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

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

2 AQUISIÇÃO DE DADOS

3 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 ;

4 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;

5 Conceitos

6 Conceitos Sensor Entrada analógica Condicionador de sinal Circuito sample e hold Conversor D/A Sequenciador programador Registrador Computador Circuito de controle Buffer de saída Outras entradas analógicas Controle Multiplexador analógico

7 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;

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

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

10 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.

11 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 mAeletrônico 3 a 15 psipneumático

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

13 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.

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

15 Filtros Ativos Usam Amplificadores Operacionais Filtro passa-baixa ativoFiltro passa-alta ativo

16 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. + - Vo Vi R2 R1

17 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.

18 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; ff -¹f -¹ x y ff -¹f -¹ ΔPΔP z z=10 x Y=log10 x =x Z = Q 2 = k 2 ΔP

19 Linearizador Variável Saída (1) (3) (2) (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.

20 Multiplexação É a técnica de compartilhar sinais no tempo sinal analógico Decodificador de endereço Conversor A/D Canais de entradas analógicas Multiplexador sinal digital

21 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.

22 Multiplexador Analógico Dispositivo sample e hold 01 23 012 3 T Sinal multiplexado Sinal de controle Multiplexad or 4 canais Decodificador de endereço Sinal binário endereço canal Endereço Canal 00 0 01 1 10 2 11 3 Sinais de entrada 0 12 301 23 T Sinal sample e hold Hold Sample T/4 Chaves eletrônicas

23 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 EntradaSaída Acionador da chave Controle da amostra Capacitor

24 Conversor D/A -V +V G Conversor Digital para Analógico (D/A) VoVo VRVR Tensão de saída analógica aoao a1a1 a2a2 a n-1 anan...... 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 ;

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

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

27 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: –Tensão para freqüência; –Simultânea; –Rampa; –Aproximação sucessivas. -V +V G Conversor Analógico para Digital (A/D) ViVi Comandos, como finalizar conversão, começar conversão, ler Linhas de saída paralelas bnbn b n-1 b2b2 b1b1...... VRVR

28 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 Gerador de Pulsos Contador Display digital Pulso

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

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

31 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 analógicaSaída digital 0 a V/4 00 V/4 a V/2 01 v/2 a 3V/4 10 3V/4 a V 11

32 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: 1/2 10 =1/1024=0.0976%

33 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;

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


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