MONITORAMENTO DE SINAIS NA INDÚSTRIA: PROPOSTA DE UMA SOLUÇÃO ABRANGENDO HARDWARE E SOFTWARE
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- Ana Luiza Raminhos Cipriano
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1 MONITORAMENTO DE SINAIS NA INDÚSTRIA: PROPOSTA DE UMA SOLUÇÃO ABRANGENDO HARDWARE E SOFTWARE Daniel Sborgi Ribeiro UEPG/UTFPR dsborgi@gmail.com Tiago Giriboni da Rosa UEPG tche.giriboni@gmail.com Resumo Esse artigo apresenta uma proposta que possa servir de alternativa para as atuais soluções existentes na área de aquisição e monitoramento de sinais provenientes de processos industriais. O foco desse trabalho está voltado tanto para o hardware quanto para software utilizados, buscando uma solução de menor custo e que apresente as funcionalidades necessárias. Para isso, propoe-se um protótipo microcontrolado para aquisição e uma interface gráfica a ser desenvolvida na ferramenta de programação LabVIEW 1 para permitir a apresentação, armazenamento e o gerenciamento da comunicação protótipo PC. Palavras-chave: aquisição de sinais; microcontrolado; monitoramento. 1 Introdução O conceito de automação industrial surgiu em meados da década de 1920 com Henry Ford e seu modelo de produção em série na indústria automobilística. Muito mudou em relação à automação industrial desde então, simplesmente automatizar um processo passou a não ser suficiente, tornou-se cada vez mais necessária à interação entre os elementos físicos presentes nos processos de produção e as pessoas responsáveis por monitorá-los. A interação é realizada com a utilização de softwares de monitoramento de dados, esses softwares são responsáveis por interfacear o hardware de aquisição de sinais, disponibilizando um ambiente gráfico, rico em informações, que possa ser utilizado pelos operadores para monitorar e, quando for o caso, controlar o processo industrial no qual o software é aplicado. Existem muitas maneiras para monitorar e/ou controlar variáveis físicas de modo contínuo ou discreto que possam ser de alguma utilidade, principalmente na indústria. Soluções comerciais que atendam diferentes níveis de complexidade estão disponíveis atualmente no mercado. Devido aos elevados custos embutidos nesses sistemas de aquisição e monitoramento de dados, é importante a pesquisa e o desenvolvimento de novas alternativas, que visam baixar os custos para a indústria e ao mesmo tempo proporcionarem uma funcionalidade tão boa quanto as existentes em soluções desenvolvidas por grandes empresas do ramo da automação. A figura 1 representa um diagrama básico de um sistema de aquisição de sinais. 1 LabVIEW é propriedade da National Instruments.
2 Figura 1 - Diagrama básico de um sistema de aquisição de sinais. Fonte : PRODUÇÃO PRÓPRIA. 2 Objetivos Propor uma solução alternativa para a aquisição e o monitoramento de sinais provenientes de processos industriais; Propor as funcionalidades que uma interface de monitoramento dos dados necessita; Propor a utilização de um microcontrolador para gerenciar a aquisição de dados no protótipo; Demonstrar os motivos da escolha do LabVIEW e do microcontrolador PIC 16F628 para o desenvolvimento da solução proposta. 3 Desenvolvimento Software: O software desenvolvido para esse tipo de aplicação deve ser capaz de realizar as tarefas abaixo citadas: Pré-condicionar todos os equipamentos; Interpretar os comandos do usuário; Disparar as excitações e aquisições de sinais; Administrar a seqüência de eventos; Encarrega-se do armazenamento e apresentação dos resultados em uma forma que proporcione boa visualização para o usuário (KOGLER, 2004). Diante de tais afirmações, faz-se necessário a utilização de uma ferramenta para auxiliar a implementação de um software que seja capaz de realizar todas essas tarefas, gerenciando a aquisição dos dados e ao mesmo tempo permitindo o armazenamento, visualização e manipulação dos mesmos pelo usuário. A ferramenta proposta neste trabalho para a construção do software é o LabVIEW. A diferença marcante existente entre o LabVIEW e as outras linguagens de programação está no fato do primeiro ser baseado em linguagem gráfica, também conhecida como linguagem G. Embora ambas sejam linguagens de programação baseadas nos conceitos da orientação a objetos, a linguagem G possui a vantagem de ser altamente produtiva em aplicações que envolvam sistemas de aquisição de dados, controle e instrumentação. A maioria das linguagens de programação se utiliza de linguagem textual, com abreviações de palavras de língua inglesa, para criar as linhas de comando que serão interpretadas ou então compiladas. Já a linguagem G utiliza estruturas em forma de gráficos e diagramas para criar os códigos de programação em blocos, permitindo que pessoas, mesmo com pouco
3 treinamento, possam realizar tarefas que em outras linguagens demandariam mais tempo (REGAZZI, 2005). Através do seu wizard é possível desenvolver uma interface de configuração do hardware em pouco tempo já que o mesmo possui bibliotecas que facilitam a comunicação com dispositivos USB, Universal Serial Bus. Todos os programas criados no LabVIEW são chamados de Virtual Instruments (VI). Os VI s são constituídos de duas partes principais, o painel frontal, que pode ser entendido como a interface com o usuário e também o diagrama de blocos, onde a programação é realizada, através da inserção dos blocos e interligações entre eles. No software proposto, será necessária a programação de dois VI s. O primeiro, que fará a função de um sub-vi, irá conter a programação necessária para a configuração da comunicação e transferência dos dados e o segundo, a programação para decodificar os dados, processá-los, apresentá-los ao usuário e armazená-los em uma base de dados. Hardware: A proposta utiliza um microcontrolador para gerenciar a aquisição de dados no protótipo e interagir com a interface em um computador pessoal. A comunicação com o computador pessoal será realizada através de uma porta USB, tornando o protótipo plug-and-play, em outros termos, ligue e use. O dispositivo FT232R é um circuito integrado de conversão entre USB e UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter. Desta forma o microcontrolador envia as informações através de seu módulo UART e o FT232R envia ao computador pessoal pela porta USB, tornando o protocolo USB praticamente transparente para o desenvolvimento do protótipo. A placa de aquisição de dados deve possuir oito entradas digitais isoladas através de circuitos integrados opto-acopladores e uma entrada analógica com proteção feita por diodos do tipo zenner. O diagrama de blocos da Figura 2 demonstra a estrutura do protótipo de aquisição de sinais. É apresentado o conector USB para conexão com o computador pessoal, o bloco contendo a interface USB/UART, o bloco com o microcontrolador e finalmente o bloco das entradas. Figura 2 - Diagrama de blocos do protótipo. FONTE: PRODUÇÃO PRÓPRIA.
4 O fluxograma de controle do protótipo, conforme apresentado na Figura 3, mostra o ciclo de operação do microcontrolador. A operação do controle do hardware será realizada da seguinte forma: O microcontrolador será inicializado, com suas variáveis de operação, por exemplo, habilitação dos temporizadores e variáveis auxiliares de programação, configuração dos periféricos utilizados e dos bancos de memória; Após a etapa anterior o microcontrolador trabalhará no seu modo de varredura das entradas digitais e entrada analógica, ou seja, atualizando os valores destas entradas. Em um segundo momento, estas informações serão enviadas através da UART para o FT232R que as enviará ao computador (e ao software de interface programado em LabVIEW ) através da USB. Este ciclo de varredura das entradas e comunicação com o computador será realizado repetidas vezes com sua velocidade sincronizada com o software. Figura 3 - Fluxograma do ciclo de operação do protótipo Fonte: PRODUÇÃO PRÓPRIA. Especificações do microcontrolador : O microcontrolador especificado preliminarmente para o protótipo é o PIC 16F628. Este dispositivo é membro da família intermediaria (Mid-range) da Microchip. Suas principais especificações relevantes ao protótipo são: 2048 x 14 bits de memória FLASH; 224 x 8 bits de memória RAM disponíveis para o usuário; Quinze pinos de I/O (entrada ou saída); Um canal de comunicação USART serial; Dois comparadores analógicos com referência interna programável de tensão; Capacidade de corrente de 25mA por pino de I/O; Trinta e cinco instruções;
5 Freqüência de operação até 20 Mhz; Oscilador interno 4Mhz/37Khz; Tensão de operação entre 3 a 5,5V. (PEREIRA, 2002) Este microcontrolador não possui um conversor analógico-digital interno, mas possui toda a estrutura necessária para a implementação de um, utilizando a técnica Delta-Sigma. Esta técnica utiliza a curva de carga/descarga de uma rede RC para determinar com exatidão o valor de uma tensão analógica externa (PETER, 1999). Com este artifício elimina-se a necessidade de conversores externos, que embora mais precisos possuem custo relativamente elevado, além de ocupar espaço na placa e aumentar o consumo de energia. Outro periférico relevante na escolha deste microcontrolador é a USART, Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, utilizado para fazer a comunicação serial entre o microcontrolador e o FT232R, que é a interface USB/UART da placa de aquisição de dados. Desta forma temos um microcontrolador simples, de baixo custo e que atende, adequadamente, as necessidades requisitadas pelo protótipo proposto. Além dos periféricos supracitados, o PIC 16F628 possui um número de entradas digitais em quantidade suficiente para resolver o problema apresentado. A escolha dos pinos das entradas digitais deve ser cuidadosa, uma vez que, como acontece com um grande número de microcontroladores, há um número de funções ou periféricos superior ao número de pinos do CI. Desta forma os pinos usados para a entrada analógica não devem ser usados como entrada digital. Especificações da interface USB/UART : O dispositivo FT232R é uma interface USB para UART que evoluiu do FT232B incluindo em seu encapsulamento muitos componentes para reduzir a complexidade de aplicação do FT232B. Suas principais características, relevantes ao projeto são: Identificação USB FTDIChip-ID TM em que cada circuito integrado é programado com um número de série único no USB; Saída de oscilador para microcontrolador externo, disponibilizando 6, 12, 24 ou 48 MHz; Alimentação mais flexível, podendo variar de 3,3V a 5V. Estas características tornam o FT232R uma maneira simples e eficiente de utilização do USB em conjunto com um microcontrolador com periférico de comunicação serial (FT232R, 2006). Considerando que a alimentação do protótipo será realizada pela porta USB, devem-se ponderar algumas características. Um periférico ligado à porta USB não deve consumir mais do que 100 ma enquanto não for enumerado (processo de inicialização). Após a enumeração pode-se consumir até 500 ma por este barramento. O FT232R permite um controle para assegurar que a fase de enumeração tenha sido concluída através da sinalização de um pino chamado PWREN. A opção em utilizar a comunicação USB está baseada na alta velocidade de transmissão dos dados e alguns benefícios no controle do barramento, que permitem que o USB possa fazer a transmissão de dados de forma assíncrona. Os sistemas de monitoramento geralmente precisam de retorno, respostas. O barramento USB, nesse quesito, é muito eficiente, pois permite que qualquer dispositivo crie um evento de forma assíncrona e essas mensagens assíncronas podem ter preferências sobre outras transmissões se essas forem de caráter emergencial, garantindo a entrega dos pacotes livres de
6 erros. Mensagens assíncronas podem ser mudanças do controle ou alteração de status no dispositivo, por exemplo (ZELENOVSKY, 2002). 4 Conclusão Todos os dados aquisitados em processos industriais são de grande importância. Sensores instalados na planta podem passar aos operadores a informação de como o processo está se comportando e esses precisam receber estas informações em tempo hábil e com integridade absoluta. Baseado nisso, esse artigo propôs uma alternativa para as eventuais soluções existentes no mercado de aquisição e monitoramento de sinais, buscando facilidade de implementação, redução de custos e, ao mesmo tempo, confiabilidade na transmissão dos dados, bem como apresentação intuitiva das informações aos usuários através de uma interface gráfica. A arquitetura do sistema proposto está baseada em um protótipo microcontrolado de aquisição de sinais, que envia os dados usando a USB para um microcomputador que, através de um software desenvolvido especialmente para a aplicação, processa esses dados e transforma-os em informação ao usuário, permitindo ao mesmo gerenciar toda a comunicação com o protótipo e também armazenar essas informações em uma base de dados para posterior consulta. Portanto, devido a todas essas características, a solução proposta é viável e devido à flexibilidade na programação, pode ser adaptada a vários processos industriais, podendo posteriormente ser usada para controlar processos. Para isso, basta incluir módulos PID ou Fuzzy no software e inserir portas de saída no protótipo, sendo necessário para isso uma análise do hardware do microcontrolador visando à adequação do mesmo com as novas características, além de refazer a programação do microcontrolador para que o mesmo consiga gerenciar os dados de entrada e de saída. 5 Referências (FT232R, 2006) FT232R USB UART IC. Disponível em < acesso em 24-jun-06 (KOGLER, 2005) KOGLER, João E. Apostila de Instrumentação Virtual. São Paulo, Outubro 2005 (PEREIRA, 2002) PEREIRA, FÁBIO; Microcontroladores PIC Técnicas Avançadas, 1ª Edição, Editora Érica, São Paulo SP, (PETER, 1999) PETER, Dieter; BAKER, Bonnie C.; BUTLER, Dan; DARMAWASKITA, Hartono; AN700 Make a Delta-Sigma Converter Using a Microcontroller s Analog Comparator Module, (REGAZZI, 2005) REGAZZI, Rogério D.; PEREIRA, Paulo S.; SILVA JR. Manoel F., Soluções Práticas de Instrumentação e Automação Utilizando a Programação Gráfica LabVIEW, 1ª Edição, Rogério Dias Regazzi, São Paulo, (ZELENOVSKY, 2002) ZELENOVSKY R.; MENDONÇA A., PC um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento, 3ª Edição, MZEditora, 2002.
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