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Emulação de Sistema de Controle PID para Variáveis Industriais
Para que serve isso?
A aplicação de emulação de um sistema de controle PID para variáveis industriais tem como objetivo principal possibilitar a emulação de um sistema de primeira ordem no domínio de Laplace, juntamente com um controle PID, para realizar os respectivos testes e análises de comportamento sobre uma variável a ser controlada em uma planta.
A aplicação foi projetada no ambiente Studio 5000 Logix Designer, na linguagem de Function Blocks, onde foi construído o ambiente que emula o sistema de primeira ordem no domínio de Laplace, seu controle PID e um ambiente de perturbações, todos integrados considerando os principais critérios de trabalho para esses testes de controle de variáveis-chave em ambientes industriais. Para esta aplicação, existe a opção de trabalhar com controle via meio digital utilizando o FT Logix Echo, ou, alternativamente, conectá-la ao nosso PC/Laptop, realizando o download do respectivo programa em um controlador físico disponível. Nesta primeira versão da aplicação, o foco estará no monitoramento por meio das gráficas geradas pela emulação de todo o sistema, com as variáveis de controle e de processo que o usuário desejar trabalhar.
Observação: você precisará concordar com os Termos e Condições de cada download.
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Isso é útil para mim?
Existem muitas variáveis industriais que respondem da mesma forma observada no sistema proposto na aplicação: Temperatura, Pressão (com a qual será trabalhada a explicação e o exemplo de uso), Velocidade, Nível, etc. É bastante prático trabalhar com a modelagem desses sistemas de primeira ordem, principalmente devido à sua simplicidade matemática (facilitando o projeto dos controladores PID), à tolerância adequada de aproximação e à fácil identificação de seus parâmetros e coeficientes.
A aplicação se tornará uma ferramenta de grande utilidade para equipes de controle e automação de plantas, integradores e demais atores relevantes em sistemas de controle industrial, pois permitirá a realização dos ensaios necessários para identificar a melhor forma de controlar essas variáveis-chave dos sistemas. Por exemplo, será possível identificar em quanto tempo a planta se estabiliza de acordo com as variáveis de cada processo específico. Tudo isso antes dos testes realizados em campo e da entrada em operação do sistema.
Esse tipo de aplicação é importante porque permite que os usuários a construam e ajustem de forma que se torne uma ferramenta prática de capacitação tecnológica para uso com seus próprios equipamentos e, claro, como ambientes para determinados testes técnicos de conceito que facilitem o desenvolvimento de projetos futuros.
Como posso fazer funcionar?
| item | Requisito | versão |
|---|---|---|
| 1 | Studio 5000 Logix Designer | 37.01 ou superior |
| 2 | FactoryTalk Logix Echo | 3.00 ou superior |
| 3 | OPCIONAL – Controlador Rockwell (CompactLogix, ControlLogix) | É possível realizar o teste do sistema com um controlador Rockwell conectado ao ambiente de programação do Studio 5000 |
Conhecimentos Práticos Requeridos
Conhecimentos básicos de programação e configuração no software Studio 5000 Logix Designer e FT Logix Echo, além de conhecimento em funcionalidade e parametrização de controladores Allen‑Bradley.
Conhecimentos Teóricos Requeridos
- Sistemas de primeira ordem no Domínio de Laplace
Um sistema de primeira ordem possui uma função de transferência típica da forma:
Esse tipo de sistema responde de forma exponencial a uma entrada em degrau, sem oscilações e com uma única constante de tempo.
- Controlador PID - O controlador PID possui três componentes:
- Como interagem o PID e o sistema de primeira ordem
Quando um PID é conectado a um sistema de primeira ordem, o objetivo é modificar a resposta do sistema para que atenda a certos critérios de desempenho, como:
- Tempo de resposta mais rápido.
- Menor sobre-elevação.
- Eliminação do erro em regime permanente.
- A função de transferência do sistema em malha fechada torna-se:
Links of Interest (internal or external) - Function Block Properties Dialog Box - General Configuration Tab Overview (PIDE)
Guia de instalação
Para implementar, verifique os passos a seguir.
Passo 01
Habilitar o controlador emulado no FT Logix Echo
(Opcional) Conexão do controlador ao PC/Laptop.
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Adicionar o controlador e, posteriormente, atribuir um endereço IP para a respectiva conexão no ambiente do Studio 5000.
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Passo 02
1 - Baixar o arquivo da aplicação → APP_Innovation_Center_PID_First_Orden.ACD
2 - Abrir no Studio 5000 Logix Designer.
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture2
3 - Apontar o projeto/programa para o controlador iniciado no FT Logix Echo,
- Identificando-o pela função Who Active do Studio 5000.
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture3
- Realizar a conexão correta com o controlador emulado e fazer o download do programa no respectivo controlador.
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture4
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Passo 03
Validação dos blocos funcionais do programa e entendimento do uso do mesmo.
No exemplo em execução no arquivo, foi emulada uma planta com seu sistema de controle, onde as duas principais variáveis de processo são: Pressão – Variável de Processo (que atuaria, por exemplo, por meio de uma bomba) juntamente com um sistema de controle liderado pelo controlador Allen-Bradley (ControlLogix), além de outro dispositivo que opera com base na Frequência – Variável de Controle (como por meio de um variador).
Em resumo, o sistema controlaria uma bomba utilizando a frequência controlada pelo inversor de frequência para estabilizar o nível de pressão no sistema.
O sistema de programa completo consiste em três partes fundamentais:
- Bloco de Laplace de Primeira Ordem
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture5
Este bloco compreende a operação no sistema do sistema linear de primeira ordem no domínio de Laplace, que emulará o que será desenvolvido como a Variável de Pressão dentro do sistema (assim como a equação está estruturada na documentação da seção anterior).
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Passo 04
As variáveis no gráfico anterior são aquelas que precisam ser definidas nesta seção do programa, o ganho estático do sistema, Kp, e a constante de tempo (τ) são definidos pelos valores aproximados previamente estabelecidos para esta equação.
Por exemplo, o valor de 1000 ms na constante de tempo é definido pelo tempo aproximado de acomodação do sistema de primeira ordem. Funcionalmente, com 100% da capacidade da aplicação, podemos calcular o ganho estático aproximado do sistema:
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_formula5.jpg
A variável "IN" é definida como a saída do sistema de controle em um valor de frequência específico, que é então alimentada neste bloco após ser totalmente processada pelo sistema.
Por outro lado, a variável "OUT" é a saída do sistema na forma de pressão, que então interage com as perturbações do sistema para completar o processo e retornar ao controlador PID.
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture7.jpg
- Bloco de Distúrbios
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Passo 05
Este segmento da aplicação é composto por diversos blocos de funções matemáticas para criar um modelo que aproxime a intervenção no sistema de "perturbações". No gráfico anterior, são mostrados quatro blocos de funções matemáticas. O primeiro, no canto superior esquerdo, é o bloco Número Aleatório, que gera um número aleatório de 0 a 32000 periodicamente a cada 5 segundos — ou seja, estamos emulando uma perturbação que "afeta" nosso sistema com essa frequência de recorrência. Os blocos DIV e MUL são usados para converter esse número gerado anteriormente em uma porcentagem antes de entrar no bloco MUL. O objetivo é limitar essa porcentagem à perturbação máxima que definimos para o sistema emulado, que seria 5 - 0,5 (como mostrado na imagem na fonte B do bloco).
Finalmente, o bloco SUB (Subtrair) representa o efeito da perturbação na pressão que atua na saída da bomba e como ela se comporta de forma geral no sistema, fazendo com que a saída desse bloco seja a representação geral da pressão que servirá como feedback e fechamento do circuito que chega ao nosso próximo bloco, o Bloco Controlador PID.
- Bloco Controlador PID
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Passo 06
Este último bloco da aplicação é responsável pelo controle do sistema, visto que o respectivo bloco de função destina-se a trabalhar com um controlador PID; as configurações a serem definidas no bloco de controle são fundamentais para o correto desenvolvimento da aplicação.
- As principais variáveis de entrada para entender a operação do bloco são:
- PV = Valor do Processo, onde é inserida a saída total do sistema que fecha o laço. Esta é a pressão no final do modelo, incluindo a interação com as perturbações.
- Ponto de ajuste (SPProg) = Aqui, é definido o parâmetro de ponto de ajuste de pressão que desejamos alcançar com nosso sistema de controle.
- CVProg = Variável de Controle. Quando selecionamos o modo manual, podemos usar este campo de variável para definir, por exemplo, neste caso, a frequência na qual desejamos observar a resposta e o comportamento do sistema de controle.
- ProgProgReq = Esta variável é necessária para configurar o bloco de controle para funcionar no modo automático de acordo com as outras configurações ajustadas no sistema. Para deixá-lo no modo automático, deve ser definida como bit "1".
O Modo Manual (ProgManualReq) é a variável usada para definir o modo de operação do bloco, permitindo a operação manual. Semelhante à variável anterior, esta variável deve ser definida com o bit "1" para ativar o Modo Manual. Além disso, este modo só será ativado se os outros modos de programação estiverem definidos com o bit "0".
- As principais variáveis de saída para entender o funcionamento do bloco são:
- CV = Esta variável é refletida principalmente quando o bloco PID está operando no modo manual, pois define a porcentagem de saída da próxima variável de controle (CVEU) que está sendo usada pelo sistema, que neste exemplo é a frequência. O usuário define a frequência de acordo com sua necessidade.
- CVEU = Esta variável refletirá o valor da variável de controle definida após os cálculos e configurações internas dos parâmetros do bloco. Consequentemente, a saída desta variável será em termos de frequência, que será então usada como entrada para o bloco Laplace para continuar o processo geral.
- As principais variáveis de entrada para entender a operação do bloco são:
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Passo 07
Em seguida, acessamos as propriedades do bloco PID para identificar as seleções feitas para configurar este bloco de controle e sua resposta ao sistema.
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Na primeira vez que usar o bloco de controle PID, você precisa executar o processo de Autotune (isso deve ser feito no Modo de Execução – modo controlador), pois é essencial para calcular os ganhos do sistema (que não foram calculados anteriormente – foram ocultados na imagem para maior clareza) e outras características do bloco de controle que operarão no modo automático (ProgProgReq=1). Para isso, acesse as propriedades do bloco (Propriedades – veja a imagem anterior) e faça as seleções apropriadas de acordo com suas necessidades específicas.
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Passo 08
A primeira configuração relevante é o Modo de Temporização (1), que deve ser definido como periódico devido à operação da tarefa, conforme recomendado. Em seguida, temos a Ação de Controle (2). Neste caso, como o comportamento do controle é uma ação direta, a primeira das duas opções disponíveis é selecionada. Finalmente, a última escolha é como a variável de processo é calculada (3). Esta seleção é a normalmente utilizada para este tipo de sistema integrado.
A próxima aba no painel de Propriedades é Limites da Unidade de Controle (EU), onde devemos definir os intervalos para as variáveis-chave do sistema: PV (Variável de Processo) – pressão, neste caso, e CV (Variável de Controle) – frequência, neste caso. Os parâmetros mencionados anteriormente na documentação são definidos de forma que o valor máximo da pressão seja 5 bar e o valor máximo da frequência seja 60 Hz. Em seguida, os limites para a variável de controle CV são definidos, e a taxa de variação refere-se à porcentagem da saída do controlador em segmentos, conforme definido, de forma escalonada.
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Passo 09
Finalmente, acessamos o processo de Autotune na aba de mesmo nome. Nesta etapa, é necessário adquirir uma Tag quando o procedimento é executado pela primeira vez. Uma vez adquirida a Tag, os parâmetros de entrada do Autotune são definidos, começando pelo tipo de variável (Pressão), o limite máximo de mudança da variável de processo e, finalmente, o tamanho dos passos unitários com os quais o sistema de controle irá operar.
Em seguida, o processo é iniciado clicando no botão Autotune, com o objetivo de calcular os ganhos do controlador. É importante ressaltar que o módulo PID deve estar no Modo Manual para que o Autotune seja executado corretamente. Assim que o cálculo for concluído, o controlador deve ser alternado para o Modo Automático para entrar em operação. Essa mudança de modo é gerenciada pela Tag Manual_Mode.
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Para calcular os ganhos, basta pressionar o botão "Iniciar". O programa calcula usando três tipos de resposta (Lenta, Média, Rápida), e você deve escolher um para o seu sistema de controle. Em seguida, defina-o no sistema de controle usando o botão "Definir Ganhos no PIDE". A ideia é que, por meio da resposta gráfica exibida no Studio 5000, o usuário possa identificar qual dos tipos de resposta de ganho calculados é adequado para o seu sistema emulado.
Se precisar de mais informações ou explicações sobre o funcionamento dos respectivos blocos de programação usados no aplicativo, você pode consultar as seções de "Ajuda" de cada um, como a compartilhada na seção Links de Interesse desta documentação.
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Passo 10
Teste e execução de aplicativos
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Como mencionado anteriormente, para fazer as alterações e ajustes finais (Autotune), tivemos que trabalhar no modo "Rem Run" com o Studio 5000 e, continuando assim, o sistema em geral estaria totalmente operacional, restando apenas verificar a resposta do sistema de controle a toda a estrutura que o compõe, como perturbações.
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Paso 11
Ao executar o comando "Executar", podemos ver a resposta do sistema no gráfico, representando os quatro gráficos mais importantes: Amarelo (Frequência), Verde (Pressão), Vermelho (Perturbações) e Azul (Ponto de ajuste definido pelo controlador).
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Com o gráfico anterior, podemos identificar os principais comportamentos do nosso sistema, permitindo-nos emular e analisar o processo de controle e como o sistema responde a diferentes situações. Idealmente, isso visa gerar esses tipos de cenários de teste antes de implementá-los diretamente na planta, possibilitando ajustes e até mesmo progressos significativos. No gráfico, a área destacada dentro da caixa laranja concentra-se em um período de tempo em que o sistema recebe perturbações e como o nosso inversor de frequência (VFD) realiza as mudanças necessárias na frequência para estabilizar o sistema. Também podemos observar como a nossa variável de processo, "pressão", se ajusta em direção ao seu alvo de controle (ponto de ajuste – azul). Durante o período representado no gráfico, observamos as variações na perturbação e as mudanças em cada resposta, incluindo ajustes, estresse e outros comportamentos típicos desse tipo de sistema de variáveis industriais, comumente representados por sistemas lineares de primeira ordem no domínio de Laplace.
É importante lembrar que o exemplo implementado na aplicação visava emular um processo de controle de bomba, utilizando um inversor de frequência (VFD) e um motor como elementos de controle. No entanto, a aplicação foi projetada para que, como explicado inicialmente, possa emular situações com diferentes variáveis industriais que se comportam de maneira similar em sistemas de primeira ordem, como nível, temperatura, velocidade, etc. Todos os ajustes necessários para cada situação podem ser aplicados ao bloco de controle PID, conforme explicado na documentação.
Links of Interest (internal or external) - Function Block Properties Dialog Box - General Configuration Tab Overview (PIDE)
Emulação de Sistema de Controle PID para Variáveis Industriais
Versão 1.0 - Outubro de 2025