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CONTROLE PID DE TEMPERATURA COM INTEGRAÇÃO DE DADOS EM REDE, Teses (TCC) de Sistemas de Controle Avançados

Este projeto consiste em desenvolver um sistema elétrico-eletrônico para realizar o controle de temperatura de uma resistência elétrica.

Tipologia: Teses (TCC)

2023

Compartilhado em 02/04/2023

joao-rocha-eo4
joao-rocha-eo4 🇧🇷

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LUANA NUNES DA SILVA
CONTROLE PID DE TEMPERATURA COM
INTEGRAÇÃO DE DADOS EM REDE
CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
FLORIANÓPOLIS, DEZEMBRO DE 2018
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Baixe CONTROLE PID DE TEMPERATURA COM INTEGRAÇÃO DE DADOS EM REDE e outras Teses (TCC) em PDF para Sistemas de Controle Avançados, somente na Docsity!

LUANA NUNES DA SILVA

CONTROLE PID DE TEMPERATURA COM

INTEGRAÇÃO DE DADOS EM REDE

CÂMPUS FLORIANÓPOLIS

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA

BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA

FLORIANÓPOLIS, DEZEMBRO DE 2018

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA

CATARINA

CÂMPUS FLORIANÓPOLIS

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA

BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA

LUANA NUNES DA SILVA

CONTROLE PID DE TEMPERATURA COM INTEGRAÇÃO DE DADOS

EM REDE

Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Bacharel em Engenheira Mecatrônica Professor Orientador: Valdir Noll FLORIANÓPOLIS, DEZEMBRO DE 2018.

A todos aqueles qυе dе alguma forma estão е estiveram próximos a mim, fazendo cada vez mais tudo valer а pena.

A educação é a arma mais poderosa que você pode usar para mudar o mundo. (Nelson Mandela)

RESUMO

Este projeto consiste em desenvolver um sistema elétrico-eletrônico para realizar o controle de temperatura de uma resistência elétrica. O modo de medir a temperatura será por termopar tipo K. O controle de temperatura será por meio da implementação de um controlador do tipo PID, cuja ação de controle será um comando PWM, através do microcontrolador ESP8266, na plataforma NodMCU. O software para acionar uma resistência elétrica e realizar o controle da temperatura será feito através de uma plataforma na WEB (uma página HTML), tentando utilizar os conceitos de internet das coisas. Nessa interação, o usuário também receberá informações da temperatura atual e do seu histórico, podendo configurar e acompanhar e o desenvolvimento do controle por meio da temperatura medida. O controlador desenvolvido permite alterar o valor de referência para o controle e ligar/desligar a ação de controle. Além disso, permite visualizar graficamente o comportamento da temperatura e do valor da ação de controle. Os resultados alcançados mostram que o gerenciamento remoto é uma boa ferramenta para administrar sistemas de controle que não exigem velocidades de respostas muito rápidos, tais como o controle de temperatura. Palavras-Chave : Gerenciamento Remoto. Controle PID. ESP8266. NodeMCU. Internet das Coisas.

LISTA DE FIGURAS

SUMÁRIO

  • Figura 1 - Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberta
  • Figura 2 - Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada
  • Figura 3 - Esquemático simplificado do AD620
  • Figura 4 - Esquemático operacional do AD620
  • Figura 5 - Placa reguladora de tensão 24V-5V..........................................................
  • Figura 6 - Protótipo inicial
  • Figura 7 - Placa com amplificador de instrumentação AD620
  • Figura 8 - Esquemático da placa do AD620
  • Figura 9 - Plataforma NodeMCU
  • Figura 10 – Arduino IDE
  • Figura 11 - Leitura do AD em malha aberta
  • Figura 12 - Gráfico da Relação da Temperatura do Termopar Tipo K
  • Figura 13 - Temperatura em Malha Aberta
  • sistema Figura 14 – Gráfico em malha aberta, obtido através do levantamento de pontos do
  • Figura 15 - Gráfico Método Ziegler - Nichols
  • Figura 16 - Gráfico Método Smith
  • Figura 17 - Gráfico Método Sundaresan & Krishnaswamy
  • Figura 18 - Comparação dos Métodos com Curva Real
  • Figura 19 - Controladores com melhores resultados com a curva em malha aberta
  • Figura 20 - Curva em malha fechada com coeficientes calculados...........................
  • Figura 21 - Código de programação -
  • Figura 22 - Código de programação -
  • Figura 23 - Código de programação -
  • Figura 24 - Código de programação -
  • Figura 25 - Código de programação -
  • Figura 26 - Código de programação -
  • Figura 27 - Timers
  • Figura 28 - Código de programação -
  • Figura 29 - Código de programação -
  • Figura 30 - Código de programação -
  • Figura 31 – Ambiente de desenvolvimento Node-RED
  • Figura 32 - Nó de requisição HTTP
  • Figura 33 - Exemplo de parametrização de interface gráfica
  • Figura 34 - Página HTML desenvolvida ( dashboard )
  • Figura 35 - Valor de referência de temperatura no dashboard
  • Figura 36 – Inicia e Desliga Controle no dashboard
  • Figura 37 - Gráfico de temperatura do dashboard
  • Figura 38 - Gráfico do valor de controle do dashboard
  • Figura 39 – Protótipo finalizado
  • Figura 40 - Resultados da malha fechada
  • 1 INTRODUÇÃO
  • 1.1 Justificativa
  • 1.2 Definições do problema
  • 1.3 Objetivo geral
  • 1.4 Objetivos específicos
  • 2 PRINCIPAIS CONCEITOS
  • 2.1 Acesso remoto
  • 2.2 Controlador PID
  • 2.2.1 Controle Proporcional (P)
  • 2.2.2 Controle Proporcional-Integral (PI)
  • 2.2.3 Controle Proporcional-Derivativo (PD)
  • 2.2.4 Controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID)
  • 2.3 Transdutor de temperatura
  • 3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA
  • 3.1 Materiais e componentes utilizados
  • 3.1.1 Placa Reguladora de Tensão 24V-5V........................................................
  • 3.1.2 Desenvolvimento do Hardware
  • 3.1.3 Plataforma utilizada
  • 3.1.4 Interface de programação do NodeMCU
  • 3.2 Controlador pid
  • 3.2.1 Levantamento da curva em malha aberta
  • 3.2.2 Controlador PID.........................................................................................
  • 3.3 Software
  • 3.3.1 Software embarcado
  • 3.3.2 Página de Gerenciamento WEB................................................................
  • 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
  • 5 CONCLUSÃO.........................................................................................................
  • REFERÊNCIAS

1. 1 JUSTIFICATIVA

A comunicação de dados sem fio tem se tornado, cada vez mais, alvo de estudos e implementações práticas no meio industrial, por permitir ter acesso aos dados de maneira simples, intuitiva. Mantém-se, também, esses dados em banco de dados de maneira automática, permitindo a análise posterior do comportamento de sistemas industriais. É fato que o uso de comunicação de dados sem fio tem crescido no meio industrial, especialmente com o advento da Industria 4.0, sendo, portanto, alvo de estudos e pesquisas nessa área. Também é notório que o problema de controle de temperatura é um dos mais importantes tipos de controle realizados atualmente, pois em quase todas as plantas industriais há a necessidade de se medir e controlar a temperatura de algum processo. Um exemplo, o controle de fornos na indústria metal-mecânica para o forjamento de metais, o cozimento de alimentos na indústria alimentícia, o controle de temperatura na fabricação de polímeros usados na indústria química, dentre outros exemplos. Aliando-se esses dois aspectos, monitorar e controlar a temperatura por meio de uma interface WEB se torna um importante trabalho, no sentido de controlar um processo clássico, e de monitorar em tempo real o seu comportamento por meio de um aplicativo WEB , podendo, inclusive, agir no sentido de desligar e alterar variáveis de controle sem estar próximo à planta. Nesse sentido, justifica-se desenvolver um trabalho de conclusão de curso nessa importante área, além de fornecer conhecimentos práticos importantes para um futuro engenheiro mecatrônico.

1.2 DEFINIÇÕES DO PROBLEMA

Conforme exposto na justificativa, este projeto visa monitoramento e controle de temperatura por meio de uma interface WEB. Para demonstrar os princípios de funcionamento, propõem-se controlar a temperatura de uma resistência elétrica utilizada em ferro de passar roupa, conectada à um relé de estado sólido e a uma fonte de tensão de corrente alternada. O relé de estado sólido é uma chave eletrônica que recebe um sinal de controle da plataforma de controle, que, além de controlar a temperatura, também envia informações à rede ethernet sem fio, para serem analisadas e informadas numa página WEB. Para realimentar o sistema de controle PID, tem-se um sensor de temperatura do tipo termopar, tipo K, fixado à mesma superfície que a resistência, e um amplificador de instrumentação que recebe o valor do termopar, amplifica, e envia para o conversor ADC, para a conversão de temperatura analógica em digital. Esses dados digitais servirão de base para o controle e monitoramento da temperatura. Por fim, deve-se realizar uma interface gráfica que permita ao usuário interagir com o sistema proposto, de maneira simples e funcional, alterando alguns parâmetros de controle e monitorando a temperatura. 1.3 OBJETIVO GERAL Desenvolver o controle PID da temperatura de um sistema de medição de temperatura e gerenciar esse sistema por meio de um acesso à internet sem fio.

2 PRINCIPAIS CONCEITOS

Para compreender o funcionamento da eletrônica presente no projeto, é necessário o entendimento das tecnologias empregadas. Como o projeto proposto visa desenvolver um sistema de gerenciamento remoto de temperatura, através de um controlador PID numa plataforma que possibilita a comunicação sem fio, é necessário apresentar os principais conceitos utilizados no desenvolvimento deste projeto. 2.1 Acesso remoto O acesso remoto é uma ferramenta a qual possibilita que o usuário de um determinado sistema possa interagir com ele à distância - isto é, longe fisicamente do sistema determinado. O gerenciamento remoto, então, permite controlar e monitorar esse sistema à distância. Para utilizá-lo, é necessária a conexão com dispositivos externos que permitam a comunicação sem fio (PANORAMA POSITIVO, 2018). A comunicação sem fio, por sua vez, é uma tecnologia que permite a transmissão de dados entre dispositivos sem a necessidade de um cabo ou fio entre eles, basta que os mesmos estejam conectados a uma mesma rede. Tais tecnologias têm sido amplamente empregadas em diferentes áreas como, por exemplo, as redes de telefonia celular, a transmissão de dados via satélite e, sobretudo, as redes sem fio com abrangência local, classificadas como Wireless LAN, também conhecidas como redes Wi-Fi , presentes em ambientes residenciais e corporativos (BOBAK, 2001). Através de rede wi-fi , pode-se realizar esse gerenciamento remoto de um determinado sistema. O sistema aqui proposto possui uma resistência elétrica, a qual receberá um sinal para realizar seu aquecimento, e quem enviará esse sinal, será o controlador PID, que receberá o valor da temperatura em tempo real.

2.2 Controlador PID O controlador PID, ou simplesmente PID, é uma técnica de controle de processos que une as ações derivativa, integrativa e proporcional, fazendo, assim, com que o sinal de erro seja minimizado pela ação do proporcional, zerado pela ação integral e obtido com uma velocidade antecipativa pela ação derivativa. Para realizar a modelagem do processo, é necessário obter a curva em malha aberta do sistema. Após realizado o modelo do processo, é possível realizar os cálculos necessários para o controle. Os sistemas de controle de malha aberta são aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma ação de controle no sistema, neles o sinal de saída não é medido nem utilizado para realimentação do sistema para comparação com a entrada conforme a Figura 1 (OGATA, 20 11 ). Figura 1 - Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberta Fonte: OLIVEIRA ( 1999 ). Já no controle em malha fechada, o sinal de saída possui um efeito direto na ação do controle e é designado por um sistema de controle com realimentação. Neste tipo, o sinal de erro que corresponde à diferença entre os valores de referência e de alimentação, é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e a manter a saída do sistema num determinado valor pretendido pelo usuário (OGATA, 2011). A Figura 2 representa este processo.