implmentação do sistema de controle na bancada de refrigeração ...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
DIOGO RODRIGUES PRADO
IMPLMENTAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE NA BANCADA DE
REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL DO LABSISTER
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2011

DIOGO RODRIGUES PRADO
IMPLMENTAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE NA BANCADA DE
REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL DO LABSISTER
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Dezembro/2011
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia
de Controle e Automação da Universidade Federal
de Ouro Preto como parte dos requisitos para a
obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e
Automação.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha

P896i Prado, Diogo Rodrigues.
Instrumentação da Bancada de Refrigeração Industrial do
LABSISTER. [manuscrito] / Diogo Rodrigues Prado. – 2011.
70f. : il., color., graf.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha.
Monografia (Graduação) – Universidade Federal de Ouro Preto.
Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle e
Automação.
Área de concentração: Controle de Processos Industriais.
Automação industrial. 2. Refrigeração. 3. Controle de processo.
4. Controle de custo. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
Fonte de catalogação: bibem@sisbin.ufop.br
CDU: 681.5
3

AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Valdemar e Mary, pelo apoio e confiança.
A minha irmã pela amizade.
A minha namorada Shalimar pelo amor e incentivo.
Aos meus padrinho, Maria do Carmo, Antônio e Andréa, pelo incentivo e apoio.
Aos irmãos Taberneiros pela amizade e companheirismo.
Ao companheiro Vinícius Tristão por auxiliar em toda a execução do trabalho.
Aos professores Agnaldo, Sávio, Paulo, Karla, Henor e Luiz Joaquim, por compartilhar seu
conhecimento e auxiliar na execução do trabalho.
5

“O êxito da vida não se mede pelo caminho que você conquistou,
mas sim pelas dificuldades que superou no caminho.”
(Abraham Lincoln)

RESUMO
Os custos operacionais dos processos cada vez mais devem ser reduzidos, seja economizando
matéria-prima, energia, ou reduzindo custos de manutenção. Os sistemas de refrigeração têm
um grande gasto de energia para seu funcionamento e o compressor é o principal consumidor
dessa energia. O objetivo do trabalho é aplicar uma forma de controle no compressor da
Bancada de Refrigeração Industrial do LABSISTER de forma que esse compressor trabalhe
com velocidade de compressão variável, para isso foi utilizado um CLP, o software LabVIEW
e um servidor OPC para realizar a interface entre ambos. Com a aplicação dessa forma de
controle compara-se os resultados com os resultados obtidos pelo usual controle “On-Off” e
fornece-se uma análise do consumo de energia. Aplicou-se um controle PI que conseguiu
controlar de forma eficiente a temperatura, mas ao contrário do esperado não foi mais
econômico consumindo um pouco a mais de energia que o método tradicional, mas o valor
gasto a mais com energia nesse controle pode compensar, pois se consegue obter uma
economia com manutenção no compressor, devido ao fato não ser necessário dar partidas
consecutivas no motor do compressor, e reduzir os riscos de quebra do motor e do
compressor.
Palavras-chave: velocidade de compressão variável, refrigeração industrial, controle de
processo, redução consumo de energia, redução de custos operacionais.

ABSTRACT
The operating costs of processes nowadays should be reduced, saving raw material, energy, or
reducing maintenance costs. Refrigeration systems expends large amounts of energy for its
work and the compressor is the main consumer of this energy. The objective of this study is to
apply a form of control for the compressor’s workbench Industrial Refrigeration of
LABSISTER, so this compressor works with variable compression speed, for this was used a
PLC, the LabVIEW software and an OPC server to interface between both. By applying this
form of control compares the results with those obtained by the usual control “On-Off” and
provide an analysis of energy consumption. It was applied a PI control that could efficiently
control the temperature, but contrary to expectations it was not more economical, consuming
a bit more energy than traditional method , but the amount spent with energy in this control
may be compensate, because can be obtained an economy with maintenance on the
compressor, due not be necessary to start consecutive in the compressor motor, and reduce the
risks of breakage of the motor and of the compressor.
Keywords: variable speed compression, industrial refrigeration, process control, consumption
energy reduction, operating costs reduction.

SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 16
1.1. Considerações Iniciais ................................................................................................... 16
1.2. Objetivo ........................................................................................................................ 18
1.3. Estrutura do Trabalho .................................................................................................... 18
2. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 19
2.1 A Bancada de Refrigeração ............................................................................................ 19
2.3. Controlador Lógico Programável................................................................................... 23
2.3.1. Partes do CLP ............................................................................................................ 26
2.3.2. Funcionamento do CLP .............................................................................................. 29
2.4. Inversor de Frequência .................................................................................................. 31
2.4.1. Partes do Inversor ....................................................................................................... 32
2.4.2. Seleção do Inversor .................................................................................................... 33
2.5. Placa de Aquisição de Dados ......................................................................................... 33
2.6. Analisador de Energia ................................................................................................... 34
2.6.1. Power & Harmonics Analyzer .................................................................................... 35
2.7. Comunicação OPC ........................................................................................................ 37
2.7.1. Cliente/ Servidor ........................................................................................................ 41
2.7.2. Divisões OPC ............................................................................................................. 41
2.8. Gerenciamento de Dados ............................................................................................... 42
2.8.1. LabVIEW DSC Module ............................................................................................. 43
2.9. Controle Proporcional Integral Derivativo (PID) ........................................................... 43
3. APLICAÇÃO DO CONTROLE ...................................................................................... 47
3.1. CLP............................................................................................................................... 47
3.2. Servidor OPC ................................................................................................................ 51
3.3. LabVIEW...................................................................................................................... 55
3.3.1. Cliente OPC ............................................................................................................... 56
3.3.2. Interface de Usuário ................................................................................................... 59
4. RESULTADOS ............................................................................................................... 63

5. CONCLUSÃO ................................................................................................................. 70
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 72
10

LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Vista Geral da Bancada de Refrigeração Industrial do LABSISTER. ................ 16
Figura 2.2 – Reservatório de Água de fria. ........................................................................... 17
Figura 2.3 – Reservatório de Água quente. ........................................................................... 17
Figura 2.4 – Ventilador. ....................................................................................................... 17
Figura 2.5 – Compressor. ..................................................................................................... 18
Figura 2.6 – Válvula Solenóide. ........................................................................................... 18
Figura 2.7 – Condensador Tubo aletado e Condensador Caso Tubo. ..................................... 19
Figura 2.8 – Câmara Fria e Trocador de Calor Duplo Tubo. ................................................. 19
Figura 2.9 – Esquema de Funcionamento da Bancada de Refrigeração ................................. 20
Figura 2.10 – CLP Utilizado. ............................................................................................... 21
Figura 2.11 – Programa SFC ................................................................................................ 22
Figura 2.12 – Linguagens IEC 1131-3 .................................................................................. 22
Figura 2.13 – Partes do CLP................................................................................................. 23
Figura 2.14 – Fonte de Alimentação utilizada....................................................................... 24
Figura 2.15 – CPU utilizada ................................................................................................. 24
Figura 2.16 – Módulo de Entrada Analógica utilizado .......................................................... 25
Figura 2.17 – Módulo de Saída Analógica e Módulo de Saída Digital utilizado .................... 26
Figura 2.18 – Funcionamento do CLP .................................................................................. 26
Figura 2.19 – Funcionamento Inversor de Freqüência .......................................................... 28
Figura 2.20 – Tensão e corrente produzida pelo inversor ...................................................... 29
Figura 2.21 – Placa de Aquisição de Dados da National Instruments .................................... 30
Figura 2.22 – Esquema de Ligação Terminal Analógico ....................................................... 31
Figura 2.23 – Esquema de Ligação Terminal Digital ............................................................ 31
Figura 2.24 – Analisador de Energia Modelo AE-200 .......................................................... 32
Figura 2.25 – Tela Inicial ..................................................................................................... 33
Figura 2.26 – Formas de Onda ............................................................................................. 33
Figura 2.27 – Diagrama Fasorial .......................................................................................... 34
Figura 2.28 – Aplicações e Equipamentos ............................................................................ 36
Figura 2.29 – Drivers utilizados ........................................................................................... 36
Figura 2.30 – Solução OPC .................................................................................................. 37
Figura 2.31 – Arquitetura Cliente/Servidor do OPC ............................................................. 38
Figura 2.32 – Efeito da Variação de Kp ................................................................................ 41

Figura 2.33 – Inclusão da Ação Integral ............................................................................... 42
Figura 2.34 – Efeito da Ação Derivativa .............................................................................. 43
Figura 3.1 – Tela inicial CIMPLICITY Machine Edition...................................................... 44
Figura 3.2 – Escolha do modelo do CLP e nome do Projeto ................................................. 45
Figura 3.3 – Tela inicial para Programação e Configuração do CLP ..................................... 45
Figura 3.4 – Configuração de hardware inicial e configuração de hardware utilizada............ 46
Figura 3.5 – Linha de programação Bloco Main ................................................................... 46
Figura 3.6 – Linha do Bloco TP_ACIO ................................................................................ 47
Figura 3.7 – Linha do Bloco ACIO_1................................................................................... 47
Figura 3.8 – Bloco PID ........................................................................................................ 47
Figura 3.9 – Consumed e Produced Page .............................................................................. 48
Figura 3.10 – Tela Inicial MatrikonOPC .............................................................................. 49
Figura 3.11 – Primeiro Passo para Configuração do Servidor OPC ....................................... 49
Figura 3.12 – Escolha do tipo de comunicação ..................................................................... 50
Figura 3.13 – Definição das configurações básicas do Servidor OPC ................................... 50
Figura 3.14 – Configurações Gerais do GE EGD Consumer ................................................. 51
Figura 3.15 – Configuração Consumer Exchange ................................................................. 51
Figura 3.16 – Configurações Gerais do GE EGD Producer ................................................... 52
Figura 3.17 – Configuração Producer Exchange ................................................................... 52
Figura 3.18 – Tela inicial LabVIEW .................................................................................... 53
Figura 3.19 – Tela inicial do Projeto .................................................................................... 53
Figura 3.20- Criação I/O Server ........................................................................................... 54
Figura 3.21 – Criação do Cliente OPC ................................................................................. 54
Figura 3.22 – Escolha do Servidor para o Cliente ................................................................. 54
Figura 3.23 – Cliente OPC criado ......................................................................................... 55
Figura 3.24 – Criação das Variáveis OPC............................................................................. 55
Figura 3.25 – Cliente OPC Configurado ............................................................................... 56
Figura 3.26 – Interface de Usuário ....................................................................................... 56
Figura 3.27 – Lógica do Botão Liga/Desliga Geral ............................................................... 57
Figura 3.28 – Lógica Led do modo de funcionamento ÁguaxÁgua ...................................... 57
Figura 3.29 – Lógica da Temperatura da Entrada da Válvula de expansão ............................ 58
Figura 3.30 – Lógica temperatura Água Quente ................................................................... 58
Figura 3.31 – Lógica Pressão Alta ........................................................................................ 59
12

Figura 3.32 – Lógica Variável de Controle KI ...................................................................... 59
13

LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 4.1 – Energia Consumida Ensaio de 4 horas sem carga. ........................................... 60
Gráfico 4.2 – Temperatura Água Fria Ensaio de 4 horas sem carga. ..................................... 61
Gráfico 4.3 – Temperatura Água Quente Ensaio de 4 horas sem carga. ................................ 61
Gráfico 4.4 – Rotação do Compressor Ensaio de 4 horas sem carga. .................................... 62
Gráfico 4.5 – Energia Consumida Ensaio de 12 horas sem carga. ......................................... 62
Gráfico 4.6 – Temperatura Água Fria Ensaio de 12 horas sem carga. ................................... 63
Gráfico 4.7 – Temperatura Água Quente Ensaio de 12 horas sem carga. .............................. 63
Gráfico 4.8 – Rotação do Compressor Ensaio de 12 horas sem carga. .................................. 64
Gráfico 4.9 – Energia Consumida Ensaio de 4 horas com carga térmica. .............................. 65
Gráfico 4.10 – Temperatura Água Fria Ensaio de 4 horas com carga térmica. ...................... 65
Gráfico 4.11 – Temperatura Água Quente Ensaio de 4 horas com carga térmica. ................. 66

A&E Alarms and Events
AC Alternating Current
LISTA DE SIGLAS
CLP Controlador Lógico Programável
CPU Central Processing Unit
CV Control Variable
DA Data Access
DC Direct Current
DSC Datalogging and Supervisory Control
DX Data Exchange
EGD Ethernet Global Data
FBD Function Block Diagram
HDA Historical Data Access
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
IHM Interface Homem Máquina
IL Instruction List
LD Ladder Diagram
MV Manipulate Variable
OLE Object Linking and Embedding
OPC OLE for Process Control
PID Proporcional Integral Derivativo
PLC Programmable Logic Controller
PV Process Variable
PWM Pulse Width Modulation
SFC Sequential Function Chart
SP Setpoint
ST Structured List
VI Virtual Instrument

1. INTRODUÇÃO
1.1. Considerações Iniciais
Os sistemas de refrigeração são indispensáveis para qualquer ser humano contemporâneo, eles
podem ser utilizados para conforto térmico, como por exemplo, ar condicionado, para
controle de ambiente em salas de operação em hospitais, pois em alguns casos e necessário
controlar a temperatura rigorosamente, e ainda para a conservação de produtos, que é uma
parte de da refrigeração que vem crescendo muito, pois com o aumento do mercado de
congelados a refrigeração para a conservação de produtos tem que evoluir para atender esse
mercado crescente em todas as áreas: doméstica, comercial e industrial.
Com o constante aumento do uso de sistemas de refrigeração aumenta também o consumo de
outro produto, a energia elétrica. Com o crescimento do custo da produção de energia e a
adoção de uma melhor postura da população em relação ao meio ambiente surge a
necessidade de se criar projetos com o objetivo de reduzir o consumo de energia.
“A elevação contínua dos custos de energia elétrica e a contínua ênfase na
necessidade de conservação de energia estão direcionando os trabalho de pesquisa
para o desenvolvimento de novas tecnologias que sejam economicamente viáveis em
novos sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado.”(BORJA 1 , 2006 apud
ANTUNES; GARCIA; FILHO 2007, p.2).
Aliado ao aumento do consumo de energia está à elevação contínua dos custos de sua
produção. Outros fatores são a consciência ambiental da população e a escassez de recursos
naturais que vêm influenciando cada vez mais as organizações a contribuírem de forma
atuante na redução dos impactos ambientais associados aos seus processos. Estes fatores
fazem com que seja necessária cada vez mais a economia de energia.
Num sistema de refrigeração o compressor é o principal vilão consumindo aproximadamente
80% do total consumido pelo sistema. Os atuais sistemas de refrigeração trabalham num
1 BORJA, T.J.A. Automatização e controle inteligente on-line de sistemas de refrigeração utilizando redes
neurais artificiais. 2006.

egime conhecido como “On-Off”, o compressor é ligado a plena carga e quando a
temperatura na câmara é atingida ele é desligado, sendo ligado novamente a plena carga
quando a temperatura na câmara aumentar acima do setpoint pré-estabelecido. Por esse
método há um grande desperdício de energia, pois é necessária uma potência maior na
partida, quando seria necessário somente uma pequena parcela de energia para manter o
motor do compressor funcionando a uma velocidade baixa, esse controle On-Off também
contribui para um desgaste mecânico prematuro do compressor, aumentando os custos
operacionais do sistema.
Segundo Batista e Gontijo(p.1),”Funcionamento On-Off em linhas gerais: É
estabelecida uma temperatura da câmara de resfriamento (setpoint). O software
compara continuamente a temperatura da câmara com o setpoint. Se a temperatura
da câmara for maior que o setpoint, a válvula solenóide é desenergizada e
consequentemente se fecha, impedindo o fluxo de refrigerante. Se a temperatura da
câmara for menor que o setpoint, a válvula solenóide é energizada, permitindo o
fluxo de refrigerante.”
Com isso fica evidente que há uma total desatenção quanto a velocidade de compressão que
no máximo seria verificada para não exceder os limites do compressor estabelecidos pelo
fabricante, então percebe-se que o motor do compressor ou trabalha força máxima ou não
trabalha, ou seja “On-Off”.
Um método promissor para obter a redução de consumo de energia é o sistema de refrigeração
com velocidade de compressão variável. Esse método consiste em variar a velocidade de
acionamento do motor do compressor e com isso obter um controle mais preciso das
temperaturas da câmara, além de reduzir o consumo de energia. Com essa velocidade variável
evitam-se mudanças bruscas de temperatura, exceto quando a temperatura da câmara estiver
distante da desejada. Também, não se utiliza toda a potência do motor, apenas certa parcela é
utilizada quando necessário, mantendo, assim, a temperatura desejada na câmara.
Segundo Garcia; Filho e Mendoz, 2007 (p.2)” A importância ao atuar no compressor
como elemento importante destes sistemas, tem sido utilizado para adaptar o
compressor a mudanças na vazão mássica causadas pela válvula de expansão em
resposta à operação em diversas cargas de refrigeração, diminuindo o consumo de
energia quando comparado com o mesmo compressor com velocidade fixa.[...]”
17

Alguns autores já obtiveram estimativas ou até mesmo valores para essa economia, esses
dados são utilizados para proceder com a análise da viabilidade de implantação desse sistema.
Segundo Lenarduzzi e Yap 2 (apud Garcia; Filho, Mendoza,p.2), o valor estimado para a
economia de energia quando comparado ao sistema On-Off poder chegar a 41%.
Batista e Gontijo (p.1) “[...]De acordo com as medições realizadas e a dedução do consumo de
energia devido ás perdas pelo isolamento térmico das paredes, o sistema em malha fechada
mostrou-se 34,64% mais eficaz do que o sistema “on-off”.” Com isso pode-se visualizar que a
melhor alternativa, pelo menos atualmente, para a redução do consumo de energia pelos
sistemas de refrigeração é a velocidade variável de compressão.
1.2. Objetivo
Implementar um sistema de controle na bancada de refrigeração do LABSISTER que permita
seu funcionamento com velocidade variável de compressão e investigar o consumo de energia
(experimentalmente) entre os regimes de operação “On-Off” e de compressão variável do
sistema de refrigeração industrial do LABSISTER.
1.3. Estrutura do Trabalho
No capítulo 1 é feita uma introdução, contendo a motivação os objetivos propostos para o
trabalho. No capítulo 2 descrevem-se todos os materiais e métodos utilizados para aplicação
do controle proposto.
No capítulo 3 é descrita, passo a passo, toda a aplicação do controle. No capítulo 4
apresentam-se os resultados obtidos, tanto para o método de controle aplicada, quanto para o
tradicional On-Off.
No capítulo 5 é feita a conclusão, analisando todos os pontos desenvolvidos durante o
trabalho e também, comparando-se os resultados entre o método de controle aplicado e o
controle On-Off. Por fim as referências bibliográficas utilizadas no trabalho são aprestadas.
2 LENARDUZZI, F.J.; YAP, S.S. Measuring the Performance of a Variable-Speed Drive Retrofit on a
Fixed-Speed Centrifugal Chiller. 1998.
18

2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 A Bancada de Refrigeração
Uma bancada tradicional de refrigeração deve conter um compressor, um condensador, uma
válvula de expansão e um evaporador. Com esses elementos é possível realizar um ciclo de
refrigeração por compressão de vapor.
Na bancada tradicional o fluido refrigerante após sair do compressor perde calor para o ar no
condensador, segue para válvula de expansão que provoca uma redução da pressão, com isso
redução da temperatura, depois segue para o evaporador, que está no interior de uma câmara
fria, no evaporador o fluido recebe calor do ar do interior da câmara fria refrigerando o
ambiente, após o fluído segue para o compressor onde o fluido é comprimido aumentando sua
pressão e por conseqüência sua temperatura e então completa-se o ciclo.
A bancada do LABSISTER (Figura 2.1 a 2.6) contém todos os elementos presentes em uma
bancada de refrigeração tradicional, mas ela possui ainda, outro condensador e outro
evaporador, para troca de calor com água, dois reservatórios de água, que trocam calor com o
evaporador e o condensador, um ventilador para realizar troca de calor por ventilação forçada,
uma válvula solenóide.
Figura 2.1 – Vista Geral da Bancada de Refrigeração Industrial do LABSISTER.

Figura 2.2 – Reservatório de Água de fria.
Figura 2.3 – Reservatório de Água quente.
Figura 2.4 – Ventilador.
20

Figura 2.5 – Compressor.
Figura 2.6 – Válvula Solenóide.
A bancada utiliza como fluido de trabalho o refrigerante R-134a. A utilidade desses
componentes é que a bancada possui um sistema de válvulas permitindo a realização de
quatro modos de funcionamento: ARxAR, ARxÁGUA, ÁGUAxAR e ÁGUAxÁGUA. Esses
modos de funcionamento são determinados pelo fluido que será utilizado para fazer a troca de
calor com o fluido refrigerante. O primeiro é o fluido utilizado no condensador e o segundo o
fluido utilizado no evaporador.
Quando se escolhe o ar como fluido para trocar calor com o fluido refrigerante no
condensador, o fluido refrigerante segue para o condensador tubo aletado, onde um ventilador
produz ventilação forçada para realizar a condensação do fluido refrigerante. Caso o fluido
escolhido seja água, o fluido refrigerante segue para um condensador casco tubo (Figura 2.7),
onde fluido trocará calor com a água e será condensado.
21

Figura 2.7 – Condensador Tubo aletado e Condensador Caso Tubo.
Partindo para o evaporador, quando se escolhe o ar para o evaporador, o fluido refrigerante
circula para dentro da câmara fria, onde troca calor com o ar interno a esta, refrigerando seu
interior (Figura 2.8). Caso o fluído escolhido seja a água o fluido refrigerante segue para um
trocador de calor com duplo tubo, onde troca calor com a água refrigerando esta.
Figura 2.8 – Câmara Fria e Trocador de Calor Duplo Tubo.
A utilidade da válvula solenóide é após o desligamento do sistema fazer como que o fluido
refrigerante permaneça armazenado em um reservatório, não permitindo a circulação pelo
sistema, com isso minimizando os vazamentos de fluido quando o sistema estive inoperante.
22

Na figura 2.9 apresenta-se o esquema do funcionamento da bancada de refrigeração industrial:
Figura 2.9 – Esquema de Funcionamento da Bancada de Refrigeração
2.3. Controlador Lógico Programável (CLP)
Fonte: DIVISÃO FRIGORIA,2008.
Os controladores lógicos programáveis popularmente conhecidos por CLP ou PLC da sigla
em inglês, é nada mais que um computador para uso industrial, apesar de ser robusto,
resistindo a diversas interferências e diversos agentes que poderiam atrapalhar seu
funcionamento, sua memória e capacidade de processamento são bem menores que dos
computadores de uso doméstico. Na figura 2.10 é mostrado o CLP utilizado de fabricação GE
Fanuc, modelo Versamax.
23

Figura 2.10 – CLP Utilizado.
Os CLPs surgiram de uma necessidade que a indústria automotiva apresentava. Na década de
60, todo controle era realizados por painéis a relé, e toda vez que era necessário substituir a
lógica do painel, por qualquer mudança que fosse realizada no processo, era um processo
demorado e muito caro, por isso muitas vezes realizava-se a substituição do painel por outro
com a nova lógica.
No começo a utilização dos CLPs era bem restrita, tanto pelo alto custo, quanto pela
dificuldade de programação, pois utilizava-se a linguagem assembly. Atualmente devido a
evolução da informática e a diminuição dos custos de produção dos equipamentos, o custo
dos CLPs estão bem menores e também foram criadas linguagens de programação alto-nível
facilitando a programação. Hoje são padronizadas pela norma IEC 1131-3, cinco linguagens
que são divididas em dois grupos linguagens textuais e gráficas, as textuais são Lista de
Instruções (Instruction List – IL), Texto estruturado (Structured Text – ST) e as gráficas são
Sequential Function Chart (SFC), Diagrama Ladder (Ladder Diagram – LD) e Blocos de
Função (Function Block Diagram – FBD), cada linguagem possui suas vantagens e
desvantagens, portanto determinada lógica pode ser facilmente escrita em uma e ser bem mais
trabalhosa em outra, o que pode ser revertido em outra lógica. Nas figuras 2.11 e 2.12 são
apresentados exemplos para cada uma das cinco linguagens:
24

Figura 2.11 – Programa SFC
Fonte: BRAGA, 2009
Figura 2.12 – Linguagens IEC 1131-3
Fonte: BRAGA, 2009
Inúmeras são as vantagens da utilização dos CLPs algumas são citadas por Antonelli, 1998
(p.3):
“[...]
Ocupam menor espaço;
Requerem menor potência elétrica;
Podem ser reutilizados;
São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle;
25

2.3.1. Partes do CLP
[...]”
Apresentam maior confiabilidade;
Manutenção mais fácil e rápida;
Oferecem maior flexibilidade;
Apresentam interface de comunicação com outros CLPs e computadores de
controle;
Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema.
O CLP é composto por sete partes básicas e um terminal onde se realiza a programação. As
sete partes são fonte de alimentação, CPU, memória do programa, memória de dados, porta de
programação, módulos de entrada e módulos de saída, conforme mostrado na figura 2.13.
Figura 2.13 – Partes do CLP
Fonte: CARRILHO, 2011
A fonte de alimentação como o próprio nome sugere, serve para alimentar os circuitos do
CLP, como a maioria dos circuitos em informática não trabalha com tensões de 127 V ou 220
V, a fonte geralmente é quem realiza essa conversão. Dependendo do CLP os módulos podem
ou não ser alimentados pela mesma fonte, e quando a quantidade de módulos é maior que a
fonte suporta, pode-se recorrer a fontes auxiliares para suprir a demanda de alimentação. A
figura 2.14 mostra a fonte alimentação utilizada.
26

Figura 2.14 – Fonte de Alimentação utilizada
Unidade central de processamento (CPU) é onde localiza o processador do CLP, é ela quem
realiza todos os cálculos e executa a lógica que deve ser processada pelo controlador. A figura
2.15 mostra a CPU utilizada.
Figura 2.15 – CPU utilizada
Memória do programa é nessa memória que contem o programa básico do controlador, esse
programa não pode ser alterado pelo usuário, e é ele o responsável pela inicialização do CLP,
sem essa inicialização é impossível se realizar qualquer operação com o controlador.
Memória de dados, a memória de dados pode ser dividida em duas partes a memória de
usuário e a memória de dados propriamente dita. A memória de usuário é onde fica armazena
27

a lógica criada pelo usuário, que será executada pela CPU, já a memória de dados
propriamente dita e a memória onde ficam armazenados os dados de entrada e saída e
variáveis utilizadas na lógica como timers e contadores.
Porta de programação, essa porta é por onde se realiza a comunicação entre o terminal de
programação e o CLP, pode se utilizar vários tipos de comunicação como RS-485 (Modbus),
RS-232 (serial) ou RJ-45 (ethernet).
Módulos de entrada, o módulo de entrada é parte que é responsável pela aquisição de dados
do processo, os módulos podem ser divididos em dois grupos, digitais e analógicos. As
entradas digitais ou discretas, são aquelas transmitem somente dois valor, ligado/desligado,
aberto/fechado, e podem ser recebidas por sensores de nível, sensores de presença, botoeiras
ou outros. Já as analógicas transmitem uma faixa de valores, os valores mais utilizados são -
10-10v, 0-10V, 0-20mA e 4-20mA, e podem ser transmitidas por sensores de nível, vazão,
temperatura e outros. A figura 2.16 mostra o módulo de entrada analógica utilizado, ele possui
quatro entradas que podem ser configuradas para trabalhar com qualquer uma das quatros
faixas convencionais utilizadas para entradas analógicas.
Figura 2.16 – Módulo de Entrada Analógica utilizado
Módulos de saída, esse módulo trabalha de forma semelhante aos módulos de entrada, só que
ao invés de receber dados eles transmitem dados, também são divididos entre digitais e
analógicos. As saídas digitais podem sem ligadas à contatores, relés, informando ao
dispositivo se o mesmo deve ser acionado ou não. Já as analógicas transmitem uma faixa de
valores, podendo ser ligadas à inversores de freqüência e válvulas proporcionais, informado
28

em que valor o dispositivo deve trabalhar. A figura 2.17 mostra os módulos de saída
utilizados. O módulo de saída analógica possui quatro saídas que trabalham na faixa de 4 a
20mA e o módulo de saída digital possui 16 saídas, sendo saídas a relé.
Figura 2.17 – Módulo de Saída Analógica e Módulo de Saída Digital utilizados
Por fim o terminal de programação é onde o usuário utiliza um software fornecido pelo
fabricante do controlador, e com isso consegue inserir a lógica no controlador ou até mesmo
monitorar a execução da lógica, esse software é a interface entre o usuário e CLP.
2.3.2. Funcionamento do CLP
O princípio de funcionamento do CLP é mostrado pelo diagrama de blocos da figura 2.18,
que é dividido em seis passos.
Figura 2.18 – Funcionamento do CLP
Fonte: ANTONELLI
29

O primeiro passo é a inicialização, nesse passo realiza uma série verificações para só depois
liberar o CLP para trabalhar. As etapas que são realizadas nesse passo são bem explicadas por
ANTONELLI, 1998(p.4).
“[...]
[...]”
Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U. , memórias e circuitos
auxiliares;
Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;
Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP , PROG, etc. );
Desativa todas as saídas;
Verifica a existência de um programa de usuário;
Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.
Depois realiza-se a verificação dos estados das entradas, nesse passo o CLP verifica o valor
de cada entrada para então prosseguir o seu ciclo.
O terceiro passo é transferência dos dados para memória, é nesse passo que a memória de
dados recebe todos os valores dos módulos de entrada.
O quarto passo é a comparação da programa de usuário, ou execução da lógica, é nesse passo
que o CLP compara os valores de entrada, verifica as ações que lógica define quais decisões
devem ser tomadas e então define os valores das saída, escrevendo esses valores na memória
de dados.
O quinto passo é a atualização das saídas, mesmo após a determinação dos valores de saída na
memória de dados, esses valores não são repassados para as saídas até que se termine a
execução da lógica, então após a execução completa da lógica, os valores da memória de
dados são repassados para as saídas.
O sexto e ultimo passo é o ciclo de varredura, esse ciclo garante que o CLP execute os
mesmos processos de forma contínua, com isso ao fim da atualização da saída o controlador
volta a executar o segundo passo que a atualização dos valores das entradas.
30

2.4. Inversor de Frequência
Os inversores de freqüência são equipamentos bastante utilizados para se realizar controle de
velocidade de motores de corrente alternada. Esse controle é realizado pois ao se variar a
freqüência da alimentação do motor , varia-se a velocidade do motor, ou seja, ao se aumentar
a freqüência de alimentação aumenta-se a velocidade, ao se diminuir a freqüência diminui-se
a velocidade.
Para se explicar o funcionamento do inversor de freqüência deve-se dividir em três partes,
primeiro realiza-se uma conversão para corrente contínua, depois essa tensão é filtrada por um
capacitor, para então seguir para a última parte em que a tensão é novamente transforma de
corrente alternada e com a freqüência desejada, a figura 2.19 serve para ilustrar essas três
partes.
Figura 2.19 – Funcionamento Inversor de Freqüência
Fonte: FAATESP, 2011
A conversão de DC para AC é realizada por Modulação de Largura Pulso (PWM), essa
modulação ocorre conforme varia a velocidade de chaveamento dos Transistores Bipolares de
Porta Isolada (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistor), mas com isso não se gera uma
onda senoidal perfeita, mas uma tensão pulsada, essa tensão aplica em uma carga indutiva
(motor) produzirá uma corrente que se aproxima da senoidal, segue exemplo:
31

2.4.1. Partes do Inversor
Figura 2.20 – Tensão e corrente produzida pelo inversor
Fonte: FAATESP
O inversor pode ser dividido em quatro partes importantes, CPU, IHM, Interfaces, Etapa de
Potência.
A CPU, unidade central de processamento, ela pode ser formada por um microprocessador ou
um micro controlador e uma memória. A CPU é responsável por armazenar todos os
parâmetros que configuram o funcionamento do inversor, por isso a necessidade de uma
memória, e também é a responsável por disparar os IGBTs em ordem e tempo corretos.
A Interface Homem Máquina (IHM) é onde o usuário entra com os parâmetros de
funcionamento do inversor indicando a tensão, corrente e rotação do motor. Ela também
indica os eventuais erros que ocorrerem durante o funcionamento.
As interfaces são as formas de comunicação onde o controlador estipula quando e como p
inversor funciona. Os inversores possuem interfaces analógicas e digitais, essas geralmente
podem ser determinadas pelo usuário durante a parametrização do inversor. As digitais
servem para indicar gira/para, liga/desliga, sentido de rotação, entre outros. Já as analógicas
enviam o valor da rotação/frequência que o motor deve trabalhar.
Por último, a Etapa de Potência, composta por um circuito retificador, transforma AC em DC,
por um circuito intermediário que se chama barramento DC, onde ocorre a filtragem e por
ultimo o circuito com os IGBTs que produz a tensão com a freqüência desejada e que
alimenta a saída do inversor.
32

2.4.2. Seleção do Inversor
O primeiro passo é calcular a potência do inversor, para isso basta ter a tensão de entrada e
calcular qual a corrente máxima consumida pelo equipamento que será ligado ao inversor. A
corrente máxima obtida será a corrente do inversor, e a tensão de alimentação será a tensão do
inversor.
O próximo passo é determinar qual tipo de inversor será utilizado. Existem dois tipos: o
escalar e o vetorial. A grande maioria é escalar, o tipo vetorial é usado quando se requer
extrema precisão de rotação ou grande torque à baixas rotações.
Por ultimo escolhe-se o modelo e fabricante. Com todos os disponíveis consulta-se catálogos
de fabricantes para determinar quais modelos atendem a especificações obtidas e, então, entre
os equipamentos selecionados determinar qual será o utilizado.
2.5. Placa de Aquisição de Dados
A NI USB-6009 é uma placa de aquisição de dados produzida pela National Instruments, essa
placa tem como características principais, sete entradas analógicas, duas saídas analógicas, e
onze pontos digitais que podem ser configurados como entrada ou saída dependendo da
necessidade. Ela possui um taxa de amostragem máxima de 48 KS/s, e sua utilização é bem
grande devido ao baixo custo. Na figura 2.21 mostra-se a placa de aquisição NI USB-6009.
Figura 2.21 – Placa de Aquisição de Dados da National Instruments
33

As entradas e saídas analógicas trabalham com uma faixa de sinal de -10V a 10V ou de 0V a
10V, enquanto as digitais podem trabalhar com 2,5V ou 5V. As figuras 2.22 e 2.23 mostra o
esquema de ligação dos terminais analógicos e digitais.
2.6. Analisador de Energia
Figura 2.22 – Esquema de Ligação Terminal Analógico
Fonte: NATIONAL INSTRUMENTS, 2008
Figura 2.23 – Esquema de Ligação Terminal Digital
Fonte: NATIONAL INSTRUMENTS, 2008
O analisador de energia Modelo AE-200, fabricado pela Instrutherm, é um instrumento que
permite fazer uma análise minuciosa das características da energia, ele pode ser usado tanto
em sistemas monofásicos como trifásicos. Na figura 2.24 mostra-se uma imagem do
analisador de energia.
34

Figura 2.24 – Analisador de Energia Modelo AE-200
Fonte: INSTRUTHERM INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO LTDA, 2009
Várias são as características que se pode obter com o analisador de energia, são elas: valores
de tensão e corrente em cada fase ou neutro, potência ativa, fator de potência, ângulo de fase,
energia consumida, analisar consumo de aparelhos em modo de espera para calculo de
demanda máxima de uma instalação, demanda média, demanda máxima, análise de
harmônica, diagrama vetorial com parâmetros de sistema trifásico entre outros.
Uma função importante desse aparelho é o “datalogger” que é a capacidade de armazenar
esses dados ao longo do tempo, para análise posterior.
2.6.1. Power & Harmonics Analyzer
O “Power & Harmonics Analyzer” é um software que se comunica com o analisador de
energia e consegue fazer aquisição de todos os dados produzidos pelo analisador em tempo
real. Nas figuras 2.25 a 2.27 são mostradas as principais telas do software.
35

Figura 2.25 – Tela Inicial
Figura 2.26 – Formas de Onda
36

Figura 2.27 – Diagrama Fasorial
Uma característica importante do software é a exportação dos dados armazenados pelo
datalogger para um arquivo “.CSV”, que pode ser facilmente manipulado por softwares que
constroem gráficos e outros softwares que realizam análise de dados.
2.7. Comunicação OPC
OPC é a abreviação de OLE for process control, e OLE é Object Linking and Embedding, ou
seja, é a criação de unidades de informação que serão transferidos para diversos equipamentos
utilizados no controle de processo.
O padrão OPC nasceu da necessidade de se comunicar diversos softwares e hardwares muito
utilizados na automação. Antes da criação do OPC era necessário cada equipamento ter seu
próprio driver para comunicar com determinado software, ou seja, caso um equipamento
necessita-se comunicar com dois softwares eram necessários dois drivers, e caso dois
equipamentos necessitassem se comunicar com dois softwares seriam necessários quatro
drivers, e esse número tende a tornar-se maior quanto mais complexo for o processo.
Esse padrão começou a ser construído em 1995 quando diversas empresas, entre elas a
Emerson Process Management, a Rockwell Software e a GE Fanuc. Estas empresas
uniram-se para desenvolver um padrão que utiliza a tecnologia OLE e ter acesso em tempo
37

eal aos dados no sistema Windows. Foi então fundada a OPC Foundation, que hoje conta
com mais de 300 membros, com o objetivo de regulamentar e especificar o padrão de forma
que se mantenha a interoperabilidade de sistemas e equipamentos que utilizem o padrão.
A adoção do padrão OPC oferece diversas vantagens, Fonseca (2002, p.4) cita:
“[...]
[...]”
Padronização das interfaces de comunicação entre os servidores e clientes
de dados de tempo real, facilitando a integração e manutenção dos sistemas.
Eliminação da necessidade de drivers de comunicação específicos
(proprietários);
Melhoria do desempenho e otimização da comunicação entre dispositivos
de automação.
Interoperabilidade entre sistemas de diversos fabricantes;
Integração com sistemas MES, ERP e aplicações Windows (Excel, etc.);
Redução dos custos e tempo para desenvolvimento de interfaces e drivers
de comunicação, com conseqüente redução do custo de integração de
sistemas.
Facilidade de desenvolvimento e manutenção de sistemas e produtos para
comunicação em tempo real;
Facilidade de treinamento.
Na figura 2.28 existe um conjunto de três aplicações (HMI, Process Historian, Machine
Condition Monitor) e outro de três equipamentos (PLC, Vibration Monitoring System
Calculation Engine) que devem estar interligados entre si.
38

Figura 2.28 – Aplicações e Equipamentos
Fonte: CÂNDIDO, 2004
Quando se faz a escolha de utilização do driver proprietário, são necessários nove drivers,
como mostrado na figura 2.29, para fazer as conexões.
Figura 2.29 – Drivers utilizados
Fonte: CÂNDIDO, 2004
39

Cada equipamento necessitaria de um driver para comunicar com cada aplicação, com isso
aumenta-se o numero de informação que será necessário circular, pois o equipamento,
provavelmente, irá fornecer a mesma informação mais de uma vez, pois diferentes aplicações
podem necessitar dos mesmos dados, necessitando de redes maiores para atender a demanda
de dados. É necessário um gasto maior para desenvolvimento de softwares cada equipamento
necessitará de um driver para cada aplicação, e esse custo certamente será passado para o
consumidor. Por fim necessitará de um maior tempo para instalação e configuração dos
drivers.
Com a utilização do OPC será necessário um servidor para cada equipamento, conforme
mostrado na figura 2.30.
Figura 2.30 – Solução OPC
Fonte: CÂNDIDO, 2004
Pela figura 2.30 percebe-se que a utilização já torna o sistema menos complexo, e obtém todas
as vantagens citadas anteriormente.
40

2.7.1. Cliente/ Servidor
O padrão utiliza a comunicação cliente/servidor que funciona da seguinte forma, o servidor é
o software que contém o driver de comunicação com o equipamento, e com isso o servidor
consegue “entender” os dados passados pelo equipamento e devolver dados que o
equipamento “entenda”. A partir dessa comunicação equipamento servidor, os clientes podem
acessar e escrever dados, a qualquer momento e local (dependendo da configuração do
servidor) no servidor da maneira que desejar. Na figura 2.31 mostra-se o esquema da
arquitetura OPC.
2.7.2. Divisões OPC
Figura 2.31 – Arquitetura Cliente/Servidor do OPC
Fonte: PUDA, 2008
O padrão OPC é divido em sete partes, cada uma tratando de um determinado tipo de dado
que será manipulado pelo servidor.
O primeiro é o OPC Data Access ou OPC DA, esse padrão é utilizado para manipular dados
em tempo real do servidor para os equipamentos e dos equipamentos para o servidor.
Um segundo é o OPC Alarms & Events ou OPC A&E, esse padrão trata dos dados que são
acessados quando demandados, ou seja, dados que não precisam circular constantemente, um
41

exemplo claro é mensagens sonoras para avisar algo errado na planta, esse tipo de dado só
precisa ser disponibilizado quando for requisitado pelo sistema.
Já o OPC Batch é o padrão OPC que atende os processos que funcionam em batelada, esse é
uma extensão do OPC DA, ele permite a troca de informações e condições dos equipamentos
que utilizam o controle por batelada.
O OPC Data Exchange ou OPC DX, é o padrão OPC que trata da troca de dados entre
servidores, pode acontecer de um equipamento necessitar de dados vindos de outro
equipamento, com isso será necessário a troca de informação entre servidores e essa troca é
determinada pelo OPC DX.
O OPC Historical Data Access ou OPC HDA, esse padrão permite o acesso a dados já
gravados, não somente dados atuais como OPC DA, e com isso esse padrão permite analisar e
determinar comportamento do processo, manutenção de equipamento, desvios e outros.
Outro padrão determinado é o OPC Complex Data, esse padrão trata formatos mais
complexos de dados, como exemplo estruturas binárias e arrays.
O OPC Commands é o padrão para OPC que trata os comandos de controle enviados ao
equipamento, ele permite que se monitore e envie comando de controle aos equipamentos.
2.8. Gerenciamento de Dados
O LabVIEW é um software que utiliza linguagem gráfica de programação, baseado na língua
G, criado em 1996 pela National Instruments, hoje é muito utilizado em para realizar
aquisição de dados, sistemas de medição e em projeto de automação.
Os programas criados pelo LabVIEW são conhecidos como Virtual Instrument (VI), quando
se cria um VI abre-se duas telas, uma que será interface de usuário e a outra a tela de
programação. A programação é bem simples e é baseada no fluxo de dados, ou seja, os blocos
42

utilizados na programação fornecem, recebem ou fornecem e recebem dados, sendo que cada
bloco manipula os dados de acordo com sua função.
O LabVIEW possui vários toolkits que podem ser instalados no LabVIEW para acrescentar
funções mais complexas ou especificas que se deseja realizar com o LabVIEW, alguns
exemplo são os toolkits FPGA e System Identification, que permitem trabalhar chips FPGA e
realizar identificação de sistemas.
2.8.1. LabVIEW DSC Module
O toolkit DSC (Datalogging and Supervisory Control) é um toolkit que permite a criação de
supervisórios através do LabVIEW. Permite se historiar e acompanhar variáveis de processo
em tempo real, alarmes e administrar eventos.
O module DSC também permite a comunicação do LabVIEW com uma variedade de CLPs,
através da comunicação OPC.
2.9. Controle Proporcional Integral Derivativo (PID)
Antes de explicar o funcionamento de um controle PID é necessário conhecer algumas
variáveis que estarão presente no processo. A primeira é a Process Variable (PV) ou variável
de processo, a variável de processo é a variável que se deseja controlar, ela pode ser uma
pressão, temperatura, nível ou outros. A segunda é o Setpoint (SP) que é o valor desejado para
a PV. Depois vem a Manipulate Variable (MV) ou variável manipulada, essa é variável que
irá realizar o controle sobre a PV, ela pode ser um sinal para o posicionamento de uma
válvula, um sinal para um inversor de uma bomba ou para um aquecedor. E por último o Erro,
o erro é diferença da PV para o SP.
No controle PID existem dois tipos de ação de controle a ação direta e a ação reversa. A ação
direta é utilizada para os casos em que a PV aumentar a MV também deve aumentar, esse tipo
de ação é utilizado em casos de sistema de refrigeração. Já a ação reversa de controle a MV
segue caminho contrário ao da PV, caso PV aumente a MV deverá diminuir, esse tipo de ação
é utilizado em casos de aquecimento.
43

A equação mais utilizada pelo PID é a equação 2.1.
( ) [ ( ) ∫ ( )
( )
]
44
(2.1)
Na equação E(t) é o erro e Kp, Ki e Kd, são os parâmetros P, I, D respectivamente. Kp é o
ganho proporcional, ele tem a função de variar o valor da MV de forma proporcional ao erro,
ou seja quanto maior o erro maior será o valor da MV. Já Ki é ganho integral, esse parâmetro
irá fornecer um ganho proporcional ao valor do produto do erro x tempo que o erro
permanece. E por último Kd que é o ganho derivativo mais conhecido como “tempo
derivativo”, esse ultimo parâmetro fornece um ganho proporcional a taxa de variação do erro.
Para tornar mais claro o entendimento será mostrado exemplo de controle P, PI e PD.
Começando pelo controle P. Para o caso de controle P, o valor da MV é proporcional ao valor
do erro, caso o valor de Kp seja pequeno é possível pode acontecer de não atingir o SP, e caso
o valor seja alto pode ocorrer do sistema ficar instável. A figura 2.32 exemplificando a
variação do ganho Kp.
Figura 2.32 – Efeito da Variação de Kp
Fonte: NOVUS PRODUTOS ELETRÔNICOS LTDA
Na figura 2.32 pode-se visualizar o efeito do aumento de Kp, da esquerda para direita, na
imagem foi utilizado Pb (banda proporcional), que é o inverso de Kp multiplicado por 100.
No primeiro caso como Kp era muito pequeno então o valor alcançado pela PV foi bem
abaixo do SP, já no segundo caso o valor da PV ficou próximo do SP, e no terceiro como o
valor de Kp foi grande o sistema ficou instável oscilando em torno do SP.
Para mostrar o efeito da ação integral, tem-se que mostrar um controle PI, pois não existe um
controlador somente I, a ação integral busca diminuir o erro para zero, ou seja, ela busca

diminuir o retirar o erro que ação proporcional não consegue. Com isso ela produz um ganho
proporcional ao produto erro x tempo. A figura 2.33 demonstra a ação de um controlador PI.
Figura 2.33 – Inclusão da Ação Integral
Fonte: NOVUS PRODUTOS ELETRÔNICOS LTDA
Nos gráficos da esquerda pode-se perceber que a PV e MV já estão estabilizadas mesmo sem
ter alcançado o valor do SP, o que acontece freqüentemente em controles puramente
proporcionais, já nos gráficos da direita percebe-se a ação integral agindo diminuindo o erro
para zero.
E por ultimo a ação derivativa, essa ação, como ocorre com a integral, não ocorre sozinha por
isso será usado um controle PD para exemplificar sua ação. Essa ação tem como objetivo
reduzir as variações de PV, ou seja, ela irá evitar que o valor da PV aumente ou diminua
rapidamente. Então a ação derivativa só irá atuar quando ocorrer variação do erro, caso
contrário sua ação será nula. A figura 2.34 serve para exemplificar essa ação.
45

Figura 2.34 – Efeito da Ação Derivativa
Fonte: NOVUS PRODUTOS ELETRÔNICOS LTDA
Como se pode perceber a inclusão da ação derivativa diminui a oscilação da PV e da MV,
tornando as duas mais estáveis.
46

3. APLICAÇÃO DO CONTROLE
Para facilitar a explicação dos métodos utilizados para a realização do controle, a explicação
será divida em três partes, configuração e programação do CLP, configuração do servidor
OPC e por último a programação do LabVIEW ® .
3.1. CLP
O CLP utilizado foi o modelo VersaMax produzido pela GE Fanuc com três módulos de
comunicação: um de entrada analógica, um de saída analógica e um de saída digital, além da
fonte de alimentação e CPU.
Para se começar a trabalhar com o CLP primeiro deve-se ter alguns dos softwares de
programação, que é o CIMPLICITY Machine Edition ou Proficy Machine Edition, para esse
caso foi utilizado o CIMPLICITY Machine Edition.
Após o software instalado e pronto para utilização, abre-se o software que apresenta como tela
inicial, imagem semelhante a mostrada na figura 3.1.
Figura 3.1 – Tela inicial CIMPLICITY Machine Edition
Nessa tela opta-se criar um novo Machine Edition Template, então abre-se uma tela
semelhante a da figura 3.2.

Figura 3.2 – Escolha do modelo do CLP e nome do Projeto
Nessa tela deve-se escolher o nome do projeto e o modelo do CLP que será usado, para o caso
foi escolhido REFRIGERACAO para o nome do projeto e modelo GE Fanuc Versamax PLC.
Após esses passos abre-se uma tela semelhante à tela apresentada na figura 3.3 onde se inicia
a configuração do CLP.
Figura 3.3 – Tela inicial para Programação e Configuração do CLP
Depois desse início o primeiro passo é realizar as configurações de hardware. O CLP
trabalhado contém um módulo de entrada analógica, um módulo de saída analógica, um
módulo de saída digital, três bases idênticas, uma CPU e uma fonte, de respectivos modelos,
IC200ALG230G, IC200ALG320G, IC200MDL940H, IC200CHS022J, IC200CPUE05-FH E
IC200PWR102F.
48

A configuração de hardware (figura 3.4) situa-se na parte esquerda do CIMPLICITY, a
primeira configuração contém uma fonte IC200PWR001 e CPU IC200CPU001, essas devem
ser substituídas pela configuração utiliza e depois devem ser adicionadas à base e por fim os
módulos, os módulos devem ser adicionados na ordem em que serão utilizados na montagem.
Figura 3.4 – Configuração de hardware inicial e configuração de hardware utilizada
Então se começa a programação, para facilitar a leitura, programação e depuração de erros, o
programa foi dividido em vários LD BLOCK, ao invés de escrever o programa to no LD
BLOCK MAIN. O LD BLOCK funciona como uma função que quando chamada pelo bloco
MAIN executa toda sua lógica. As figuras 3.5 a 3.9 mostram as linhas de programação.
O bloco MAIN contém somente linhas semelhantes a linha mostrada na figura 3.5, essa linha
realiza a chamada dos outros LD BLOCK, a bobina no final da linha não executa nenhuma
função, só que o bloco CALL necessita de uma bobina após sua utilização, caso não se utilize
dessa bobina ocorre erro programação.
Figura 3.5 – Linha de programação Bloco Main
O LD BLOCK TP_ACIO é o responsável pelo recebimento da informação do supervisório e
informar para o CLP qual o tipo de acionamento. Este bloco contém quatro linhas
semelhantes às mostradas na figura 3.6, essa linha permite que no caso dos botões de
emergência do supervisório e físico não estejam pressionados, o botão liga geral do
49

supervisório esteja pressionado e quando o botão do tipo de acionamento for pressionado,
manter o tipo de acionamento ativo até que o botão liga geral seja pressionado novamente.
Figura 3.6 – Linha do Bloco TP_ACIO
O bloco ACIO_1 contém quatro linhas semelhantes a linha da figura 3.7, essa linha funciona
da seguinte forma, o contato é acionado pelas bobinas dos tipos de acionamento, capa tipo de
acionamento aciona as bobinas que acionará fisicamente os dispositivos necessários para
determinado tipo de acionamento. Para o caso ARxAR será acionado a válvula solenóide, o
ventilador do evaporador, o ventilador do condensador e o compressor e assim por diante de
acordo com as necessidades do tipo de refrigeração.
Figura 3.7 – Linha do Bloco ACIO_1
Após esses blocos contém dois LD BLOCK semelhantes PID e PID_2, esses dois blocos
controlam as rotações da bomba do condensador e do motor do compressor respectivamente,
um exemplo é mostrado na figura 3.8.
Figura 3.8 – Bloco PID
50

Esse bloco realiza uma série de cálculos que conforme a diferença da PV, ou seja, a
temperatura a ser controlada, para o SP , valor desejado de temperatura, determina o valor
para Control Variable (CV), ou MV, variável controlada ou manipulada, no caso a rotação do
compressor ou da bomba, que irá atuar de modificando a PV.
Para finalizar a parte de configuração e programação do CLP é necessário informar quais
variáveis serão fornecidas e recebidas pelo servidor OPC, para isso deve-se adicionar um
componente chamado Ethernet Global Data. Após adicionar serão criadas duas páginas, uma
Consumed Page e outra Produced Page, as variáveis que forem adicionadas na Consumed
Page, serão as variáveis que o CLP irá receber do servidor OPC e as variáveis adicionadas na
Produced Page serão as variáveis que o CLP irá fornecer para o servidor. As variáveis podem
ser adicionadas uma a uma ou através de uma faixa de valores, para o caso foi utilizada uma
faixa de valores, essa faixa é determinada pelo Length, o Length é nada mais que quantas
variáveis a partir da inicial, colocada em Ref Addres,s serão disponibilizadas para o servidor,
na figura 3.9 são mostradas as configuração para Consumed e Produced Page.
Figura 3.9 – Consumed e Produced Page
Com isso está concluída a programação e configuração do CLP.
3.2. Servidor OPC
O primeiro passo foi escolher um servidor que atendesse as especificações necessárias, por
isso o servidor utilizado foi o MatrikonOPC for GE PLCs (figura 3.10), por ser o único
encontrado que possuía uma versão de teste que comunica-se por tempo indeterminado, pois a
51

maioria dos servidores só comunicam durante duas horas, o único problema desse servidor é
que se trata de uma versão Trial, portanto funciona durante trinta dias.
Figura 3.10 – Tela Inicial MatrikonOPC
Para começar a configuração deve se clicar em Edit e depois em Define New. Conforme
mostrado na figura 3.11.
Figura 3.11 – Primeiro Passo para Configuração do Servidor OPC
Então se abre uma janela, como a mostrada na figura 3.12, onde deve-se escolher o tipo de
servidor OPC que será utilizado. Como foi configurado no CLP a comunicação tipo Ethernet
Global Data o objeto escolhido será GE EGD Network
52

Figura 3.12 – Escolha do tipo de comunicação
Após selecionado GE EGD Network abre-se uma janela como a mostrada na figura 3.13, onde
deve-se colocar o nome da rede, a placa de rede que será utilizada, a porta por onde a
informação trafegará, o atraso entre uma tentativa de conexão e outra, e o último parâmetro
permite que você disponibilize essa informação para todos os que tenham interesse na rede ou
para somente um CLP, caso o valor seja 1 a informação fica disponibilizada para toda rede.
Figura 3.13 – Definição das configurações básicas do Servidor OPC
Após deve-se clicar com o botão direito do mouse no canal criado e então clicar em Define
New então uma nova janela para inserção de objetos abrirá. Nela conterá dois tipos de objetos
GE EGD Consumer e GE EGD Producer, enquanto o GE EGD Consumer receberá dados do
CLP o GE EGD Producer irá fornecer dados para o CLP. Por isso adiciona-se os dois objetos,
mas se começa pelo GE EGD Consumer. Após adicionar o GE EGD Consumer abrirá uma
janela como a mostrada na figura 3.14.
53

Figura 3.14 – Configurações Gerais do GE EGD Consumer
Nessa janela a configuração mais importante é o Producer ID que é o endereço IP do CLP
que irá fornecer dados para o servidor. Depois deve-se clicar na aba exchange então
configurar quais as variáveis serão trocadas, as configurações nessa parte devem ser idênticas
as configurações feitas na Produced Page no CLP. Conforme mostrado na figura 3.15.
Figura 3.15 – Configuração Consumer Exchange
Após deve-se adicionar o GE EGD Producer (figura 3.16), as configurações gerais do
Producer é somente o endereço IP do computador que irá fornecer dados para o CLP. Depois
deve-se partir para a aba Exchange (figura 3.17) e indicar as variáveis que serão enviadas para
o CLP, lembrando que devem ser idênticas as variáveis configuradas na Consumed Page do
CLP.
54

Figura 3.16 – Configurações Gerais do GE EGD Producer
Figura 3.17 – Configuração Producer Exchange
Com isso o servidor OPC está configurado e já esta comunicando com o CLP, restando
somente o programa que irá produzir dados para o servidor enviar aos CLP.
3.3. LabVIEW
Para tornar a explicação do que foi feito no LabVIEW mais clara, essa será dividida em três
partes, criação e configuração do Cliente OPC, a interface de usuário e por último a lógica
utilizada.
55

3.3.1. Cliente OPC
A função do Cliente OPC é realizar a interface entre o servidor OPC e o VI do LabVIEW. O
VI funciona como se fosse uma função e para o caso será utilizado como base para toda
programação no LabVIEW. A criação do Cliente OPC é bem simples, primeiro deve-se abrir
o LabVIEW e na tela inicial (figura 3.18) criar um Empty Project.
Figura 3.18 – Tela inicial LabVIEW
Então abrirá um tela como a mostrada na figura 3.19, nessa tela deve-se clicar com o botão
direito em “My Computer” em “New” e por fim em “I/O Server” (figura 3.20). Com isso
inicia-se a criação do Cliente. A opção de criação do I/O Server só ficará disponível após a
instalação do toolkit DSC do LabVIEW.
Figura 3.19 – Tela inicial do Projeto
56

Figura 3.20- Criação I/O Server
Então na nova tela que irá abrir escolhe-se “OPC Client” (figura 3.21), então irá aparecer
outra tela para a escolha do servidor para o cliente (figura 3.22).
Figura 3.21 – Criação do Cliente OPC
Figura 3.22 – Escolha do Servidor para o Cliente
57

O nome para o MatrikonOPC for GE PLCs é Matrikon.OPC.GE.1, então foi esse o servidor
selecionado para o Cliente. Então aparecerá uma nova biblioteca no projeto (Untitled Library
1), com isso o cliente OPC estará criado (figura 3.23).
Figura 3.23 – Cliente OPC criado
Agora o próximo passo é criação das variáveis que serão utilizadas pelo LabVIEW. Para a
criação das variáveis deve-se clicar com o botão direito em “Untitled Library 1” e então em
“Create Bound Variable...”, então abrirá uma nova tela (figura 3.24), nessa dela deve localizar
o servidor e então visualizar as variáveis que estão disponíveis para utilização e então decidir
quais serão utilizadas e clicar em Add.
Figura 3.24 – Criação das Variáveis OPC
Após selecionadas todas a variáveis que serão utilizadas pelo LabVIEW, as configurações do
Cliente OPC está pronta. Segue na figura 3.25 uma imagem do cliente após completamente
configurado para o caso.
58

Figura 3.25 – Cliente OPC Configurado
Para a utilização das variáveis nos VIs é necessário somente clicar e arrastar a variável
desejada para dentro do VI.
3.3.2. Interface de Usuário
A interface de usuário (figura 3.26) é bem simples e chega a ser auto-explicativa, Contém um
botão Liga/Desliga Geral, quatro botões que acionam os dispositivos para modo de
funcionamento do sistema de refrigeração, quatro leds que indicam qual o modo de
funcionamento está acionado, um botão de emergência um quadro com as seis temperaturas
presente no processo, um quadro as pressões alta e baixa, dois gráficos indicadores para as
temperaturas que devem ser controladas, e dois quadros com parâmetros de controle PID para
as variáveis controladas.
Figura 3.26 – Interface de Usuário
59

Para ligar o sistema de refrigeração deve-se pressionar o botão liga geral e depois pressionar o
botão com modo de funcionamento desejado, deve-se manter o botão pressionado até que o
led acenda indicando que o modo foi acionado. O botão de emergência quando pressionado
desabilita todos os equipamentos presentes no sistema de refrigeração. Os quadros de
temperatura e pressão funcionam somente como indicadores. Os gráficos foram utilizados
somente para as temperaturas das águas quente e fria, pois é necessário realizar uma análise
da temperatura ao longo do tempo para definir os melhores parâmetros para o PID, e abaixo
de cada gráfico segue os parâmetros de controle para o bloco PID que irá controlar aquela
temperatura.
8.3.3. Lógica do LabVIEW
O LabVIEW possui uma linguagem de programação gráfica de fácil entendimento. Agora será
explicado as principais linhas de programação utilizadas.
Primeiro começa-se pela lógica dos botões utilizados, quando se insere um botão da interface
do VI, o LabVIEW automaticamente cria um bloco para esse botão na tela de programação. A
única lógica aplicada para os botões é a ligação com as variáveis que eles irão comandar
(figura 3.27), para isso é só clicar e arrastar as variáveis do Cliente OPC.
Figura 3.27 – Lógica do Botão Liga/Desliga Geral
A lógica para os leds de indicação também é semelhante a dos botões, só que a variável que
deve ser ligada ao led (figura 3.28).
Figura 3.28 – Lógica Led do modo de funcionamento ÁguaxÁgua
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As lógicas das temperaturas foi um pouco mais complexa, pois não foi possível fazer a
aquisição das temperaturas pelo CLP, pois o cartão de entrada analógica só permite quatro
entradas e seriam necessárias oito, pois são seis temperaturas e duas pressões. Por isso foi
utilizada a placa de aquisição da National Instruments (NI USB-6009).
Outro problema que ocorrido com as entradas analógicas foi a presença de ruído no sinal, com
isso havia uma oscilação grande no sinal, tornando totalmente impossível a interpretação
desse sinal por isso foi utilizado um filtro e um compressor de amostra, para melhorar esse
sinal.
Devido isso o sinal sai de um bloco que representa a placa de aquisição, segue para o bloco do
filtro, depois segue para o compressor de amostra, após segue para o bloco que realiza a
conversão de unidade, pois o sinal é captado na forma de corrente e deve ser convertido para
temperatura e por fim segue para o indicador da temperatura e para um indicador gráfico
(figuras 3.29 e 3.30).
Figura 3.29 – Lógica da Temperatura da Entrada da Válvula de expansão
Figura 3.30 – Lógica temperatura Água Quente
A lógica das pressões é um pouco diferente, pois a aquisição foi realizada pelo CLP, portanto
o primeiro bloco é substituído pela variável OPC (figura 3.31), mas o restante é idêntico.
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Figura 3.31 – Lógica Pressão Alta
Por fim a lógica das variáveis de controle necessárias pelo bloco PID. Também se trata de
uma lógica bem simples, na qual um controle numérico é ligado a variável desejada (figura
3.32).
Figura 3.32 – Lógica Variável de Controle KI
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4. RESULTADOS
No primeiro resultado obtido espera-se que a temperatura da água fria atinja 6°C e então se
inicia a coleta de dados durante o período de quatro horas, sem a utilização de nenhuma carga
térmica. Foram realizados três ensaios, o primeiro com a aplicação de um controle PI para a
rotação do compressor, o segundo para controle “On-Off” com uma histerese de 0,5°C e o
terceiro com um controle “On-Off” com histerese e 1°C.
Gráfico 4.1 – Energia Consumida Ensaio de 4 horas sem carga.

Gráfico 4.2 – Temperatura Água Fria Ensaio de 4 horas sem carga.
Gráfico 4.3 – Temperatura Água Quente Ensaio de 4 horas sem carga.
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Gráfico 4.4 – Rotação do Compressor Ensaio de 4 horas sem carga.
O segundo resultado foi obtido após um teste com duração de doze horas, também iniciando
em 6°C e sem a utilização de carga térmica. Foram realizados dois ensaios um para o controle
PI e outro para o controle “On-Off” com histerese de 0,5°C.
Gráfico 4.5 – Energia Consumida Ensaio de 12 horas sem carga.
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Gráfico 4.6 – Temperatura Água Fria Ensaio de 12 horas sem carga.
Gráfico 4.7 – Temperatura Água Quente Ensaio de 12 horas sem carga.
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Gráfico 4.8 – Rotação do Compressor Ensaio de 12 horas sem carga.
Para o ultimo resultado foram realizados dois ensaios, um para o controle PI e ou para o “On-
Off” com histerese 0,5°C, esses ensaios foram iniciados com a temperatura de 6°C e após
duas e três horas do ensaio foi inserido um ebulidor na água fria, durante 2,5 minutos,
simulando uma carga térmica inserida.
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Gráfico 4.9 – Energia Consumida Ensaio de 4 horas com carga térmica.
Gráfico 4.10 – Temperatura Água Fria Ensaio de 4 horas com carga térmica.
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Gráfico 4.11 – Temperatura Água Quente Ensaio de 4 horas com carga térmica.
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5. CONCLUSÃO
O servidor OPC no início apresentou alguns problemas de comunicação e se mostrou lento
para o controle, mas após alguns testes e configurações atendeu perfeitamente a necessidade.
O CLP e o LabVIEW funcionaram como o desejado atendendo perfeitamente as necessidades.
O controle de temperatura da água quente mostrou-se eficiente. Pelas curvas apresentadas nos
gráficos pode-se perceber a temperatura oscilou muito, mas mantendo-se sempre entre os
valores de 24,5 e 25,5°C, com isso atendendo a necessidade de promover as mesmas
condições externas em todos os experimentos.
A temperatura da água fria para os experimentos de quatro e doze horas sem a aplicação de
carga térmica apresentou uma variação menor, após o primeiro pico, para o controle PI, com
isso o controle PI apresentou um melhor controle da temperatura quando não há variação da
carga térmica que se deseja resfriar.
Para o caso em que a carga térmica interna varia muito, como foi o caso do experimento em
que houve a aplicação de carga térmica, o comportamento do controle PI foi bem parecido
com o controle On-Off, por isso se houver variação da carga térmica antes do controle PI ter
atingido o primeiro pico, o comportamento do controle PI será parecido com o controle On-
Off.
Analisando os gráficos de consumo de energia, o controle PI foi o método que apresentou o
maior consumo em todos os experimentos, apesar da diferença não ser muito grande.
Com isso pode-se concluir que o método é eficiente para controle em sistemas de refrigeração
em que variação da carga térmica não é grande. Para os casos em que essa variação é grande
pode-se tentar ajustar os parâmetros PI para que o sistema atenda as necessidades.

Com relação ao consumo de energia, não foi possível obter uma economia com o método
utilizado, mas tomando como base o experimento realizado durante doze horas, o consumo
para o PI foi de 5,67 KWh enquanto para o On-Off foi de 5,13 KWh, uma diferença de 0,54
KWh, o que representa um consumo superior de 32,4 KWh por mês, supondo que o
equipamento funcione por 24 horas. Utilizando o valor cobrado pela CEMIG sem a adição de
impostos e outras tarifas, que é 0,38978 R$/KWh (valor vigente de 08/04/2011 a 07/04/2012),
representaria um aumento de R$ 12,68 no total consumido em um mês. Esse valor pode
compensar, pois pelo método On-Off realiza-se dezoito partidas em 12 horas e no método PI
realizada-se somente uma, o motor pelo método PI sofre um menor desgaste necessitando
menos de manutenção e correndo menores riscos de quebra.
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