L’adaptabilité sur un terrain chinois : une stratégie clef

A ferramenta Comunicação HYSYS faz uso da tecnologia OLE Automation presente no HYSYS e de conversores A/D e D/A para medição e atuação na planta simulada atra-R vés da rede industrial didática Foundation Fieldbus. Entende-se por medição , a conversão de variáveis do HYSYS (temperatura, pressão, vazão, nível, etc) para sinais analógicosR de 4-20mA e posterior leitura desses sinais por elementos IFs da rede industrial didática. Por atuação, entende-se a escrita na simulação de sinais de controle provenientes dos FIs (sinais de 4-20mA) que foram previamente convertidos para sinais digitais. Na atuação, normalmente esse sinais são de abertura de válvulas, carga térmica do condensador e refervedor.

Apresentação

O programa Comunicação HYSYS lê continuamente as variáveis de processo do HYSYS selecionadas pelo operador para medição e as disponibiliza na saída dos ca-R nais D/A da placa de aquisição de dados. Essas variáveis correspondem a valores de pressão, temperatura e vazão e são números reais que são padronizados dentro da faixa de 0-10 para posterior conversão D/A.

Essa padronização é abstraída da escala de medição existente em um sensor real, de forma que, foi implementado no programa uma janela de configuração que permite o operador especificar uma escala máxima e mínima de funcionamento para cada tipo de variável. Por exemplo, a temperatura de uma corrente de processo medida de uma si- mulação do HYSYS corresponde a -10R ◦_{C e as escalas máxima e mínima definidas no}

programa foram respectivamente -50◦_{C e 50}◦_{C. Esse valor medido é convertido para ou-}

tro correspondente na faixa de 0-10 utilizando uma relação linear. O gráfico da figura 5.9 exemplifica essa conversão. Sendo assim, com todos os valores das variáveis padroniza- dos em uma escala de 0-10 é possível configurar a placa D/A para trabalhar com valores de tensão na sua saída que serão convertidos a posteriori pelo circuito conversor V/I em sinais de 4-20mA.

Na atuação, os sinais reais de controle são convertidos para valores de abertura de válvulas, carga térmica do condensador e refervedor tendo como base as mesmas escalas máxima e mínima configuradas pelo operador para cada tipo de variável. Esses sinais variam de 2 a 10 Volts e são provenientes das FIs depois de terem sidos convertidos no circuito I/V (circuito conversor loop de corrente para tensão).

Interface Gráfica

A figura 5.10 mostra a interface gráfica inicial dessa ferramenta. Nela, os campos MÁQUINA e SIMULAÇÃO correspondem ao nome ou endereço IP da máquina na qual será executada a aplicação HYSYS e o caminho do arquivo de simulação de extensãoR .hsc, respectivamente.

5.5. FERRAMENTA COMUNICAÇÃO HYSYS 49

Figura 5.9: Conversão de uma variável de temperatura medida na Estação de Simulação para sinais de medição reais

Figura 5.10: Interface gráfica inicial da ferramenta que faz a comunicação com o HYSYS R

No caso da figura 5.10, quando o botão Abrir for acionado, a simulação R-3.hsc é aberta no próprio sistema, na mesma máquina onde o aplicativo Comunicação HYSYS es- tiver sendo executado. A figura 5.11 mostra o arquivo R-3.hsc correspondente a simulação de uma coluna de destilação.

Depois que o arquivo de simulação tiver sido carregado com sucesso, o aplicativo Co- municação HYSYSassume a nova interface gráfica mostrada na figura 5.12. Ela apresenta a representação de seis dispositivos Foundation Fieldbus, os quais correspondem aos três IF’s e três FI’s instalados na rede industrial presente no laboratório.

Na figura 5.12, ao clicar em uma das representações (IF ou FI), abre-se a janela de configuração. A figura 5.13 exibe a janela de configuração para o primeiro IF. A interface gráfica da janela de configuração das FI’s são idênticas as de configuração das IF’s com excessão do campo de seleção Canal D/A que para esta última é denominado Canal A/D.

50 CAPÍTULO 5. ARQUITETURA HÍBRIDA

Figura 5.11: Simulação de uma coluna de destilação em software industrial HYSYS R

Nessa janela selecionam-se quais variáveis de processo serão monitoradas na planta simulada. Para cada canal virtual do dispositivo pode-se inserir quantas variáveis desejar. Mas deve-se levar em consideração que quanto maior for o número de variáveis sendo enviadas para rede Foundation Fieldbus por meio de um mesmo canal, maior será o tempo de atraso para tomada de uma nova amostragem das variáveis.

Portanto, é ideal que o operador configure os dispositivos de forma que a quantidade total de variáveis monitoradas fique distribuída ao longo dos canais virtuais habilitados para envio de dados a rede FF. Como explicado anteriormente, essa funcionalidade foi implementada no programa para resolver o problema de limitação do número de canais físicos à época.

Cada canal virtual é associado a um canal de um dispositivo instalado na rede FF através da seleção do Canal D/A na janela Configuração IF ou do Canal A/D na janela Configuração FI. Portanto, as variáveis listadas nesses canais serão enviadas ou recebidas como forma de sinal analógico através das interfaces de interconexão com a rede.

Os canais de entrada das IF’s são ligados fisicamente aos canais do módulo V/I conec- tado a placa de conexão terminal da placa D/A. Já os canais de saída das FI’s são ligadas às entradas dos canais de conversão A/D através do módulo I/V. Portanto, a seleção do Canal D/A (IF virtual) ou do Canal A/D (FI virtual) na janela de configuração deve ser feita com base na estrutura da rede física montada.

5.5. FERRAMENTA COMUNICAÇÃO HYSYS 51

Figura 5.12: Interface gráfica da ferramenta que faz a comunicação com o HYSYS R depois ter carregado com sucesso as informações do arquivo de simulação aberto

52 CAPÍTULO 5. ARQUITETURA HÍBRIDA

Em Ferramentas->Opções é possível configurar se mais de uma variável vai ser en- viada através de um mesmo canal 5.14. Isso é feito movendo um determinado "canal de informação" para atuar como "canal de controle". Para cada canal que vai enviar mais de uma variável deve existir um canal de controle associado. Essa funcionalidade foi implementada pois a placa D/A antiga presente no laboratório apresenta apenas 4 canais conversores, o que limitava o número de variáveis que poderiam ser enviadas para rede FF.

Figura 5.14: Janela "Opções"da ferramenta Comunicação HYSYS

Para que as informações possam ser separadas na "Estação de Configuração/Supervisão" foi desenvolvido um multiplexador com blocos funcionais do ambiente Foundation Field- bus[MARTINS et al. 2008]. Para a aba "Canais A/D" está opção está desabilitada, pois a placa A/D apresenta 32 canais.

No HYSYS , acessando Tools->Databook (figura 5.15), defini-se quais variáveis po-R derão ser lidas e/ou escritas pela ferramenta Comunicação HYSYS associando as variáveis adicionadas previamente na aba "Variables" com as DataTables criadas na aba "Process Data Tables".

5.5. FERRAMENTA COMUNICAÇÃO HYSYS 53

Clicando-se em "Importar variáveis..." em 5.13, abre-se a janela "Tabelas" (figura 5.16) para importação das variáveis de Databook.

Figura 5.16: Janela "Tabelas" da ferramenta Comunicação HYSYS para importação de variáveis

Ao apertar o botão "OK" da janela "Tabelas", a janela "Configuração IF1" lista todas as variáveis que serão enviadas pelo "Canal 1" do "IF1". No caso, como mais de uma variável vai ser enviada por esse canal, foi necessário especificar também qual será o "Canal de Controle"(figura 5.17).

Figura 5.17: Janela para configuração dos dispositivos FF virtuais depois da importação de variáveis do HYSYS R

Quando o botão verde Iniciar (figura (5.18) da área de configuração das IF’s ou das FI’s for acionado, a simulação será iniciada. No acionamento do botão Iniciar da primeira área, será ativada a medição real na planta simulada. Da mesma maneira, será ativada a atuação real na planta simulada quando o botão Iniciar da área de configuração das FI’s for acionado. A simulação será parada somente quando os dois botões vermelhos (Parar) das áreas de configuração das FI’s e IF’s estiverem acionados.

54 CAPÍTULO 5. ARQUITETURA HÍBRIDA

Figura 5.18: Botões de início/parada para medição e/ou atuação das variáveis de processo da planta simulada no HYSYS R

Quando a ferramenta Comunicação HYSYS estiver medindo ou atuando na planta e for apertado um dos botões correspondentes a um dispositivo virtual (FI ou IF) aparecerá a respectiva janela de configuração (figura 5.17), mas agora mostrando o comportamento dinâmico para a variável selecionada com o seu valor sendo atualizado em tempo real.

Capítulo 6

Testes e Resultados

Neste capítulo serão apresentados e analisados os resultados obtidos na validação do ambiente híbrido. Os primeiros testes realizados foram para verificar se os padrões de ten- são e corrente existentes nas interfaces eletrônicas de comunicação da rede FF com a Es- tação de Simulação estavam corretos. Em seguida testou-se a comunicação da rede indus- trial FF com o simulador HYSYS e a real eficácia dessa rede em supervisionar/controlar uma planta simulada. Para isso, foi realizado o controle de uma coluna de destilação si- mulada, presente na base de dados do HYSYS, pelos dispositivos da rede industrial FF e verificado o comportamento das variáveis de processo da simulação, agora controladas por dispositivos reais da rede industrial didática presente no laboratório.

6.1 Testes Realizados

Os primeiros testes realizados foram para assegurar que as placas de conversão D/A e A/D conectadas respectivamente aos conversores V/I e I/V, assim como a própria rede industrial Foundation Fieldbus estão trabalhando dentro dos padrões de tensão e corrente especificados no Capítulo 5.

Primeiro, foram configurados no software de configuração para redes industriais SYSCON da SMAR, os IFs, para leitura, e os FIs, para escrita, de sinais de 4-20mA nosR seus respectivos canais, e desenvolvido um supervisório simples, no Elipse SCADA ,R para visualização e configuração desses sinais de corrente, respectivamente, para os IFs e FIs. Tanto o SYSCON assim como o Elipse SCADAR estão instalados na Estação deR Configuração/Supervisão.

Na Estação de Simulação, foi utilizado o programa de teste e configuração da placa PCI-1724U para setar sinais de tensão (0 ∼ 10 V) nas saídas dos canais D/A e dessa forma verificar na Estação de Configuração/Supervisão se os sinais de corrente que chegam nos respectivos canais dos IFs da rede industrial são equivalentes aos primeiros. Por exemplo, para sinais de tensão de 0V e 10V na Estação de Simulação, devemos ter respectivamente sinais de corrente de 4mA e 20mA na Estação de Configuração/Supervisão. A figura 6.1 mostra essa situação para 9 canais do ambiente. Na figura 6.1.(d) verifica-se que o Canal 1 do IF-7121 está recebendo um valor de corrente acima do esperado. Então, para

56 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

esse caso, verificou-se a necessidade de ajuste da corrente de spam (20mA) do módulo conversor V/I conectado ao canal dessa IF.

(a) Estação de Simulação: Tensãominsetada (b) Corrente na rede

FF p/ Tensãomin se-

tada

(c) Estação de Simulação: Tensaomaxsetada (d) Corrente na rede

FF p/ Tensãomax se-

tada

Figura 6.1: Medição dos sinais de corrente que chegam nos canais da rede FF, (b) e (d), quando setado as tensões de 0 (a) e 10 Volt (c) na saída de 9 canais da placa D/A

6.1. TESTES REALIZADOS 57

Também foi utilizado o programa da placa PCI-1713 para verificar os valores de ten- são que chegam nos canais A/D (-2 ∼ -10 V) da Estação de Supervisão quando setados sinais de corrente de 4 até 20mA nos canais de saída dos FIs da rede industrial. A figura 6.2 detalha o teste realizado.

(a) Estação de Su- pervisão: Iminsetada

(b) Tensão na placa A/D p/ Iminsetada

(c) Estação de Su- pervisão: Imaxsetada

(d) Tensão na placa A/D p/ Imaxsetada

Figura 6.2: Medição dos sinais de tensão que chegam nos canais da placa A/D, (b) e (d), quando configurado as correntes de 4 (a) e 20 mA (c) na saída de 6 canais FIs da rede FF Os próximos testes realizados verificaram a medição de variáveis da planta simulada pelos dispositivos IFs da rede FF. As figuras 6.3.(a) e 6.3.(b) mostram dois desses tes-

58 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

tes realizados para validação do sistema de medição. Na parte esquerda dessas figuras é mostrado respectivamente em cada uma a leitura de uma variável de pressão e a de temperatura pela ferramenta Comunicação HYSYS. A ferramenta juntamente com a placa D/A converte essas variáveis em sinais analógicos externos que podem ser lidos pelos IFs depois de passarem pelo circuito V/I. Os IFs foram configurados no SYSCON para tra-R balhar com a mesma escala de medição configurada na ferramenta Comunicação HYSYS para as variáveis monitoradas. Então, na parte esquerda de cada figura é mostrado o dis- play de indicação de medição desses sinais analógicos pelos respectivos dispositivos da rede industrial FF.

(a)

(b)

Figura 6.3: Teste para validação da medição no ambiente híbrido

Por último, testou-se a comunicação da rede industrial FF com o simulador HYSYS e a real eficácia dessa rede em supervisionar/controlar uma planta simulada. Para isso, foi realizado o controle de uma coluna de destilação simulada, presente na base de dados do HYSYS, pelos dispositivos da rede industrial FF.

Nessa simulação, a estrutura de controle, pares de Variáveis Controladas e Manipu- ladas (PV-MV), já estava definida e as malhas de controle já estavam implementadas utilizando objetos de controle no próprio HYSYS. Os testes consistiram em verificar o comportamento da simulação quando as malhas de controle passaram a ser implementa- das pelos dispositivos da rede industrial FF substituindo os objetos de controle do HYSYS. A figura 6.4 mostra passo-a-passo as atividades realizadas para migrar as malhas de con- trole implementadas no HYSYS para malhas implementadas nos dispositivos da rede FF.

6.1.

TESTES

REALIZADOS

59

60 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

O diagrama de processo (Process Flow Diagram - PDF) da coluna de destilação si- mulada é mostrado na figura 6.5. Dentre os pares PV-MV já definidos, verificou-se que a variável de nível do acumulador destacado pela circunferência vermelha na figura 6.5, quando controlada por um bloco PID disponível na própria base de dados no HYSYS, é a que se mostrou mais adequada para estudo e realização dos testes de comunicação da rede FF com o HYSYS, devido a curva de estabilização característica que apresenta, bem típica de um sistema de 2a_{ordem. Portando, esses testes que serão mostrados no decorrer}

na dissertação.

Figura 6.5: Simulação de uma torre debutanizadora

Inicialmente foi estudado o comportamento da variável de nível desse acumulador utilizando o próprio elemento de controle existente na simulação, denominado LIC-102, figura 6.5, para depois compará-lo ao comportamento dessa mesma variável quando con- trolada por um bloco PID instanciado nas unidades de processamento dos dispositivos FF instalados na rede didática presente no laboratório.

Os parâmetros desse controlador como setpoint, sinal medido, sinal de controle, ga- nho, tempo integrativo, tempo derivativo, escala máxima e escala mínima equivalem res- pectivamente aos campos SP, PV, OP, Kc, τi, τd, PV Minimum e PV Maximum da janela

6.1. TESTES REALIZADOS 61

Esse controlador está conectado a válvula VLV-103. Esta válvula está conectada a uma corrente de saída do acumulador. Portanto se esta válvula se fecha, o nível do acu- mulador tende a subir. Caso ela se abra, o nível do acumulador descerá.

Figura 6.6: Janela de propriedades da unidade de controle presente no HYSYS

O gráfico da figura 6.7 mostra o comportamento do controlador para para um setpoint de 50% (nível do tanque = 50%), Kc = 2 e τi = 5 minutos. O acumulador está inicial-

mente vazio. As linhas vermelha, verde e azul correspondem respectivamente ao sinal de controle (OP), sinal medido (PV) e setpoint (SP).

Figura 6.7: Controle PI do nível do tanque do acumulador utilizando o controlador do próprio HYSYS

62 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

Para simulação dinâmica da planta, utilizou-se o módulo Integrator do HYSYS, figura 6.8. Nele pode-se configurar os parâmetros utilizados pelo HYSYS para fazer o cálculo iterativo de todas as equações da dinâmica da planta. O HYSYS utiliza o método de in- tegração de Euler para realização desses cálculos. Três parâmetros importantes precisam ser entendidos, são eles:

Real Time:

Quando habilitado força a integração ocorrer no tempo real da dinâmica da planta. Real time factor:

Somente é habilitado quando está no modo automático. Será o modo que nós usa- remos. Esse campo é calculado por dividir o intervalo de tempo real de uma simu- lação pelo tempo requerido pelo HYSYS para simular esse intervalo. O Real time factor depende da capacidade de processamento do computador, onde executará a simulação, e da complexidade dessa simulação.

Step Size:

Permite especificar o intervalo de integração. Para valores menores, a simulação executará de forma mais lenta, permitindo o sistema inicializar de formar melhor, aumentando a sua estabilidade. Step Size maiores resulta em maiores velocidade de integração e normalmente devem ser definidos quando o sistema já alcançou a estabilidade.

6.1. TESTES REALIZADOS 63

O campo Real Time não foi habilitado na nossa simulação, de forma que o tempo real que a simulação levou para acontecer foi bem menor do que levaria em condições reais. Para um o Step Size definido em 0.5, a simulação aconteceu em cerca de alguns poucos minutos e não em 2003 minutos como demonstrado no gráfico da figura 6.7.

Para o controle do nível do acumulador utilizando a rede industrial Foundation Field- busfoi implementado uma lógica de controle utilizando o software de configuração para redes industriais SYSCON . A figura 6.9 mostra a implementação dessa lógica que éR baseada em blocos e descritores de dispositivos.

Figura 6.9: Lógica de blocos implementado um controlador PID para um ambiente de redes industriais Foundation Fieldbus

Com a implementação do controlador no ambiente de redes industriais Foundation Fieldbus, o controlador LIC-102 pode ser excluído da planta simulada. O próximo passo é a configuração da ferramenta para medição e atuação na planta simulada (Comunicação HYSYS). Essas ações são exemplificadas na figura 6.10.

No programa Comunicação HYSYS, deve ser selecionada a variável Liquid Percent Level do acumulador (V-100) para medição e associar a variável Percentagen open da válvula VLV-103 ao canal da placa A/D conectada a um FI responsável pela atuação nessa válvula.

O gráfico da figura 6.11.(a) mostra o comportamento do nível do tanque para o novo controlador implementado. Esse controlador foi sintonizado com o mesmo ganho Kc do

LIC-102 e com as mesmas condições iniciais de operação: setpoint de 50% e nível do acumulador igual a 0%. O τi foi setado em 6 segundos e não em 5 minutos, como foi

setado no LIC-102.

A simulação está rodando em uma velocidade muito superior do que ocorreria em condições reais. O controlador instanciado na rede não tem como observar isso, pois não tem acesso aos métodos do sistema simulado, diferentemente do controlador LIC-102 definido no HYSYS. Portando, o τitem que ser redefinido.

64 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

Figura 6.10: Ações realizadas para controle do nível do acumulador na planta simulada através da rede FF

Os parâmetros foram escritos nas especificações do bloco funcional PID dentro do configurador SYSCON . Percebe-se que a variável de nível da figura 6.11 (malha deR controle implementado no dispositivo FI da rede FF), apresenta um tempo maior de esta- bilização do que na figura 6.7 (malha de controle implementado no HYSYS). Isso deve-se aos atrasos que a rede provoca na medição e atuação no sistema. A rede FF atualiza os seus valores no seu barramento em intervalos de tempo que dependem do macro-ciclo configurado na mesma através do SYSCON . O menor tempo obtido para o macro-cicloR foi de 670ms. Levando-se em consideração que o HYSYS atualiza as suas equações para o Step Size de 0.5 em um intervalo de tempo muito menor que o macro-ciclo definido na rede, o controlador implementado na rede não consegue atuar de forma tão eficaz, porque vários dados são perdidos tanto na leitura como na escrita de variáveis no HYSYS pela rede.

A figura 6.11.(b) mostra a supervisão realizada na Estação de Configuração/Supervisão do nível do acumulador utilizando o software Elipse SCADA. A escala de tempo presente nessa figura, agora é real e portanto, agora pode-se verificar o tempo que a simulação le- vou para rodar. Nesse gráfico também é possível observar o setpoint, não mais definido na Estação de Simulação. Os sinais supervisionados agora apresentam um comportamento mais ruidoso, mais característico de um processo real. Percebe-se então que a planta simulada está sendo supervisionada na "Estação de Configuração/Supervisão"como se a mesma fosse real.

6.1. TESTES REALIZADOS 65

(a) Estação de Simulação - gráfico plotado no HYSYS

(b) Estação de Configuração/Supervisão - gráfico plotado no Elipse SCADA

Dans le document L'accès des Chinoises au microcrédit en zone rurale et périurbaine (Page 110-120)