passo, é designado com xe(t) e o sinal de saída com xa(t).

para

para




3.4 Sistemas controlados com compensação

3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo

O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P.

alteração súbita da variável de entrada em t0

Variável controlada / variável manipulada:

Variável controlada / variável de distúrbio:

Kss : Coeficiente proporcional para uma alteração da variável controlada

Ksz : Valor proporcional para uma alteração

da variável de distúrbio

Faixa de ajuste: yh = ymáx – ymín Faixa de controle: xh = xmáx – xmín




3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo

O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T1.

Equação diferencial para um sinal de entrada comum xe(t):

Solução da equação diferencial para a função de passo na entrada (resposta de passo):

Ts: Constante de tempo




3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo

O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T2.

Fig.: Resposta de passo do sistema P-T2

Tu: tempo de atraso Tg: tempo de compensação

O sistema é formado pela ligação em série com ausência de reação de dois sistemas P-T1 possuindo

as constantes de tempo TS1 e TS2.

Controlabilidade de sistemas P-Tn:

A medida que a relação Tu / Tg aumenta, o sistema fica cada vez mais difícil de controlar.

fácil de controlar

ainda passível de controle

difícil de controlar




3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo

O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-Tn.

A descrição do comportamento temporal realiza-se através de uma equação diferencial de nª ordem. A

evolução da resposta de passo é similar a aquela do sistema P-T2. O comportamento temporal é

descrito por Tu e Tg.

Substituição: O sistema controlado com muitos atrasos pode ser substituído de modo aproximado pela

ligação em série de um sistema P-T1 com um sistema de tempo morto.

Irá valer: Tt » Tu e TS » Tg.

Resposta de passo substituta para o sistema P-Tn




3.5 Sistemas controlados sem compensação

Após um distúrbio, a variável controlada continua a aumentar continuamente sem almejar um valor final

fixo.

Exemplo: Controle de nível de preenchimento

Em um recipiente com drenagem, no qual os volumes de entrada e saída são iguais, estabelece-se um

nível de preenchimento constante. Se a vazão de entrada ou de saída se alterarem, o nível de líquido

aumenta ou se reduz. Quanto maior for a diferença entre entrada e saída, mais rapidamente o nível irá

se alterar.

O exemplo mostra que o comportamento integral, na prática, geralmente possui uma limitação. A

variável controlada aumenta ou se reduz até atingir um valor limite condicionado pelo sistema: O

recipiente transborda ou fica vazio, a pressão atinge o máximo ou o mínimo do sistema etc.

A figura mostra o comportamento temporal de um sistema I em uma alteração súbita da variável de

entrada, bem como o esquema de ligação em blocos daí derivado:

Quando a função de passo na entrada se transforma em uma função arbitrária xe(t),

* Figura da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)

Esquema de ligação em blocos

ymáx

xmáx

xa(t)=KIS ∫ xe(t) dt sistema controlado integrado Kis: Coeficiente integral do sistema controlado

http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf




3.6 Tipos básicos de controladores contínuos

Como já citado, os controladores discretos discutidos acima apresentam o benefício da simplicidade.

Tanto o controlador como também o regulador e o atuador são de natureza mais simples e, portanto,

mais baratos do que os controladores contínuos. Além disto, os reguladores discretos apresentam uma

série de desvantagens. Por exemplo, nos casos em que forem ligadas grandes cargas, como grandes

motores elétricos ou unidades de refrigeração, podem ocorrer elevados picos de carga que poderão

sobrecarregar a fonte de alimentação. Por esta razão, frequentemente não se realiza a comutação

entre "Desliga" e "Liga", mas sim entre a potência plena ("carga máxima") e uma potência

significativamente menor do regulador ou atuador ("carga básica"). Mas mesmo com esta melhoria, o

controle discreto não é adequado para diversas aplicações. Imagine um motor de carro, cuja rotação é

controlada discretamente. Não existiria nada entre marcha lenta e aceleração total. Além do fato de ser

impossível transferir as forças da aceleração total súbita de forma adequada através dos pneus para a

estrada, um veículo deste tipo seria totalmente inadequado para trafegar em vias públicas. Portanto, os

controladores contínuos são usados para este tipo de aplicação. Aqui a relação matemática, que o

elemento de controle estabelece entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador, é

teoricamente quase que ilimitada. Na prática é feita a diferenciação entre três tipos básicos clássicos,

que serão descritos em maiores detalhes a seguir.




3.6.1 O controlador proporcional (controlador P)

No controlador P, a variável manipulada y é sempre proporcional à diferença de controle determinada

(y ~ e). Disto resulta que um controlador P reage sem atraso a um desvio de controle e só gera uma

variável manipulada quando se apresentar um desvio e.

O controlador proporcional de pressão representado na figura compara a força FS da mola de setpoint

com a força FB, que gera a pressão p2 na junta de expansão metálica elástica. Se as forças não

estiverem em equilíbrio, a alavanca gira em torno do ponto de rotação D. Com isto, a posição da válvula

ñ e a pressão p2 a ser regulada se alteram correspondentemente até que se estabeleça um novo

equilíbrio de forças.

A figura mostra o comportamento do controlador P em caso de ocorrência súbita de uma diferença de

controle. A amplitude do passo da variável manipulada y depende da extensão da diferença de controle

e do valor do coeficiente proporcional Kp:

Portanto, para manter um desvio de controle pequeno, é necessário selecionar um fator de

proporcionalidade o maior possível. O aumento do fator resulta em uma reação mais rápida do

controlador, mas um valor muito elevado implica no perigo de oscilação indesejada e elevada tendência

à oscilação do controlador.

* Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)

Junta de expansão metálica

Mola de setpoint





Aqui pode ser visto o comportamento do controlador P no diagrama:

Os benefícios deste tipo de controlador são, por um lado, a sua simplicidade (a realização eletrônica

pode ser composta, no caso mais simples, de uma simples resistência) e, por outro lado, a sua rápida

reação quando comparado aos outros tipos de controladores. A principal desvantagem do controlador P

está no permanente desvio de controle, o valor nominal nunca é totalmente atingido mesmo em longo

prazo. Esta desvantagem, assim como a velocidade lenta de reação, só podem ser amenizadas por um

fator de proporcionalidade mais elevado; caso contrário, poderão resultar oscilações indesejadas do

controlador, ou seja, quase uma reação excessiva. No caso mais desfavorável, o controlador entra em

uma oscilação permanente, o que faz com que a variável controlada se afaste periodicamente do valor

nominal devido ao próprio controlador ao invés de devido à variável de distúrbio.

A melhor maneira de solucionar o problema do desvio de controle permanente é através de um

controlador integral.

Desvio de controle

Variável controlada

Setpoint

Valor efetivo

Tempo




3.6.2 O controlador integral (controlador I)

Os controladores integrativos são usados para controlar completamente os desvios de controle em

cada ponto de operação. O valor da variável manipulada se altera enquanto o desvio for diferente de

zero. O controle é estabelecido somente quando a variável de referência e a variável controlada forem

iguais, o mais tardar quando a variável manipulada atingir o seu valor limite condicionado pelo sistema

(Umáx, Pmáx etc.).

A formulação matemática deste comportamento integral é: A variável manipulada é proporcional à

integral de tempo da diferença de controle e:

A velocidade com que a variável manipulada aumenta (ou se reduz) depende do desvio de controle e

do tempo de integração.



emáx

ymáx

com:





3.6.3 O controlador PI

O controlador PI é um tipo de controlador muito frequentemente usado na prática. Ele é composto de

uma ligação em paralelo de um controlador P e um controlador I.

Adequadamente projetado, ele combina as vantagens de ambos os tipos de controladores (estável e

rápido, sem desvio de controle permanente), de forma que as suas desvantagens são compensadas.

O comportamento temporal é caracterizado pelo coeficiente proporcional Kp e o tempo de

reinicialização Tn. Em razão do componente proporcional, a variável manipulada reage imediatamente a

cada diferença de controle e, enquanto que o componente integral só terá efeito com o decorrer do

tempo. Tn representa o tempo que decorre até o componente I gerar a mesma amplitude de ajuste que

é criada pelo componente proporcional (Kp). Do mesmo modo como no controlador I, o tempo de

reinicialização Tn deve ser reduzido para que seja possível aumentar o componente integral.

Projeto do controlador:

Dependendo do dimensionamento de Kp e Tn, as oscilações indesejadas da variável controlada podem

ser reduzidas à custa da dinâmica de controle.

Áreas de aplicação do controlador PI: circuitos de controle rápidos, que não permitem desvio de

controle permanente.

Exemplos: controles de pressão, temperatura e proporção



emáx

ymáx





3.6.4 O controlador diferencial (controlador D)

O controlador D forma a sua variável manipulada a partir da velocidade de alteração da diferença de

controle e não a partir da amplitude como ocorre no controlador P. Portanto, ele reage ainda mais

rapidamente do que o controlador P: Assim que ocorre uma alteração de amplitude, ele gera grandes

amplitudes de ajuste quase que por antecipação mesmo em caso de pequenas diferenças de controle.

No entanto, o controlador D não detecta um desvio de controle permanente, pois independentemente

do seu tamanho, a velocidade de alteração é igual a zero. Em razão disto, raramente o controlador D é

utilizado sozinho na prática. Geralmente ele é aplicado junto com outros elementos de controle, na

maioria das vezes em conjunto com um componente proporcional.

3.6.5 O controlador PID

Quando um controlador PI é estendido por um componente D, obtém-se um controlador PID universal.

Como no controlador PD, a complementação do componente D faz com que, se adequadamente

projetada, a variável controlada atinja mais precocemente o seu valor nominal e o ajuste seja mais

rápido.



emáx

ymáx

con





3.7 Meta no ajuste do controlador

Para obter um resultado de controle satisfatório, a seleção de um controlador adequado é um aspecto

fundamental. Ainda mais essencial, no entanto, é a configuração dos respectivos parâmetros do

controlador, Kp, Tn e Tv, que deverão estar ajustados em relação ao comportamento do sistema. Aqui

é necessário tomar uma decisão entre um controle muito estável, mas também lento, ou um

comportamento de controle muito dinâmico, mais inquieto, apresentando tendência à oscilação sob

determinadas circunstâncias e podendo se tornar instável.

Em sistemas não lineares, que devem sempre trabalhar no mesmo ponto de operação, por exemplo,

um controle de valor fixo, os parâmetros do controlador devem sempre ser ajustados em relação ao

comportamento do sistema neste ponto de trabalho. Se, como nos controles sequenciais, não puder ser

definido um ponto de trabalho fixo para ñ, deverá ser encontrado um ajuste de controlador que forneça

um resultado de controle suficientemente rápido e estável ao longo de toda a faixa de trabalho.

Na prática, os controladores geralmente são ajustados com base em valores empíricos.

Se estes não estiverem disponíveis, o comportamento do sistema deve ser cuidadosamente analisado

para, em seguida, estabelecer os parâmetros adequados do controlador com o auxílio de diversos

procedimentos teóricos e práticos de projeto.

Uma possibilidade para esta determinação é o teste de vibração conforme o método de Ziegler-Nichols.

Ele permite um dimensionamento simples e adequado para muitos casos. Este processo de ajuste, no

entanto, só poderá ser aplicado em sistemas controlados, que permitam que a variável controlada seja

levada à oscilação automática. O procedimento será como segue:

deixar os valores de Kp e Tv no controlador mínimos e Tn máximo (menor efeito possível do

controlador).

Ajustar o sistema controlado manualmente conforme o ponto de operação desejado (início da operação

do controlador).

Ajustar a variável manipulada do controlador manualmente conforme o valor predefinido e alterar para o

modo automático.

Aumentar Kp (reduzir Xp ) até que possam ser detectadas oscilações harmônicas da variável

controlada. Se possível, o circuito de controle deve ser induzido para oscilações com a ajuda de

alterações súbitas do valor nominal durante o ajuste de Kp.

* Texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)





Registrar o valor ajustado de Kp como coeficiente proporcional crítico Kp,crit. Determinar a duração de

uma oscilação completa como Tcrit, eventualmente com um cronômetro e cálculo da média aritmética

de diversas oscilações.

Multiplicar os valores Kp,crit e Tcrit pelos multiplicadores conforme a tabela e ajustar os valores assim

determinados para Kp, Tn e Tv no controlador.


Kp, crit.

Kp, crit.

Kp, crit.

T crit.

T crit. T crit.





3.8 Ajustes dos sistemas controlados

O ajuste dos sistemas controlados deve ser realizado com base no exemplo de um sistema PT2.

Aproximação Tu-Tg

A base do método conforme Ziegler-Nichols e conforme Chien, Hrones e Reswick é a aproximação Tu-

Tg, na qual, a partir da resposta de passo do sistema, é possível determinar os parâmetros coeficiente

de transferência do sistema KS, tempo de atraso Tu e tempo de compensação Tg

As regras de ajuste descritas abaixo foram encontradas experimentalmente com a ajuda de simulações

em computador analógico.

Os sistemas P-TN podem ser descritos de forma suficientemente precisa com uma assim chamada

aproximação Tu-Tg, ou seja, por meio de uma aproximação através de um sistema P-T1-TL.

O ponto de partida é a resposta de passo do sistema com o tamanho de passo de entrada K. Os

parâmetros necessários, ou seja, coeficiente de transferência do sistema KS, tempo de atraso Tu e

tempo de compensação Tg são determinados conforme mostrado na figura.

Para que o coeficiente de transferência do sistema KS necessário para o cálculo possa ser determinado,

é necessária a medição da função de transição até o valor final estacionário (K*Ks).

O principal benefício deste procedimento é o fato da aproximação poder ser aplicada mesmo quando

não existir nenhuma descrição analítica do sistema.

Figura: Aproximação Tu-Tg

Ponto de inflexão

K*K S

T g T u t/seg

x / %




3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols

Por meio do estudo de sistemas P-T1-TL, Ziegler e Nichols descobriram os seguintes ajustes ideais de

controlador para o controle de valor fixo:

KSTu

Tg KPR = 0,9

TN = 3,33 Tu

Com estes valores de ajuste geralmente é obtida uma excelente reação em relação aos distúrbios. [7]

3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick

Neste procedimento, tanto o comportamento de referência como a reação aos distúrbios foram

estudados para obter parâmetros favoráveis do controlador. Em ambos os casos resultam valores

diferentes. Além disto, também são especificados dois diferentes ajustes, que atendem a diferentes

requisitos com relação à qualidade do controle.

Resultam os seguintes ajustes:

Para reação em relação a distúrbios:

K S T u

T g K PR = 0,6

T N = 4 T u

transiente aperiódico com mínima duração

K S T u

T g K PR = 0,7

T N = 2,3 T u

20% de oscilações indesejadas com mínima duração de oscilação




Para comportamento de referência:

K S T u

T g K PR = 0,35

T N = 1,2 T g

transiente aperiódico com mínima duração

K S T u

T g K PR = 0,6

T N = T g

20% de oscilações indesejadas com mínima duração de oscilação




3.9 Controladores digitais

Até agora foram vistos principalmente os controladores analógicos, ou seja, aqueles que a partir da

diferença de controle disponível como valor analógico derivam, também de maneira analógica, a

variável de saída do controlador. O esquema de um circuito de controle deste tipo já é conhecido:

Frequentemente, no entanto, existem vantagens ao se realizar a avaliação da diferença de controle de

maneira digital. A relação entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador pode ser

estabelecida de forma muito mais flexível se ela for definida por um algoritmo ou uma fórmula com a

qual seja possível programar um computador, ao invés de ser necessário implementá-la na forma de

um circuito analógico. Além disso, na tecnologia digital é possível uma integração muito maior dos

circuitos, o que permite acomodar diversos controladores em um espaço reduzido. E, finalmente, por

meio da distribuição do tempo de cálculo com uma capacidade de cálculo suficiente, também é possível

usar um único computador como elemento de controle de diversos circuitos de controle.

Para permitir o processamento digital das variáveis, tanto as variáveis de referência como as variáveis

de realimentação são primeiro convertidas em variáveis digitais por um conversor analógico-digital

(ADU). Em seguida, elas são subtraídas umas das outras por um elemento de comparação digital e a

diferença é encaminhada ao elemento digital de controle. A variável de saída do controlador é, então,

novamente convertida em uma variável analógica por um conversor digital-analógico (DAU). A unidade

composta de conversores, elemento de comparação e elemento de controle aparece externamente

como um controlador analógico.

Controlador analógico

Sistema Elemento de comparação




O diagrama abaixo ilustra a estrutura de um controlador digital:

Apesar dos benefícios apresentados pela implementação digital do controlador, ela também está

associada a diversos problemas. Portanto, algumas variáveis deverão ser selecionadas suficientemente

grandes no controlador digital para que a precisão do controle não seja prejudicada na digitalização. Os

critérios de qualidade para computadores digitais são:

A resolução de quantização do conversor digital-analógico.

Ela indica a precisão com a qual a faixa de valores contínuos é digitalizada. A resolução deve ser

grande o suficiente para que nenhuma das sutilezas importantes do controle se perca.

A taxa de amostragem do conversor analógico-digital.

Esta é a frequência com a qual os valores analógicos existentes no conversor são medidos e

digitalizados. Esta deve ser alta o suficiente para que o controlador possa reagir prontamente em

relação às alterações súbitas da variável controlada.

O tempo de ciclo.

Todos os computadores digitais trabalham de forma diferente do que um controlador analógico em

termos de ciclos de clock. A velocidade do computador usado deve ser alta o suficiente para que não

possa ocorrer nenhuma alteração significativa da variável controlada durante um ciclo de clock (no qual

o valor de saída é calculado e nenhum valor de entrada é consultado).

A qualidade do controlador digital deve ser alta o suficiente para que, exteriormente, a sua reação seja

tão rápida e precisa como a de um controlador analógico.


Controlador digital

Sistema DAU

ADU

ADU

ADU Elemento de comparação

Controlador digital DAU Sistema

ADU




4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque

Para o nosso programa deverá ser programado um controle de nível de preenchimento.

Um sensor mede o nível de preenchimento de um tanque e o converte em um sinal de tensão de

0-10 V.

0 V correspondem a um nível de preenchimento de 0 litros e 10 V a um nível de preenchimento de

1000 litros.

Este sensor está conectado na primeira entrada analógica do SIMATIC S7-1200.

O nível de preenchimento deve ser controlado em 0 litros (S1 == 0) ou 700 litros (S1 == 1).

Para isto, é usado um controlador "PID_Compact" integrado a STEP 7 Basic V10.5. Este controlador

PID aciona uma bomba na forma de variável manipulada entre 0-10 V.

Lista de atribuição:

Endereço Símbolo Tipo de dados Comentário

%IW 64 X_level_tank1 Int Entrada analógica do valor efetivo do nível de

preenchimento do tanque1

%QW 80 Y_level_tank1 Int Saída analógica da variável manipulada da

bomba1

%I 0.0 S1 Bool Passo do valor nominal do nível de preenchimento

0 (0) ou 700 litros (1)




5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200

O gerenciamento do projeto e a programação realizam-se com o software 'Totally Integrated

Automation Portal'.

Aqui, em uma interface única, são criados, parametrizados e programados os componentes da solução

de automação, tais como controle, visualização e rede.

Ferramentas online estão disponíveis para o diagnóstico de erros.

Conforme os passos abaixo é possível criar um projeto para o SIMATIC S7-1200 e programar a solução

da tarefa:

1. A ferramenta central é o 'Totally Integrated Automation Portal', que é chamada aqui por meio de

um clique duplo. ( Totally Integrated Automation Portal V11)




2. Os programas para o SIMATIC S7-1200 são administrados em projetos. Um projeto é criado na

visualização do portal ( Create a new project tank_PID Create)




3. Então, são sugeridos os 'First steps' para a criação do projeto. Queremos, primeiro, 'Configure a

device'. ( First steps Configure a device)




4. Então iremos 'Add new device' com o 'nome de dispositivo controller_tank'. A partir do

catálogo, selecionamos a 'CPU1214C' com a referência correspondente.

( Add new device controller_tank CPU1214C 6ES7 ……. Add)




5. O software altera automaticamente para a visualização do projeto com a configuração de hardware

aberta. Aqui é possível adicionar outros módulos a partir do catálogo de hardware (à direita!). Deve

ser adicionada a placa de sinal para a saída analógica a partir do catálogo por meio de

Arrastar&Soltar. ( Catlog Signal board AO1 x 12Bit 6ES7 232-… )




6. Em 'Device view' também é possível configurar os endereços das entradas/saídas. Neste caso,

as entradas analógicas integradas da CPU possuem os endereços %IW64 - %IW66 e as entradas

digitais integradas possuem os endereços %I0.0 - %I1.3. O endereço da saída analógica na placa

de sinal é AW80 ( Device view AO1 x 12Bit 80…81)




7. Para que o software acesse posteriormente a CPU correta, o respectivo endereço IP e máscara de

rede deverão ser configurados. ( Properties General PROFINET interface Ethernet

addresses IP address: 192.168.0.1 Subnet mask: 255.255.255.0)




8. Como na programação moderna não são usados endereços absolutos, mas sim variáveis

simbólicas, aqui é necessário definir as Variáveis globais do CLP.

Estas variáveis globais do CLP são nomes descritivos com comentário para todas as entradas e saídas

usadas no programa. Posteriormente, as variáveis globais do CLP poderão ser acessadas através dos

respectivos nomes durante a programação.

Estas variáveis globais podem ser usadas em todo o programa e em todos os blocos.

Para tal, na árvore do projeto, selecione 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’ e, em seguida, 'PLC

tags'. Abra a tabela 'PLC tags' com um clique duplo e insira ali os nomes para as entradas e saídas

conforme mostrado abaixo.

( controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]' PLC tags Default tag table)




9. Para criar o bloco de função FC1, selecione o 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’ e, em

seguida, os 'Program blocks' na árvore do projeto. Clique duas vezes sobre 'Add new block'. (

controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’ Program blocks Add new block)




10. Selecione 'Organization block (OB)' e, em seguida, o tipo 'Cyclic interrupt'. Como linguagem de

programação é predefinido o diagrama de blocos funcionais 'FBD'. A numeração (OB200) realiza-

se automaticamente. O tempo de ciclo fixo é mantido aqui em 100 ms. Aplique as entradas por

meio de 'OK'. ( Organization block (OB) Cyclic interrupt FBD Cycle time 100 OK)

Nota:

A chamada do controlador PID deve ser obrigatoriamente realizada com um tempo de ciclo fixo (neste

caso, 100 ms), pois o seu tempo de processamento é crítico. Será impossível otimizar o controlador se

ele não for chamado desta forma.




11. O bloco de organização 'Cyclic interrupt'[OB200]’ é aberto automaticamente. Antes de ser

possível gravar o programa, é necessário definir as suas variáveis locais.

Neste bloco só pode ser usado um tipo de variável:

Tipo Designação Função Disponível em

Dados locais temporários

Temp

Variáveis usadas para o armazenamento de resultados intermediários temporários. Os dados temporários são mantidos somente durante um ciclo.

Funções, blocos de função e blocos de organização

12. No nosso exemplo, só é necessária a seguinte variável local.

Temp:

w_level_tank1 Real Esta variável armazena o setpoint para o tanque1 como valor intermediário

Neste exemplo, é novamente importante o uso do tipo de dados correto, o Real; caso contrário, este

não será compatível com o bloco de controlador PID no programa seguinte.

Para uma melhor compreensão, todas as variáveis locais devem ser acompanhadas de um comentário.




13. Após as variáveis locais terem sido declaradas, o programa pode ser inserido usando-se os nomes

das variáveis. (As variáveis são identificadas pelo símbolo '#'.) Aqui, nas duas primeiras redes,

cada uma com uma instrução 'MOVE', é copiado o número de ponto flutuante 0.0 (S1 == 0) ou

700.0 (S1 == 1) na variável local #w_level_tank1. ( Basic instructions Move MOVE )




14. Na terceira rede é inserido o bloco do controlador 'PID_Compact'. Como ele não suporta uma

múltipla instância, a ele deve ser atribuído um bloco de dados como instância individual. Este é

automaticamente criado pelo STEP 7.

( Extended instructions PID PID_Compact OK)




15. Conforme o aqui mostrado, ligue este bloco com o valor nominal (variável local #w_level_tank1), o

valor efetivo (variável global "X_Level_Tank1") e a variável manipulada (variável global

"Y_Level_Tank1"). Em seguida, pode-se abrir a máscara de configuração ' ' do bloco do

controlador. ( #w_level_tank1 "X_Level_Tank1" "Y_Level_Tank1" )




16. Aqui deverão ser realizadas as 'Basic settings', tais como o tipo de controle e a interconexão da

estrutura interna do controlador. ( Basic settings Controller type Volume l Setpoint:

Input_PER(analog) Valor manipulado: Output_PER )




17. Em 'Process value settings' definimos a faixa de medição de 0 litros até 1000 litros. E também é

necessário ajustar os limites. ( Process value settins Scaled high process value 1000.0 l

Process value high limit 1000.0 l Process value low limit 0.0 l Scaled low process value 0.0 l)




18. Em 'Advanced settings' ainda poderá ser encontrado, por exemplo, um ajuste manual dos 'PID

parameters'. A janela de configuração é fechada com um clique em e é obtido um programa

com controlador PID. ( Advanced settings PID parameters )

Programa no diagrama de blocos funcionais (FBD):




Programa no diagrama ladder (LD):




19. O projeto é salvo por meio de um clique com o mouse em . Para carregar o seu

programa completo na CPU, primeiro selecione a pasta 'controller_tank' e clique, em seguida, no

símbolo Download to device.

( controller_tank )




20. Caso a interface PG/PC ainda não tiver sido definida (consulte o módulo M1, capítulo 4), aparecerá

uma janela onde isto poderá ser realizado. ( PG/PC interface for loading Load)




21. Clique, então, novamente em 'Load'. Durante o carregamento, o status é exibido em uma janela.

( Load)

22. O carregamento bem-sucedido será exibido em uma janela. Clique, então, com o mouse em

'Finish'. ( Finish)




23. Inicie a CPU com um clique do mouse sobre o símbolo . ( )

24. Confirme a pergunta se você deseja realmente iniciar a CPU com 'OK'. ( OK)




25. Com um clique do mouse sobre o símbolo "Monitoring on/off", é possível observar o estado

dos blocos e das variáveis durante o teste do programa.

Ao iniciar a CPU pela primeira vez, o controlador 'PID_Compact' ainda não estará ativado. Para

tal, é necessário iniciar o comissionamento clicando com o mouse sobre o símbolo ' '. ( Cyclic

interrupt[OB200] PID_Compact Comissioning)




26. Com 'Measurement on' é possível exibir o valor nominal, o valor efetivo e a variável manipulada

em um diagrama na tela de operação.

Esta ainda não estará ativa após o primeiro carregamento do controlador. Isto significa que a

variável manipulada se mantém em 0%. Selecione 'Pretuning' e, em seguida, 'Start pretuning'.

( Measurement on Pretuning Start pretuning)




27. O autoajuste é iniciado. No campo 'Status' são exibidas as atuais etapas de trabalho e os erros

ocorridos. A barra de progresso mostra o progresso da etapa de trabalho atual.




28. Se o autoajuste for executado sem mensagem de erro, os parâmetros PID terão sido otimizados.

O controlador PID altera para o modo automático e usa os parâmetros otimizados. Os parâmetros

PID otimizados são mantidos ao LIGAR a rede e no caso de reinicialização da CPU. Os

parâmetros PID podem ser carregados no seu projeto com o botão ' '. ( )

Nota:

Em caso de processos mais rápidos, como por exemplo o controle de uma rotação, deverá ser

selecionado Autoajuste no ponto de trabalho para a otimização. Neste caso é executado um ciclo

com duração de diversos minutos em que todos os parâmetros PID são determinados e ajustados.

Os valores dos parâmetros poderão ser observados no bloco de dados após o carregamento no

projeto.

Documents

Pid s7-1200 Tia Portal