Aula 35 - Protocolo de rede Modbus

A rede Modbus foi desenvolvida com o objetivo de permitir a interligação de dispositivos de controle, como controladores programáveis e computadores, normalmente do tipo PC.

A Modicon introduziu o protocolo Modbus no mercado em 1979 . A rede Modbus está direcionada para a comunicação entre equipamentos de controle. O protocolo define um conjunto de mensagens que permitem ler e escrever em variáveis remotas (bits/words de memória interna, linha de entrada e saída).

O MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD.

O MODBUS PLUS é usado para comunicação entre si de controladores lógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control).

O MODBUS PADRÃO é usado para comunicação dos CLPs com os dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, transdutores de energia e etc.

O meio físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.

Durante a comunicação em uma rede Modbus, o protocolo determina como o dispositivo conhecerá seu endereço, como reconhecerá uma mensagem endereçada para ele, como determinar o tipo de ação a ser tomada e como extrair o dado ou outra informação qualquer contida na mensagem. Se uma resposta é necessária, como o dispositivo construirá uma mensagem e a enviará.

O mestre pode endereçar mensagens para um escravo individual ou enviar mensagens para todos (broadcast). Os escravos retornam um a mensagem somente para as consultas endereçadas especificamente para ele. As mensagens broadcast não geram respostas.

Mais concretamente, o protocolo Modbus define: 

• os pedidos que os dispositivos de controlo podem enviar a outros dispositivos;

• como é que estes respondem a esses pedidos;

• a forma como são tratados os erros.

O protocolo Modbus é baseado em um modelo de comunicação mestre-escravo, onde um único dispositivo, o mestre, pode iniciar transações denominadas queries. O demais dispositivos da rede (escravos) respondem, suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ação por ele comandada. Geralmente o mestre é um sistema supervisório e os escravos são controladores lógico programáveis. Os papéis de mestre e escravo são fixos, quando se utiliza comunicação serial, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambos os papéis, embora não simultaneamente.

Os dispositivos ligados a uma rede Modbus trocam dados, através de técnica do tipo Master-Slave onde:

• apenas um dispositivo (designado por master) pode iniciar as transações.

• os outros dispositivos (designados por slaves) respondem enviando ao master a informação pedida (no caso de um pedido de leitura) ou executando a ação pedida pelo master (no caso de um pedido de escrita).

As mensagens enviadas pelo master incluem os seguintes campos:

•endereço do slave a que se destina a mensagem;

•código da ação a executar (leitura/escrita, bit/word, ....);

•eventuais dados (no caso das operações de escrita);

•código para controle de erro.

As respostas provenientes dos slaves contém os seguintes campos:

•confirmação da ação efetuada;

•eventuais dados (no caso das operações de leitura);

•código para controle de erro.

Na mensagem de consulta, o código de função informa ao dispositivo escravo com o respectivo endereço, qual a ação a ser executada. Os bytes de dados contêm informações para o escravo, por exemplo, qual o registrador inicial e a quantidade de registros a serem lidos. O campo de verificação de erro permite ao escravo validar os dados recebidos.

Na mensagem de resposta, o código de função é repetido de volta para o mestre. Os bytes de dados contêm os dados coletados pelo escravo ou o seu estado. Se um erro ocorre, o código de função é modificado para indicar que a resposta é uma resposta de erro e os byte de dados contém um código que descreverá o erro. A verificação de erro permite o mestre validar os dados recebidos.

todo o tráfego é gerido pelo master. De fato, os slaves apenas podem transmitir uma mensagem depois de terem recebido um pedido do master.

Aula 34 - Redes de Comunicação Industrial

As Redes de Comunicação Industrial têm um papel fundamental para as indústrias em geral. Hoje a automação extrapola o chão de fábrica e chega ao mundo dos negócios.

A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

Analisando a figura vemos que no nível de atuadores/sensores existem algumas redes industriais, onde podemos citar a AS-Interface (AS-i) onde os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a alimentação (24 Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de Entrada/Saída (E/S), transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real (PROFIBUS-DP ou PA, Foundation Fieldbus, HART, etc.). A transmissão de dados do processo e diagnósticos é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e também diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que várias redes podem suprir. A rede PROFInet, HSE (High Speed Ethernet), Ethernet IP, suportam dispositivos de campo simples e aplicações de tempo crítico, bem como a integração de sistemas de automação distribuídos baseados em componentes.

Todas estas evoluções tecnológicas e a consolidação das redes industriais fazem com que os sistemas de automação e controle, equipamentos de campo, controladores, etc., possam assumir funções antes inimagináveis, como o controle de contínuo e discreto, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações para IHMs, Internet, geração de relatórios, gerenciamento de ativos, altos níveis de segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto de software.

A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.

Exercício de Aplicação 04

O técnico de automação industrial da empresa SRG Automação, que é prestadora de serviços da Petrobrás deve atender a uma proposta de expansão do Pólo Naval de Santa Rita do Sapucaí - MG e precisa desenvolver um programa para controle do processo 1, Separação de sólidos utilizando vaso de decantação/reciclagem de material usado, da planta industrial utilizando linguagem Ladder do software CodeSys da Eaton, tendo os seguintes requisitos:
• O modelo do Controlador Lógico Programável (CLP) será o XC-CPU201- EC256K-8DI-6DO V2.3.9 SP2, disponível no software CoDeSys.
• A lógica de controle do LC-1 deve utilizar a funcionalidade PID do CLP, de acordo com o nível do tanqueT-01 ou V-01 para controlar LY-1.
• Para geração de alarmes alto e baixo no nível LT-1 ou na pressão PT-1 deve ser elaborado um bloco de função na linguagem SFC e depois inserido no programa de controle deste processo na linguagem Ladder.
• A área de memória com os parâmetros de PID devem ser movimentadas para outra área de memória do CLP, que tem a intenção de permitir comandos/monitoração do Sistema de Supervisão e/ou IHM.
• No programa devem ser inseridos comentários que facilitem o entendimento das ações estabelecidas para controle deste processo.

Aula 33 - Controle Adaptativo

Controle Adaptativo é um controle que muda sua forma de ação caso a dinâmica do sistema se modifique ou surja algum distúrbio. O controle adaptativo é um controlador com parâmetros ajustáveis que apresenta um mecanismo para tal ajuste. 

O diagrama desse sistema, no qual será montada uma regra relacionando os sinais de entrada, saída e controle. O sistema mudará os ganhos do controlador quando a relação desses sinais não atender às regras preestabelecidas na caixa ajuste de parâmetros.

O Controle adaptativo é aplicado a sistemas com grandes variações de parâmetros ou condições de operação: robôs manipuladores, navios; aviões e sistemas biomédicos. Existem vários esquemas de controle adaptativo, dentre os quais destacam-se: escalonamento de ganhos, sistemas adaptativos por modelo de referência e reguladores auto-ajustáveis. O controle adaptativo é um tipo especial de controle realimentado não-linear em que os estados do processo podem ser separados em duas categorias, que mudam em diferentes velocidades: “estados lentos”: parâmetros do regulador; “estados rápidos”: realimentação convencional.

Aplicação pode ser ilustrada em um sistema de secagem de grãos que visa o controle da umidade no tratamento de sementes armazenadas. Um fluxo de ar quente diminui a umidade das sementes em função da temperatura e da velocidade do fluxo. Os grãos são depositados sobre uma tela metálica (câmara de secagem). Através de um pequeno ventilador, o ar à temperatura ambiente é sugado para o duto de ar interno, em um fluxo constante. O ar é, então, aquecido através de uma resistência elétrica com uma potência nominal de 30W (220Vac). Em seguida, o ar aquecido é direcionado para a câmara de secagem onde sua temperatura é medida através de um sensor de temperatura.

No sistema de secagem de grãos os alguns parâmetros do sistema real são desconhecidos, sendo utilizada a técnica da curva de reação ao degrau para a determinação do modelo de controle do sistema.

Aula 32 - Método de otimização Ziegler-Nichols

O método de ajuste de controladores em malhas fechadas, mais conhecido e utilizado até hoje, foi desenvolvido em 1942 por J.G. Ziegler e N.B.Nichols, quando trabalhavam na empresa americana Taylor Instrument Company, da cidade de Rochester, Nova Iorque. Esse método, apesar de ser o mais antigo, ainda é o mais utilizado por instrumentistas e profissionais da área de controle de processos.

O método consiste em determinar um ganho chamado de ganho crítico (Gu) e um período chamado período crítico (Pu). Para isso, deve-se seguir alguns passos: Tira-se a ação integral e a ação derivativa do controlador, deixando apenas a ação proporcional; Mantém-se o controlador em modo automático em malha fechada; Ajusta-se o ganho do controlador em um nível baixo a fim de se evitar oscilações no sistema e Aumenta-se o ganho, passo a passo, até que a oscilação fique constante em amplitude e período, como ilustrado na figura 16.

Com base no ganho crítico e no período crítico os ajustes do controlador são calculados para um ajuste ideal do controlador.

Ziegler e Nichols observaram que em um controlador proporcional o ganho ideal é a metade do ganho crítico, isto é, Ganho = Gu/2 e, com esse ganho obtemos aproximadamente uma razão de caimento de ¼.

Através de testes, Ziegler e Nichols descobriram que as equações mostradas na tabela 1 fornecem bons valores de ajustes para controladores PID. Deve ser observado que as equações são muito genéricas e existem várias exceções.

Aula 31 - Distúrbios em Processos e Estratégias de Controle

O funcionário de uma empresa que trabalha com diversos fornos é o operador. Ele é orientado por seu supervisor a retirar uma amostra do forno 3 e medir a dureza superficial da peça. 

O operador sabe, por sua experiência, que essa operação instabilizará o controle do forno. Desse modo, tentará fazer a operação de retirada da amostra o mais rápido possível. Nesse procedimento, ele precisa abrir a porta do forno, gerando uma ação não prevista no processo. O evento produzido pela abertura da porta do forno não foi considerado no momento do projeto do controlador, provocando uma oscilação de temperatura de - 20ºC, que acarretou a necessidade de as peças ficarem no forno por mais 30 minutos, gerando desperdício de energia e de tempo. Sendo esse um evento não planejado, ele é classificado como distúrbio.

Caso o forno utilize a estratégia de controle On/Off, poderá ser parametrizada uma histerese de atuação que originará uma atuação menos frequente do atuador. Caso o set point for de 190ºC e a histerese parametrizada no controlador for de 2ºC, significará que a contactora ficará acionada até 192ºC, desligando a partir desse valor e religando em 188ºC.

Caso ocorra que com essa oscilação de 4ºC somada a dinâmica do forno, ultrapassemos os critérios de variação do processo, teremos que recorrer ao controle PID e mudar o atuador do processo. Essa operação poderá ser feita, por exemplo, por meio de um SCR, que servirá para ligar e desligar as resistências. Caso o forno utilize a estratégia de controle PID, não basta ter um controlador que possibilite essa ação, é preciso, também, que o atuador utilizado no sistema contemple a estratégia.

Mas, se for mandatório trabalhar com uma contatora, poderemos parametrizar o tempo total do PWM, tornando menos frequente o acionamento, mas não garantindo a precisão do processo.

No que diz respeito à estratégia de controle PID, a parcela proporcional apenas gera uma saída do controlador proporcional ao erro instantâneo, tendo, na maioria das vezes, a consequência de não eliminar o erro de regime. Em outras palavras, somente com o ganho proporcional não se garante o atendimento contínuo do set point.

Para remover esse erro de regime, necessitamos do termo integral do controlador, que continuará alterando a saída de controle até que o erro chegue a zero, absorvendo qualquer distúrbio ou variação do processo.

O aumento do Kp e Ki, que são os respectivos ganhos da ação proporcional e da integral, nos traz maior velocidade na resposta, mas instabiliza o transitório.

Para aumentar esses parâmetros utilizamos o termo derivativo, que atuará com base na taxa de variação do erro, atuando em mudanças bruscas num futuro próximo e, por consequência, melhorando a resposta do sistema no transitório.

Esse procedimento garantirá a estabilidade do processo enquanto tentamos aumentar a velocidade da resposta. O passo a passo será extremamente prejudicado se houver a presença de algum ruído elétrico, muitas vezes inviabilizando a utilização da ação derivativa ou necessitando de um filtro de ruído.

Exercício de Aplicação 03

1-Quais propriedades do controlador fazem você pensar que ele manterá o processo no set- point? Explique.

Devemos encontrar valores numéricos para as constantes de proporcionalidade de um controlador  PID de forma a regular o processo com estabilidade e no valor desejado para a propriedade medida, através se suas funções proporcionais integrativas e derivativas, funções essas que através dos ganhos Kp, Ki e Kd, irá alcançar a sintonia do controlador mantendo o set-point regulado ,  uma vez que o desempenho do controlador PID através das três funções:

· Função proporcional trabalha no valor presente do erro, comparando a variável de processo  com o set-point e aproximando a variável de processo  ao set-point.

Proporcional: Se temos um erro de 20ºC e se o Kp for 5 na saída do controlador proporcional ativado colaborará com 20 x 5 = 100. Se a saída do controlador for analógica de 10 bits, teremos um range de atuação de 0 a 1023 valores possíveis, e o range de 30 corresponderá somente a 10% da escala total.

· Função integral trabalha com a área do erro, ou seja, o tamanho do erro e sua duração, assim a partir de dados passados o controle integral cria uma dinâmica no controle que tende a eliminar o erro (desvio do set-point).

Integral: vamos supor que a área do erro do instante 0 até o 5 seja 40, e o ki é 0,1, então a parcela integral colaborará com 40x0,1=4 na saída do controlador e continuando se de 5 a 10 a área for -10 então o integral contribuirá com 4+(-10*0,1)=3.

· A função derivativa por sua vez trabalha em cima da taxa de variação do erro, fazendo assim uma previsão de como o erro se comportará no futuro, dando ao controle uma resposta mais rápida em retomadas por possíveis distúrbios no processo.

Derivativo: contribuição da parcela derivativa, se sua taxa do instante é de 2°C/s e o seu kd = 2, então a contribuição da parcela derivativa seria 2x2=4 na saída do controlador.

2- Você já sabe se usará a parcela derivativa? Justifique.

A ação derivativa poderá ser usada caso o tenha uma variável de dinâmica lenta. Assim é necessário avaliar se o controle apresenta a necessidade de uma resposta mais rápida em momentos de transição (distúrbios), se não for constatado essa necessidade, optaremos em não usar a parcela derivativa pois essa apresente muita sensibilidade a ruídos, fator esse que poderá desestabilizar o processo.

3) Quais as vantagens de se usar um controlador PID, e não outras técnicas mais avançadas?

O controlador PID combina as vantagens do controlador PI e PD. O custo de implementação o controlador PID é mais baixo em relação a técnicas mais avançadas, em razão da sua ampla aplicação, além da facilidade de parametrização do mesmo, o que não exige conhecimentos avançados para sua implementação e a disponibilidade em controladores comerciais com sintonia automática.