RailBee Sistema de instrumentação virtual de veículos em malhas metroferroviárias

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1 RESUMO RailBee Sistema de instrumentação virtual de veículos em malhas metroferroviárias O proposto sistema de instrumentação virtual de veículos em malhas metroferroviárias utiliza a transmissão de sinais via radiofreqüência, de acordo com protocolo de comunicação padrão internacional. Compõe-se de microprocessadores e um rádio transceptor, que, quando acoplados a sensores, captam e transmitem os dados em questão, funcionando como transdutores sem fio. Tratase de tecnologia modular de baixo custo, baixo consumo de energia, segura e capaz de monitorar diversas variáveis simultaneamente. É uma técnica inovadora no que se refere ao monitoramento e controle de veículos que circulam em vias permanentes, avaliando em tempo real o seu desempenho. Essa avaliação, por sua vez, pode auxiliar nas ações preventivas e corretivas de operação e manutenção dos veículos rodoferroviários, a fim de melhorar a qualidade dos serviços prestados. 1. INTRODUÇÃO Para otimizar o tempo e sanar as ocorrências durante a operação comercial das empresas do setor de transporte metroferroviário, torna-se necessário monitorar múltiplos fatores que medem o desempenho dos trens e tomar as decisões de forma rápida e segura. Há algum tempo, as dificuldades relativas encontradas para monitorar o desempenho em tempo real dos trens despertam o interesse de um bom número de pesquisadores. Daí a importância da implantação de um sistema de instrumentação virtual em malha metroferroviária, tendo em vista que possibilitará o monitoramento das principais informações dos trens em tempo real e oferecerá um conjunto de informações detalhadas sobre o movimento deles. As informações permitirão que os engenheiros e controladores de tráfego do Centro de Controle Operacional (CCO), bem como os engenheiros e técnicos do Centro de Informações da Manutenção (CIM), efetuem estratégias mais eficientes e em tempo real. A disponibilidade de informações para a gestão de engenharia de tráfego metroferroviário trará uma série de benefícios para a empresa. Alguns deles são: dinamismo, otimização e flexibilidade nos processos de planejamento e controle de tráfego dos trens; menor tempo de resposta às ações e aos procedimentos de rotina e eventos emergenciais, possibilitando decisões mais rápidas e confiáveis; dados, bem como alarmes, serão mostrados em tempo real nos consoles Operacionais e de Manutenção; comunicação precisa e padronizada entre o CCO e os trens, trazendo consistência nas informações à disposição dos Operadores do Trem; para o Controlador do CCO, uma visão unificada do trem, mesma visão do Operador do Trem; disponibilização de dados históricos para simulações e pesquisas de falhas. A crescente demanda de sistemas para a área de monitoramento e controle vem impulsionando, no decorrer dos últimos anos, pesquisas com o objetivo de ser desenvolvido um sistema eficiente, de fácil implementação e, principalmente, que apresente baixo custo. O advento do protocolo de comunicação por freqüência de rádio, de baixíssimo custo e consumo, viabilizou a criação do sistema de transmissão de sinais relativos à instrumentação, a partir de estudos realizados nessa área. 1

2 Este trabalho propõe uma técnica de instrumentação virtual de veículos rodoferroviários que trafegam em vias permanentes, o qual se apóia na propriedade com que o seu protocolo de comunicação padrão IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) reconhece a troca de sinais de uma Estação Rádio Móvel (ERM), instalada no trem, e uma Estação Rádio Base (ERB), instalada na estação de passageiros, via Estação Rádio Repetidora (ERR), instalada ao longo da via permanente (Cases, Subestações, etc.) ou diretamente entre si, preenchendo desde demandas de segurança até engenharia de tráfego. O trabalho apresenta as seguintes vantagens com relação ao estado da técnica atual: existe a possibilidade do aproveitamento da estrutura para outras aplicações de controle e monitoramento, utilizando os nós como transdutores sem fio; custos estimados de implementação e de manutenção relativamente mais baixos; seu protocolo de comunicação permite a utilização de milhares de nós em uma única rede, fenômeno observado unicamente pelo padrão proposto para esse tipo de aplicação; são capazes de distinguir vários veículos que estejam ao alcance de um nó, simultaneamente, viabilizando sua utilização como uma rede de localização formada por milhares de veículos. Uma rede de comunicação é realizada em função da área de abrangência, topologia e protocolo de comunicação utilizado. Quanto à abrangência, a rede de comunicação pode ser classificada em PAN (Personal Area Network), LAN (Local Area Network), CAN (Campus Area Network), MAN (Metropolitan Area Network) e WAN (Wide Area Network). Para esse trabalho, utilizaremos a CAN. A Rede CAN (Campus Area Network) interconecta as LAN dentro de um espaço geográfico bem definido, podendo ser considerada como uma MAN restrita a um campus universitário ou parque industrial. Para esse trabalho, utilizaremos a área de domínio da via permanente de tráfego de veículos rodoferroviários. Quanto à topologia, as redes podem ser classificadas em Estrela, Malha e Árvore. Neste trabalho, utilizaremos a classificação Malha. Nessa topologia a rede pode se ajustar automaticamente, tanto na sua inicialização como na entrada ou saída de dispositivos na Rede. A Rede se auto-organiza para otimizar o tráfego de dados. Com vários caminhos possíveis para a comunicação entre os nós, esse tipo de rede pode abranger, em extensão, uma ampla área geográfica. Os protocolos mais utilizados para comunicação de dados em radiofreqüência são o Protocolo Wi-Fi (IEEE ), o Bluetooth (IEEE ) e o ZigBee (IEEE ). Este último será utilizado como protocolo padrão neste trabalho. O ZigBee opera em três bandas de rádio conhecidas como ISM (Industrial, Scientifical and Medical), as quais estão isentas de licenciamento. Globalmente, corresponde à banda de 2.4GHz e ainda às bandas de 915Mhz (Estados Unidos) e 868 MHz (Europa). Consoante à banda, varia a taxa de transmissão possível: em 2.4GHz, podendo ser obtidas taxas de transmissão de 250kbps, com 16 canais disponíveis e alcance de transmissão em visada direta de 1600m. Os dispositivos ZigBee utilizam modulação chamada DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Outra característica importante é que o protocolo do ZigBee praticamente não limita o tamanho da rede, podendo utilizar mais de nós, enquanto o Bluetooth e o Wi-Fi possuem capacidade de 7 e 32 nós, respectivamente. 2

3 O protocolo ZigBee forma uma rede tipo malha, automática, dinâmica e com características de autocura. Ou seja, quando um dispositivo entra na área de abrangência da rede, ele automaticamente se conecta a um nó livre da rede. Se não houver nós livres na área de alcance do dispositivo, a rede se auto-organiza de forma a liberar um nó para a associação. Quando o novo dispositivo se associa à rede, ele expande o alcance da rede e passa a permitir a associação de outros dispositivos que não estavam ao alcance da rede. A característica de autocura permite que um determinado nó realize automaticamente as associações necessárias para garantir que todos os dispositivos da rede permaneçam operacionais. Numa Rede ZigBee, são identificados dois tipos de dispositivos: FFD (Full Function Device), Dispositivos de Funções Completas, e RFD (Reduced Function Device), Dispositivos de Funções Reduzidas. Utilizaremos o FFD neste trabalho. Numa topologia de Rede ZigBee, eles podem assumir o papel de Coordenador, Roteador ou mesmo de um Dispositivo Final. Dispositivos FFD podem se comunicar com quaisquer membros da Rede. No padrão ZigBee, existem três classes de dispositivos lógicos (Coordenador, Roteador e Dispositivo Final) que definem a Rede. O Coordenador (Coordenator) - Só pode ser implementado por meio de um dispositivo FFD. O Coordenador é responsável pela inicialização, distribuição de endereços, manutenção da Rede e reconhecimento de todos os nós, entre outras funções, podendo servir como ponte entre várias outras Redes ZigBee. O Roteador (Router) - Só pode ser implementado por intermédio de um dispositivo FFD. Tem as características de um nó normal na Rede, mas com poderes extras de também exercer a função de roteador intermediário entre nós sem precisar do Coordenador. Por meio de um roteador, uma Rede ZigBee pode ser expandida e, assim, ter mais alcance. O Dispositivo Final (End Device) - É onde os atuadores ou sensores serão hospedados. Pode ser implementado utilizando-se um dos dispositivos FFD ou RFD. Para este trabalho, utilizaremos os três dispositivos lógicos. Quanto aos modos de operação da Rede ZigBee Beaconing e Non-Beaconing, utilizaremos o Non-Beaconing. Desse modo, a maioria dos nós dispositivos da Rede permanecem sempre com seus receptores ativos. Nesse sentido, objetiva-se com este trabalho a aplicação da tecnologia do protocolo de comunicações ZigBee, baseado no padrão IEEE para telemetria, via radiofreqüência, no sistema de instrumentação virtual de veículos em malha metroferroviária, monitorando os dados dos veículos como velocidade real do trem e pressão média nas bolsas de ar. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O sistema de telemetria de sinais dos trens proposto é composto de três tipos de módulos (figura 1): a estação rádio móvel, programada como Dispositivo Final, a estação rádio repetidora, programada como Roteador, e a estação rádio base, programada como Coordenador. As estações rádio móveis realizam a aquisição, o tratamento, a digitalização e a transmissão dos sinais do trem para a estação rádio base, diretamente ou por intermédio das estações rádio repetidoras. A estação rádio base é responsável pelo gerenciamento da rede de comunicação das estações rádio móveis com o computador (figura 2). 3

4 ERR Cases, SSR, CSP RF Roteador ERB Estação de Passageiros RF Coordenador ERM TUE CCO Sistema de Aquisição de dados RF Dispositivo Final Sensor Sinal de Velocidade Sensor Sinal de Pressão Fibra óptica Sinal RF Fio metálico Figura 1: Diagrama em blocos do sistema proposto. Figura 2: Sistema proposto de telemetria com os três tipos de módulos ZigBee. 4

5 Estação Rádio Móvel (ERM). É constituída do sistema do módulo placa base do ZigBee, do módulo RF ZigBee Pro, programado como dispositivo final, da antena, da fonte de alimentação e do módulo transdutor de sinais para aquisição de dados. A ERM será instalada no armário da cabine do Trem Unidade Elétrica (TUE), sendo o circuito alimentado por uma fonte de 220Vac-110Vac / 9Vcc, enquanto a antena ficará instalada na parte superior da caixa do TUE, próximo à máscara, interligada ao módulo ZigBee Pro com cabo RF. O TUE é composto por 4 (quatro) carros, sendo 2 carros-motor e 2 carros-reboque. Cada cabine do TUE contém 3 (três) armários, onde são instalados componentes elétricos e eletrônicos de comando e controle, bem como grande parte da fiação dessa unidade. O módulo da ERM será instalado no armário esquerdo da cabina (AEC). O cabeamento do módulo será conectado nas réguas terminais de fiação localizadas no armário direito do salão (ADS) situado no salão de passageiros do carro-motor. O ADS corresponde à extensão do AEC. Estação Rádio Repetidora (ERR). Compõe-se do sistema do módulo da placa base do ZigBee, do módulo RF ZigBee Pro programado como roteador, da antena e da fonte de alimentação. Serão instalados nos armários de sinalização de via (cases), nas Cabines de Seccionamento e Paralelismo (CSP) e nas Subestações Retificadoras (SSR). Estas estações retransmitem os dados recebidos das ERM para outras ERR ou para as ERB. Estação Rádio Base (ERB). Constitui-se do sistema do módulo da placa base do ZigBee serial ou USB, do módulo RF ZigBee Pro programado como coordenador, da antena e do cabo serial ou USB para conexão com o Computador da estação de passageiros Procedimentos para a instalação do equipamento Serão utilizados três tipos de módulos de radiofreqüência (RF) para montar a rede na malha metroferrovia. Cada módulo RF possuirá dentro da rede uma função específica, que será definida pelas configurações do software (firmware) a ser desenvolvido e embutido nos dispositivos. Os RF das ERM efetuarão a ação de monitoramento ou controle por meio de dispositivos que lhe estejam associados (sensores, controladores, atuadores, etc.). Esses RF estarão localizados nos AEC dos TUE e ficarão ligados aos equipamentos e sensores responsáveis pelas diversas medidas. Um módulo RF ERB, que ficará localizado nas estações de passageiros, receberá os dados enviados pelas ERM e os repassará a um computador ao qual a ERB está conectada, mediante uma conexão serial RS232 ou USB. Esse módulo também é responsável por formar a rede e atribuir endereços. Poderão ser utilizados RF ERR ao longo da via permanente para ampliar o sinal dos ERM, quando estiverem mais distantes da ERB, aumentando assim o alcance da rede. Cada módulo RF será composto por um conversor de dados analógico/digital que fará a conversão do sinal de analógico para digital, um transceptor para modular o sinal na freqüência, uma antena para irradiação do sinal, um regulador de tensão e uma placa com interface serial ou USB para conexão do módulo com um computador ou outros periféricos. Na ERB os dados adquiridos da ERM serão processados por um sistema que será desenvolvido. Este sistema deverá ser capaz de filtrar os dados, fazer os cálculos necessários, exibir gráficos atualizados, enviar sinais de alerta ou controle, armazenar informações em arquivos ou banco de dados entre outras funcionalidades. Pretende-se utilizar para desenvolvimento desse sistema a plataforma LabVIEW. O principal campo de aplicação do ambiente de programação LabVIEW é na técnica de medição e na automatização de processos industriais. 5

6 Poderão ser utilizados Computadores Portáteis embarcados ou Sistemas Embarcados, para processamento e armazenamento dos dados obtidos pelos ERM dos TUE. Utilizar-se-á a Intranet, via fibra óptica, para conexão entre as Redes das ERB, bem como o Centro de Controle Operacional e o Centro de Engenharia da Manutenção, o que permitirá ao CCO e à Engenharia da Manutenção terem uma visão em tempo real das informações dos trens, assim como os dados históricos para simulações e pesquisas de falhas. Para a análise dos resultados dos registros realizados no TUE, serão utilizados dois instrumentos distintos, o Oscilógrafo e o Sistema RailBee, objetivando a comparação entre os valores obtidos pelos instrumentos, a fim de legitimar o sistema proposto. A pesquisa foi realizada com o registro de dois parâmetros vitais do trem, como a velocidade real e a pressão média das bolsas de ar Instrumentos utilizados Registrador Oscilográfico Portátil, Modelo: OR100E, Fabricante: YOKOGAWA. A unidade registradora, dispõe de 4 canais analógicos e 4 canais digitais. Os canais analógicos 1 e 2 foram utilizados para registro dos parâmetros velocidade e pressão média nas bolsas de ar, respectivamente Sistema RailBee, proposto. O Sistema de Instrumentação proposto, dispõe de 8 canais analógicos e 4 canais digitais. Os canais analógicos 0 e 1 foram utilizados para registro dos parâmetros velocidade e pressão média nas bolsas de ar, respectivamente Pontos de captação dos sinais Os dois equipamentos utilizaram os mesmos pontos de captação dos sinais concomitantemente. Os valores foram registrados em nível de tensão. O ponto utilizado para fornecimento do sinal de velocidade está no módulo decodificador de velocidade (pino 2) da Unidade de Controle de Propulsão (PCU - Propulsion Control Unit). O ponto utilizado para fornecimento do sinal da pressão média nas bolsas de ar está no pino 4 do módulo de seleção de Taxa da PCU. 3. RESULTADOS 3.1. Registros dos dados Os registros foram realizados com o TUE vazio, nas linhas do Pátio de Estacionamento da estação terminal. Realizamos dois deslocamentos do TUE, da linha 8 para a linha 3 e da linha 3 para a linha 7. Na comparação das curvas traçadas dos dados registrados nos dois instrumentos, verificou-se uma semelhança na sua resposta dos parâmetros velocidade real e pressão média das bolsas de ar (figura 3 e 4) e (figuras 5 e 6). 6

7 Tensão (v) 2,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Linha 8 -> Linha 3 - Oscilógrafo Pressão Velocidade Amostra Figura 3: Curvas dos dados coletados pelo instrumento Oscilógrafo da Linha 8 para Linha 3. Tensão (v) 2,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Linha 8 -> Linha 3 - RailBee Pressão Velocidade Amostra Figura 4: Curvas dos dados coletados pelo Sistema RailBee da Linha 8 para Linha 3. 7

8 Tensão (v) 2,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Linha 3 -> Linha7 - Oscilógrafo Pressão Velocidade Amostra Figura 5: Curvas dos dados coletados pelo instrumento Oscilógrafo da Linha 3 para Linha 7. Tensão (v) 2,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Linha 3 -> Linha7 - RailBee Pressão Velocidade Amostra Figura 6: Curvas dos dados coletados pelo Sistema RailBee da Linha 3 para Linha 7. 8

9 A análise do sinal da velocidade registrada em nível de tensão (v) no intervalo de 1 segundo, com freqüências de amostragens de 10 Hz no instrumento RailBee (0,04 ± 0,02) e 16 Hz no Oscilógrafo (0,03 ± 0,01), durante o percurso realizado entre a linha 8 e a linha 3 do pátio de estacionamento, não deferiram estatisticamente (figura 7). 0,0700 0,0600 0,0500 Tensão (v) 0,0400 0,0300 0,0200 0,0100 0, Número de amostras RailBee Oscilógrafo Figura 7: Sinal de velocidade registrada em nível de tensão no intervalo de 1 segundo, com freqüências de amostragens de 10 Hz (RailBee) e 16 Hz (Oscilógrafo). Teste t Student, com dados em média e desvio padrão, com p<0,05. Na análise do sinal da velocidade registrada em nível de tensão (v), no intervalo de 10 segundos iniciais do percurso entre as linha 8 e linha 3 do pátio de estacionamento, com freqüência de amostragem de 10 Hz no instrumento RailBee (0,16 ± 0,07), não deferiu estatisticamente da registrada pelo Oscilógrafo (0,17 ± 0,08), com freqüência de amostragem de 16 Hz, (figura 8). 0,350 0,300 Tensão (v) 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0, Número de amostras RailBee Oscilógrafo Figura 8: Sinal de velocidade registrada em nível de tensão no intervalo de 10 segundo, com freqüências de amostragens de 10 Hz (RailBee) e 16 Hz (Oscilógrafo). Teste t Student, com dados em média e desvio padrão, com p<0,05. 9

10 2,0 A análise do sinal da pressão média das bolsas de ar, em nível de tensão (v), registradas no intervalo de 1 segundo, com freqüências de amostragens de 10 Hz no instrumento RailBee (1,69 ± 0,07) e 16 Hz no Oscilógrafo (7 ± 0,08), durante o percurso realizado entre a linha 8 e linha 3 do paio de estacionamento, deferiu estatisticamente em nível de p<0,05 (figura 9). Tensão (v) 1,9 5 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55 * * * * * * * * * * Número de amostras RailBee Oscilógrafo Figura 9: Sinal da pressão média das bolsas de ar, em nível de tensão (v), registradas no intervalo de 1 segundo, com freqüências de amostragens de 10 Hz no instrumento RailBee e 16 Hz no Oscilógrafo, durante o percurso realizado entre duas linhas. Teste t Student, com dados em média e desvio padrão, com p<0, CONCLUSÕES Verificamos uma variação menor que 10% na relação dos valores registrados, porém essa variação poderá ser corrigida nos sensores ou por meio de ponderação na conversão dos valores de tensão na unidade de medida do parâmetro desejado (velocidade ou pressão). A freqüência de amostragem utilizada foi 16 Hz e 10 Hz, no Oscilógrafo e RailBee, respectivamente, podendo ser ajustada para 16Hz nos dois instrumentos. Os testes realizados mostram a viabilidade do projeto, principalmente quando comparado com o atual sistema de instrumentação. Assim, tanto as funções aqui expostas podem ser modificadas para atender a outros requisitos como outras funcionalidades podem ser incorporadas ao sistema. Um sistema para tratamento dos dados recebidos está em desenvolvimento. Este projeto, desenvolvido como forma de pesquisa inovadora para redução de custos na instrumentação dos veículos em via permanentes, deverá ser ampliado para que os dados enviados pela ERM sejam tratados remotamente pelo CCO e pela Engenharia da Manutenção. A análise dos dados dará ao sistema um maior poder de decisão ante as necessidades operacionais e de manutenção. 10