SUPERVISO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof Andr

SUPERVISÃO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

AQUISIÇÃO DE DADOS

Conceitos § É a coleta de informações para fins de armazenamento e uso posterior, como análise dos dados e conseqüente controle e monitoração do processo; § Nas aplicações industriais, a aquisição de dados deve ser em tempo real, ou seja, o sistema deve ter a habilidade de coletar os dados ou fazer uma tarefa de controle dentro de uma janela aceitável de tempo ;

Conceitos § Os elementos básicos de um sistema de aquisição de dados são: § § § Sensores e transdutores; Cabeamento de campo; Condicionadores de sinal; Hardware para aquisição de dados; PC (sistema operacional) Software para aquisição de dados;

Conceitos

Conceitos Entrada analógic Sensor a Condicionad or de sinal Multiplexad or analógico Conversor D/A Outras entradas analógica s Sequenciador programador Contro le Registrad or Circuito sample e hold Buffer de saída Computad or Circuito de controle

Sensores/Transdutores § Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia ou quantidade física em outra, de acordo com uma relação definida; § Quando o transdutor é o elemento sensor que responde diretamente à quantidade física a ser medida, o transdutor é referido como sensor;

Transdutores Mensurand o (não elétrica) Sensor Saída (elétrica) Alimentação (se necessária) § Em sistemas de aquisição de dados os transdutores (sensores) convertem um sinal nãoelétrico (pressão, temperatura, vazão, etc) em um sinal elétrico proporcional. § Poder ser: ü Ativos: requerem fontes externas de alimentação. Ex: termopares, opto eletrônicos; ü Passivos: não requerem. Ex: fotovoltaicos, piezoeléticos, termoelétricos.

Transdutores § Características: Ø Exatidão: erro entre valor exato e valor medido; Ø Sensibilidade: variação da saída em função da variação da entrada; Ø Repetitibilidade: proximidade de duas medidas do mesmo valor de entrada; Ø Faixa (Range): faixa entre os valores máximo e mínimo da medida;

Condicionadores de Sinal § Fazem alterações necessárias nos sinais analógicos gerados pelos sensores antes que sejam introduzidos no sistema de aquisição de dados. Tipos: § § § Transmissor; Buffer; Filtro; Amplificador; Conversor; Linearizador.

Transmissor § Possui as funções de: § Padronizar o sinal, proporcionando uma padronização dos instrumentos e interfaces receptoras; § Isolar o sinal do processo do sistema receptor § Levar a informação para locais remotos, sem corrupção ou deformações; § Padrões: § 4 a 20 m. A § 3 a 15 psi eletrônico pneumático

Buffer § Impede o efeito de carga de um circuito em outro. 10 W + 10 W 10 V Fonte Sem buffer Buffer Com buffer Carga

Filtros § Os ambientes industriais introduzem muitos sinais de interferência espúrios, que afetam o desempenho do sistema, no mínimo, introduzindo grandes erros nos valores das medições; § Estes sinais indesejáveis são chamados genericamente de ruído; § Podem ser provocados por transformadores, motores elétricos (principalmente partida), disjuntores, chaves, linha de alimentação (60 Hz ou 400 Hz) e outros dispositivos que tenham transiente de tensão.

Filtros § Eliminam ou atenuam determinadas freqüências dos sinais; § Podem ser ativos (amplificadores operacionais) ou passivos. R d. B Frequência de Corte (atenuação >3 d. B) Vi Filtro passa-baixa C Vo fc d. B=20 log(Vo/Vi)

Filtros Ativos § Usam Amplificadores Operacionais Filtro passa-baixa ativo Filtro passa-alta ativo

Amplificador § Altera o nível ou amplitude do sinal; § A atenuação pode ser conseguida através de divisores de tensão (resistores em série); § A amplificação requer dispositivo ativo, como transistor com o amplificador operacional. R 2 R 1 + Vi Vo

Conversor de Sinal § Geralmente converte a variação de um parâmetro elétrico em uma variação proporcional de outro parâmetro. § Exemplos: § corrente (usada em transmissão) para tensão (usada localmente); § tensão em freqüência; § resistência em tensão ou corrente.

Linearizador § A saída do sensor pode ser linearizada usando um amplificador que tenha ganho que seja uma função matemática inversa de sua entrada, fornecendo assim uma saída linear; z=10 x x f f -¹ ΔP f f -¹ y Y=log 10 x=x z Z = Q 2 = k 2 ΔP

Linearizador Saída (2) (3) (1) Variável (1) Curva de transferência do sensor, mostrando a relação não linear entre variável e saída do sensor (2) Curva de transferência do linearizador entre saída e entrada (3) Curva final linearizada, mostrando relação linear entre saída do linearizador e variável medida.

Multiplexação § É a técnica de compartilhar sinais no tempo Multiplexa dor Canais de entradas analógicas sinal analógic o Decodificador de endereço Conversor A/D sinal digital

Multiplexador Analógico § Conjunto de chaves paralelas ligadas a uma linha de saída comum; § As chaves podem fechar-se sequencialmente ou aleatoriamente; § A saída de um MUX é uma série de amostras, tomadas de diferentes sinais de medição em diferentes tempos.

Multiplexador Analógico Chaves eletrônicas DT DT 012 3 0 1 23 Sinal multiplexado Multiplexad or 4 canais Sinais de entrada Decodificad or de endereço Sinal binário endereço canal DT/4 01 23 Dispositivo sample e hold Sample Hold Sinal sample e hold Sinal de controle Endereço Canal 00 0 01 1 10 2 11 3

Circuito Amostrador/Segurador § Em geral, a amplitude do sinal analógico varia continuamente com o tempo; § O sample and hold garante que o sinal permaneça constante durante a conversão A/D. Chave Entrada Saída Acionador da chave Controle da amostra Capacitor

Conversor D/A § § Geralmente o conversor digital para analógico (D/A) é um sub-circuito do conversor analógico para digital (A/D); Os tipos principais de conversor D/A são: § amplificador somador de tensão; § circuito com resistor ponderado binário; VR ao a 1 a 2. . . Conversor Digital para Analógico (D/A) an-1 an +V G -V Vo Tensão de saída analógica

Amplificador Somador de Tensão R 2=2 R 1 Conversor D/A de 2 bits

Amplificador R-2 R • Utiliza resistores de 2 valores; • A resistência de qualquer nó para o terra e para um terminal de entrada é 2 R. Rf 2 R MSB R Bit 2 R R 2 R + R 2 R LSB 2 R Vo Tensão saída MSB V/2 2 o MSB V/4 3 o MSB V/8 4 o MSB V/16 5 o MSB V/32 6 o MSB V/64 7 o MSB V/128 8 o MSB V/256 9 o MSB V/512 LSB V/1024

Conversor A/D • Há vários métodos para esta conversão, diferindo na precisão, custo, taxa de conversão e suscetibilidade ao ruído. • As quatros técnicas principais são: Comandos, como – Tensão para freqüência; finalizar conversão, começar conversão, – Simultânea; ler – Rampa; b b – Aproximação sucessivas. Conversor n n-1 Vi Analógico para Digital (A/D) . . . Linhas de saída paralelas b 2 b 1 VR +V G -V

Conversor Tensão para Freqüência • Converte uma tensão de entrada analógica em uma forma de onda periódica, com uma freqüência que é diretamente proporcional à tensão de entrada; • A base da conversão tensão para freqüência é um oscilador com tensão controlada muito linear; • O oscilador com tensão controlada deve ser projetado de modo que a relação entre a freqüência de saída e a tensão de entrada seja constante. Oscilador com tensão controlada Contad or Pulso Gerador de Pulsos Display digital

Conversor A/D tipo Rampa Controle Tensão de entrada analógica + Contador binário - Display digital Clock Tensão de referência Conversor D/A escada binária OBS: O tempo de conversão está diretamente relacionado com a amplitude da tensão de entrada

Conversão A/D por Aproximações Sucessivas • O sistema começa habilitando os bits do conversor D/A um por vez começando pelo mais significativo. Se vda > vi o bit é setado para zero, caso contrario é setado para 1; • Ex: 3 bits, sendo vi =3 v Vi Vda + 111 Comparador de tensão - 110 Saída de tensão do Conversor D/A MSB 101 Saída paralela 100 011 MSB Registro de Aproximação sucessiva Clock 110 101 110 Saída serial 010 001 OBS: O tempo de conversão depende do n˚ de bits 000

Conversor Simultâneo • São os mais rápidos conversores operando com taxas da ordem de dezenas de MHz; • É utilizado quando altas taxas de conversão com baixa resolução são requeridas; • Faz 2 n-1 comparações simultâneas; Entrada analógica Saída digital 0 a V/4 00 V/4 a V/2 01 v/2 a 3 V/4 10 3 V/4 a V 11

Resolução da Conversão • É a menor variação de tensão de entrada que produz variação na saída. É o menor valor detectado em uma medida; • Depende do número de bits; • Um conversor com n-bits tem 2 n possíveis saídas e a resolução é 1/2 n; • Ex: n=10 bits Resolução: 1/210=1/1024=0. 0976%

Erro de Quantização • Como o conversor A/D pode representar uma voltagem de entrada em uma resolução finita de 1 LSB, o erro máximo é de ±½ LSB;

Erro de Quantização • Pode haver desvios do erro de quantização: – Erro de offset; – Erro de ganho;