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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CARATINGA
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CONTROLE E MONITORAMENTO DE NíVEL EM TANQUES RESERVATÓRIOS DE
LíQUIDOS
ANDRÉ DE SOUZA PEREIRA
Trabalho de Conclusão de Curso
Caratinga/MG
2016
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Controle de Sistemas: Modelos Matemáticos, Malhas Abertas e Fechadas, Esquemas de Circuitos Elétricos
Este documento aborda os sistemas controlados, enfatizando a importância de monitorar o andamento e estado dos processos envolvidos. Além disso, discute os modelos matemáticos físicos, que são chaves no projeto e análise de sistemas de controle. O texto também compara sistemas de malha aberta e fechada, explicando suas diferenças e vantagens.
Tipologia: Esquemas
2022
1 / 66
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CARATINGA
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CONTROLE E MONITORAMENTO DE NíVEL EM TANQUES RESERVATÓRIOS DE LíQUIDOS
ANDRÉ DE SOUZA PEREIRA
Trabalho de Conclusão de Curso
Caratinga/MG 2016
ANDRÉ DE SOUZA PEREIRA
CONTROLE E MONITORAMENTO DE NíVEL EM TANQUES RESERVATÓRIOS DE LíQUIDOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Banca Examinadora do Curso Superior de En- genharia Elétrica do Instituto Tecnológico de Caratinga da DOCTUM Caratinga como requi- sito parcial para obtenção do Grau de Bacharel em Engenharia Elétrica. Professor Orientador: Daniel Mageste Butters.
Caratinga/MG 2016
À Deus por todas as bençãos desta vida.......
AGRADECIMENTOS
A Deus por ter me dado saúde e força para superar as dificuldades. A esta universidade, seu corpo docente, direção e administração que oportunizaram a janela que hoje vislumbro um horizonte superior.
Ao meu orientador Daniel Mageste Butters, pelo suporte, orientação e ajuda em seu tempo, pelas suas correções e incentivos.
Ao meu pai José de Souza Pereira, a minha mãe Ana Maria de Jesus Souza, a minha esposa Tatiane Lacerda Lopes e a minha irmã Josiane de Souza Pereira, pelo amor, incentivo e apoio incondicional.
A Rose Helena de Almeida Miranda Lacerda que se dispôs a me ajudar com orientação e correções.
Aos meus colegas de classe que estiveram presentes nos momentos alegres e difíceis ao longo do percurso deste curso.
E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu muito obrigado.
PEREIRA, André de Souza. Controle e Monitoramento de Nível em Tanques Reservatórios de Líquidos. Caratinga, 2016. Trabalho de Conclusão de Curso Curso Superior de Engenharia Elétrica. Instituto Tecnológico de Caratinga, Rede DOCTUM, Caratinga, 2016.
RESUMO
Na indústria, na agricultura, no abastecimento de água urbano e nas diversas outras áreas, desejamos controlar com precisão e rapidez o nível de líquido em reservatórios. Na maioria das vezes estes possuem uma demanda de vazão variável, que pode ocorrer na chegada do líquido que abastece o reservatório ou na saída do reservatório, durante a utilização de seu conteúdo, tornando-se então imprescindível o estudo, dimensionamento e implementação de um controlador.
Este estudo pretende realizar análise e implantação de um controlador PID, gerenciado por um Arduino em uma planta exemplo, utilizando recursos com alta disponibilidade, confiabilidade e baixo custo, para obter resultados satisfatórios, prezando sempre pela qualidade e confiança no sistema geral.
Em sistemas de controle, devemos sempre estar em constante monitoramento. Para isso exis- tem os softwares supervisórios para supervisionar, monitorar e controlar as variáveis de um sistema, por meio de uma tela configurada em computadores e/ou em dispositivos com recursos semelhantes. Com a finalidade de acompanhar processos e intervir em ações de processos, tanto localmente quanto remotamente. No sistema estudado, é configurado uma tela desenvolvida no Elipse Scada, esta tela além de monitorar os processos ela é capaz de ajustar o valor de setpoint (nível desejado), e dar permissão para que o mesmo ajuste possa ocorrer localmente através de um botão regulável.
Palavras-chave: Controle. Nível. PID. Arduino. Monitoramento. Supervisórios.
PEREIRA, André de Souza. Controle e Monitoramento de Nível em Tanques Reservatórios de Líquidos. Caratinga, 2016. Trabalho de Conclusão de Curso Curso Superior de Engenharia Elétrica. Instituto Tecnológico de Caratinga, Rede DOCTUM, Caratinga, 2016.
ABSTRACT
In industry, agricultural, urban water supply and in several other areas, it’s desired to precisely control the level of liquid in reservoirs accurately and quirky. Most of the times these reservoirs have a variable flow demand, this can occur in the arrival of liquid that supplies the reservoir or in the exit, during the use of its contents, making it then essential to study, design and implement a controller.
This study intends to perform analysis and implementation of a PID controller managed by an Arduino in a sketch map, using resources with high availability, reliability and low cost, obtaining satisfactory results and always valuing the quality and reliability of the general system.
In control systems, it is necessary to be in continuous monitoring, for that reason there are provisional software to supervise, monitor and control the variables of a system, through a screen configured by computers and/or devices with similar resources, for the purpose of monitor processes and intervene in actions both locally and remotely. In this system, a screen developed in the Scada Elipse is configured, which in addition to monitoring the process, it is able to adjust the setpoint value (desired level) and allow a in order to the adjustment can take place locally through an adjustable button.
Key-words: Control. Level. PID. Arduino. Monitoring. Supervisory.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Medidas do Reservatório........................... 36 Tabela 2 – Tensão X Vazão................................ 37 Tabela 3 – Especificações Sensor ultrassônico HC-SR04................. 45
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
V Volts
kp Ganho Proporcional
ki Ganho Integral
kd Ganho Derivativo
PI proporcional-integral
PID proporcional-integral-derivativo
MW Megawatt
SUMÁRIO
- Figura 1 – Simbologia transistores.
- Figura 2 – Transistores.
- Figura 3 – Resistor e código de cores.
- Figura 4 – Esquema de um Diodo.
- Figura 5 – Microcontrolador Atmega 2560.
- Figura 6 – CLP Weg. PLC 300.
- Figura 7 – Interface programação label TPW03 Weg.
- Figura 8 – Arduino Mega2560.
- Figura 9 – Interface Arduino programação e envio da mesma.
- Figura 10 – Monitor serial Arduino.
- Figura 11 – Diagrama de bloco Função de Transferência.
- Figura 12 – Diagrama de blocos sistema malha aberta.
- Figura 13 – Diagrama de blocos sistema Malha Fechada.
- Figura 14 – Diagrama de blocos sistema realimentado com controlador.
- Figura 15 – Interface Software MATLAB.
- Figura 16 – Interface simulação MATLAB Simulink.
- Figura 17 – Kit controle de nível Bit9.
- Figura 18 – Gráfigo tensão x vazão.
- Figura 19 – Tabela erro regime permanente.
- Figura 20 – Diagrama de blocos do sistema.
- Figura 21 – Ajustando Controlador PI.
- Figura 22 – Valores do Controlador PI.
- Figura 23 – Resposta do sistema.
- Figura 24 – Diagrama de blocos modificado do sistema.
- Figura 25 – Resposta do sistema 2.
- Figura 26 – Sensor ultrassônico HC-SR04.
- Figura 27 – Definindo valor Proporcional e Integral.
- Figura 28 – Definindo valor controlador PI.
- Figura 29 – Circuito alimentação do Atuador.
- Figura 30 – Tela de supervisão e monitoramento.
- Figura 31 – Display Ajuste Local.
- Figura 32 – Display Ajuste Remoto.
- Figura 33 – Início de teste.
- Figura 34 – Final de teste.
- Figura 35 – Teste em regime permanente.
- Figura 36 – Tabela de Laplace.
- 1 INTRODUÇÃO
- 2 REVISÃO DA LITERATURA
- 2.1 Instrumentação
- 2.1.1 Circuito Elétrico
- 2.1.1.1 Transistor
- 2.1.1.2 Resistor
- 2.1.1.3 Diodo
- 2.1.2 Microcontrolador
- 2.1.3 Controlador Lógico Programável
- 2.1.4 Arduino
- 2.1.5 CLP Versus Arduino
- 2.1.6 Sensor Ultrassônico
- 2.2 Teoria de Controle
- 2.2.1 Sistemas Lineares
- 2.2.2 Sistemas de Primeira Ordem
- 2.2.3 Sistemas de Segunda Ordem
- 2.2.4 Sinais de Entrada e Saída
- 2.2.5 Análise e modelagem matemática
- 2.2.6 Função de Transferência
- 2.2.7 Malha Aberta
- 2.2.8 Malha Fechada
- 2.2.9 Transformada de Laplace
- 2.2.10 Controle
- 2.2.10.1Controle on-off
- 2.2.10.2Controle Proporcional (P)
- 2.2.10.3Controle Integral (I)
- 2.2.10.4Controle Derivativo (D)
- 2.2.10.5Controle Proporcional Integral Derivativo (PID)
- 2.3 Softwares
- 2.3.1 MATLAB
- 2.3.2 Programas Scada
- 2.3.2.1 Elipse Scada
- 2.3.3 Modbus
- 3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
- 3.1 Planta de Controle
- 3.1.1 Kit para controle de nível da bit9
- 3.2 Análise da planta
- 3.3 Modelagem Matemática
- 3.4 Simulação em software
- 3.4.1 Ajuste Fino da Simulação
- 3.5 Implantação do Controle e monitoramento de nível
- 3.6 Programação Arduino
- 3.7 Circuito eletrônico
- 3.8 Monitoramento
- 4 RESULTADOS E APLICAÇÕES
- 4.1 Resultados
- 4.2 Aplicações
- 4.2.1 Saneamento urbano
- 4.2.2 Pequena Central Hidrelétrica
- 5 CONCLUSÃO
- 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- APÊNDICE A Apêndice
- ANEXO A Tabela de Laplace
Capítulo 1. INTRODUÇÃO 15
apertar de um botão.
Contudo espera-se no final do trabalho esclarecer dúvidas remanescentes sobre o emprego do Arduino em sistemas de controle, junto a técnica de controle PID e o monitoramento através de software. Facilitando o desenvolvimento de projetos e estudos que se baseiam em poder automatizar e controlar sistemas existentes ou em implantação.
16
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 INSTRUMENTAÇÃO
Em sistemas de controle, onde se trabalha com malha fechada, sempre haverá a necessi- dade de se ter equipamentos de sensoriamento, onde o controlador utilizará informações destes componentes para analisar e identificar a existência de erro e/ou estabilização do sistema. Além destes equipamentos, os controladores necessitam do desenvolvimento de circuitos responsáveis por realizar acionamento direto ou indireto dos atuadores.
2.1.1 Circuito Elétrico
Circuitos Elétricos são circuitos fechados onde o fim é o início, estes circuitos são alimentados por uma fonte de energia que pode ser uma tomada, bateria ou pilhas. Através de um condutor, a corrente elétrica percorre todo o circuito a fim de alimentar e suprir a necessidade de uma carga. No percorrer do circuito pode haver a existência de diversos componentes com aplicações distintas.
"Um circuito elétrico, ou rede elétrica, é uma coleção de elementos interconec- tados de maneira específica."(JOHNSON et al, 1994, p. 2).
"O termo condutor é aplicado a qualquer material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar, através de seus terminais, uma fonte de tensão de amplitude limitada". (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004, p. 3).
2.1.1.1 Transistor
O Transistor é um componente eletrônico que possui variadas funções em um circuito, sendo a mais utilizada é a de amplificar.
O Transistor possui três terminais, onde temos base, coletor e emissor, para a corrente circular entre elas é preciso alimentar a base, conforme a tensão é aplicada nela, o transistor altera a resistência existente entre o pino emissor e coletor, consequentemente variando o fluxo de passagem de corrente elétrica.
"Todos os amplificadores (dispositivos que aumentam a tensão, corrente ou nível de potência) possuem no mínimo três terminais e um deles controla o fluxo entre os outros dois". (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004, p. 6).
A seguir veremos a estrutura e símbolo de um Transistor representado pela figura 1 e logo em seguida alguns modelos de Transistores bipolares na figura 2.
Capítulo 2. REVISÃO DA LITERATURA 18
2.1.1.2 Resistor
O Resistor é um componente muito empregado em circuitos eletrônicos com a finalidade de se limitar ou reduzir a corrente elétrica, esta limitação ou redução ocorre devido ao efeito Joule, onde o resistor dissipa energia elétrica em forma de energia térmica.
A unidade do Resistor é dada em ohms, quanto maior for seu valor maior será sua resistência e menor será o fluxo de corrente elétrica. Sua empregabilidade pode ser em série ou paralelo ao circuito, isso será de acordo com a necessidade e sua função no circuito.
Para determinar o valor de resistência de um Resistor pode ser utilizado um multímetro com a específica configuração para medição de resistividade em resistores, através de seu código de cores ou com a equação 2.1 que representa a primeira lei de Ohm, onde o valor de resistência será igual a diferença de potencial aplicada no Resistor dividido pela corrente elétrica que o atravessa. (JÚNIOR, 2016).
Na figura 3 é observado um Resistor com suas cores junto a uma tabela com indicação da representação dos valores das cores.
R = UI (2.1)
Figura 3: Resistor e código de cores. Fonte: Electronica-pt.
2.1.1.3 Diodo
O Diodo é um componente semicondutor, em sua estrutura possui uma junção N e outra P. Existem diversos tipos de Diodos, cada um com sua característica base. Em sua natureza básica o Diodo consiste em permitir a passagem de corrente apenas por um sentido, evitando
Capítulo 2. REVISÃO DA LITERATURA 19
então que correntes ou sinais elétricos circulem em sentidos indevidos. Na figura 4 temos um Diodo junto ao seu simbolo e composição estrutural, que seria a junção N e P.
"As caracteristicas de um diodo ideal são as de uma chave que teria a capacidade de conduzir corrente em um único sentido". (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004, p. 1).
Figura 4: Esquema de um Diodo. Fonte: Electronica-pt.
2.1.2 Microcontrolador
Microcontrolador é um minicomputador dentro de um único circuito integrado (CI), este único CI possui processador, memória e periféricos de entrada e saída. Na figura 5 pode ser visualizado o CI microcontrolador da Atmel modelo Atmega 2560.
Figura 5: Microcontrolador Atmega 2560. Fonte: Nenotech.
Devido ao tamanho e capacidade ilimitada de operações, os microcontroladores são cada vez mais utilizados em diversas áreas principalmente industrias, onde se tem a grande necessidade de controlar e automatizar processos.
Com o grande crescimento da necessidade de facilitar o emprego destes Microcontrola- dores, surgem plataformas para seu acoplamento. Com estas plataformas, tornou-se mais fácil a configuração e comunicação com os Microcontroladores.(PALMIERE, 2016).
2.1.3 Controlador Lógico Programável
O Controlador Lógico Programável (CLP) surgiu para o gerenciamento e controle de máquinas e processos. Foi desenvolvida uma linguagem de programação unificada denominada