UTILIZAÇÃO DE WEB SERVICE NO DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PARA MONITORAMENTO E DIAGNOSE DE DISPOSITIVOS DE POTÊNCIA ATRAVÉS DE TELEFONIA MÓVEL

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1 UTILIZAÇÃO DE WEB SERVICE NO DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PARA MONITORAMENTO E DIAGNOSE DE DISPOSITIVOS DE POTÊNCIA ATRAVÉS DE TELEFONIA MÓVEL EDSON L. PADOIN, MAURÍCIO DE CAMPOS, FABIANO SALVADORI, PAULO S. SAUSEN, ROBINSON F. DE CAMARGO, GIDEON VILLAR LEANDRO, TIAGO A. IDALENCIO Grupo de Automação Industrial e Controle GAIC Departamento de Tecnologia DETEC Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ Rua do Comércio, 3000 Bairro Universitário CEP Ijuí RS - Brasil. {padoin, f.salvadori, campos, sausen, robinson, gede, Abstract Supervisory systems for monitoring and diagnose of electro-electronic equipment through mobile devices is still little explored, despite the large number of resources available on the market. This work presents the study of the more common faults in electronics power devices, forms of detection and technologies for the development of a Web Service platform in free software, which enables monitoring this equipment and, in case of any failure, inform the technical assistance through SMS message on their mobile equipment. With this type of application it is possible can monitoring and controlling remotely through a mobile phone or PDA device, an equipment so that in the case of an unexpected event, a warning is issued immediately. In this way it is viable reduce the stop time of this equipment, increase reliability and reducing potential damage. The idea of this project is the characterization of a device at low cost and wide applicability. Keywords Fault Detection, Supervisory Systems, Web Services, Open Souce. Resumo Sistemas Supervisórios para o monitoramento e administração de equipamentos eletro-eletrônicos através de dispositivos móveis ainda é pouco explorado, apesar do grande número de recursos disponíveis no mercado. Neste trabalho apresenta-se o estudo das falhas comuns em dispositivos eletrônicos de potência, formas de detecção e as tecnologias utilizadas para o desenvolvimento de um Web Service em plataforma de software livre, que possibilita monitorar o comportamento deste equipamento e, em caso de alguma falha, informar o responsável através de mensagem SMS em seu equipamento móvel. Com este tipo de aplicativo pode-se monitorar e controlar remotamente através de um aparelho de celular ou PDA, um equipamento de forma que no caso de um evento inesperado, um alerta seja emitido imediatamente. Desta forma pode-se reduzir o tempo de parada do equipamento, aumentanto a confiabilidade e reduzindo eventuais prejuizos. A idéia deste projeto é a caracterização de um dispositivo de baixo custo e grande aplicabilidade. Palavras-chave Detecção de Falhas, Sistemas Supervisórios, Web Services, Software Livre. 1. Introdução Mesmo que imperceptíveis à população em geral os sistemas eletrônicos estão presentes na indústria, comércio, hospitais, agricultura e residências. Os avanços alcançados nas últimas décadas, são realmente notáveis principalmente no que se refere ao acionamento e controle de motores, no aproveitamento energético, na conversão de energia, dentre outros. Mesmo as novas tecnologias, com leis de controle baseadas em redundância, não impedem que sistemas que utilizam dispositivos eletrônicos apresentem algum tipo de falha. O tempo até a identificação e localização da falha torna-se uma informação importante para a tomada de decisão, e implementação de manutenção corretiva e/ou pode ainda subsidiar dados para uma manutenção preditiva. O uso de regras baseadas em sistemas inteligentes para diagnosticar falhas em inversores alimentados em tensão, foi proposto primeiramente em Debebe et al. (1991). Através de uma base de dados e informações parametrizadas. Um mecanismo faz a suposição das condições do sistema, além do status do circuito de proteção. Uma investigação sistemática dos diferentes tipos de falhas em inversores para acionamento de motores de indução foi realizado por Kastha e Bose (1994). Através deste estudo é possível determinar, em regime permanente, problemas nos componentes e contribuir para a melhoria de projeto de sistemas de proteção. Peuget et. al. (1998) apresentaram um trabalho no qual utilizam também um modelo de base de dados. Este estudo é baseado na análise de trajetórias de vetores de corrente e freqüências instantâneas durante as falhas em Inversores PWM (Pulse Width Modulation). Dois trabalhos realizados por Ribeiro e Jacobina (2003 e 2004), contribuem sobre esse assunto. No primeiro deles, é realizado um estudo investigativo de diferentes técnicas de detecção e identificação de falhas nos interruptores de potência em acionamento de sistemas alimentados em tensão. No segundo trabalho apresentado, é desenvolvido um sistema, onde, além de detectar e isolar as falhas em inversores alimentados em tensão é feita a compensação, reconfigurando o sistema através de uma estratégia de controle tolerante a falhas. As despesas financeiras envolvidas com paradas não planejadas em sistemas de produção, podem resultar em custos desnecessários, além de envolver vidas ou

2 informações importantes. Em centros hospitalares ou datacenters é imprescindível, por exemplo, a utilização de fontes ininterruptas de energia (UPS), garantindo confiabilidade às cargas conectadas ao sistema. Independentemente dos parâmetros de confiabilidade considerados no seu projeto, falhas em UPS são adversas, podendo ocorrer a qualquer momento. No caso de uma falha, medidas de manutenção corretivas devem ser tomadas, para que o equipamento não continue o seu funcionamento de forma inadequada. Pesquisas são desenvolvidas no sentido de reduzir ao máximo o risco de ocorrência de uma falha e, caso estas ocorram possam ser reparadas no mínimo intervalo de tempo. Campos et al.(2007) apresentam um sistema que se propõe a reduzir o tempo pós-falta de uma UPS. O sistema Detector de Falhas e Sistema de Transmissão apresentado na Figura 1 analisa o comportamento do equipamento e detecta alguns tipos de falha. Verificando uma falha, uma mensagem informando a ocorrência é transmitida através de um link GSM. Esta metodologia apresenta como deficiência o fato de que mensagens quando enviadas de um telefone móvel convencional, não existe nenhum tipo de garantia da entrega da mesma. Além disso, o prazo de entrega não é definido, ou seja, uma mensagem enviada neste instante pode ser recebida somente há algumas horas o que inviabiliza sua utilização para este tipo de aplicação. Este trabalho tem como objetivo apresentar um sistema desenvolvido em software livre que se apresenta como uma alternativa para diminuir o tempo em que um dispositivo eletrônico ou equipamento mantém-se no período pós-falha até a manutenção. Este é um período em que, dependendo da falha e do dispositivo, parte dos componentes ainda está em pleno funcionamento, porém, ao mantê-los em um regime de funcionamento de exceção por um tempo prolongado poderá comprometer todo equipamento. O sistema proposto não apresenta a desvantagem do sistema proposto por Campos et al. (2007), pois a mensagem enviada não entrará em filas de envio/recepção. 2. ALGUNS EXEMPLOS DE FALHAS EM DISPOSITIVOS DE POTÊNCIA A definição de falha foi estabelecida por Gibilisco (2001), como, um defeito em um ponto ou região em um circuito ou componente. É possível propor para o trabalho a designação de duas categorias de falhas. Uma categoria onde a falha deixa o equipamento ou dispositivo inoperante como um todo, e outra onde o equipamento continua seu funcionamento de forma inadequa. O papel dos dispositivos de potência vem sendo intensificado juntamente com o desenvolvimento das tecnologias neles aplicados. A expansão de processos industriais tem levado a sistemas muito complexos. Os custos de paradas não planejadas são elevados e, neste sentido, projetos para detecção e isolamento de falhas tornam-se economicamente viáveis. O esquema de proteção dos sistemas de acionamento é normalmente projetado de forma a prevenir danos nos interruptores do conversor. Pode-se supor, por exemplo, que o equipamento a ser instalado no sistema é um conjunto retificador/inversor. Na Fig. 2 é mostrado um diagrama de blocos de um esquema de proteção típico para um inversor alimentado por tensão comercial. Fig. 2. Esquema de proteção de um inversor commercial Equipamento Detetor de Faltas e Sistema de Transmissão Fig. 1 Esquema básico de funcionamento do sistema proposto O sistema desenvolvido permite que, após a análise do comportamento do equipamento e a detecção de alguns tipos de falhas, a mesma seja transmitida imediatamente, através de uma mensagem SMS, para um equipamento do tipo telefone móvel. Esta mensagem SMS contém informações sobre a falha detectada e o número de série do equipamento. Considerando que o equipamento de detecção e transmissão é autônomo esta transmissão pode ser realizada mesmo que ocorra uma parada total do equipamento. O esquema inclui circuitos de prevenção de sobretensão e subtensão do barramento DC, assim como, sobrecorrente do inversor. Os fusíveis protegem a entrada contra sobrecorrentes e uma unidade de proteção térmica da máquina contra sobreaquecimento. O disjuntor (CB) interrompe a entrada de corrente no caso de sobrecarga do sistema. Mesmo que, por exemplo, uma UPS seja projetada com robustez e segurança, falhas podem ocorrer durante o funcionamento normal. Kastha e Bose (1994) apresentam diferentes tipos de falhas em sistemas de inversores alimentados em tensão para acionamento de motores de indução. (i) Falhas no Retificador - Os dois modos de falhas no retificador possuem uma característica em comum, nas duas situações o acréscimo de corrente em uma ou mais fases resulta no rompimento de um ou mais fusíveis de entrada. a) CC entre uma fase de entrada e o terra (F1) b) CC em um diodo do retificador (F2) (ii) Falhas no inversor

3 a) Base do interruptor aberta (F5) b) CC no interruptor do inversor (F6) (iii) Falhas no sistema de proteção - Estão relacionadas ao fornecimento de energia elétrica, incluindo os fusíveis e contatora. Na Fig. 3 podem ser visualizados alguns exemplos destas falhas (F ). O objeto deste estudo está focado na transmissão da informação da existência de uma falha relegando para um segundo plano a detecção da mesma. Além das falhas apresentadas na Figura 3, outras podem ser relevantes e deixar um sistema inoperante. Fig. 3. Modos de falhas em um inversor alimentado em tensão. 3. GSM Um breve histórico do sistema GSM é mencionado por Alencar (2001), relatando que o desenvolvimento de um sistema móvel celular para toda a Europa, empregando tecnologia digital, começou em 1982, com a DEPT (Conférence Européene des Administrations des Postes et Télécommunications), em um grupo de trabalho denominado GSM (Groupe Spéciale Mobile). O GSM diferencia-se de seus predecessores porque os canais de voz são digitais, o que significa que este é visto como um sistema de segunda geração. Segundo dados fornecidos pela ANATEL (2006) é possível perceber o crescimento desta tecnologia ao longo dos anos. Em junho de 2002 a participação do GSM no Brasil era de 0,12%, já em junho de 2006 era de 58,55%. Agora, com a migração das operadoras que utilizavam o sistema CDMA, o GSM se consolida definitivamente como o padrão brasileiro em telefonia móvel. A Tabela 1 mostra a evolução da tecnologia GSM, novas gerações e respectivas velocidades de transmissão de dados. TABELA I Evolução da TecnologiaGSM Spectro Atual: 900 e 1800 MHz (Europa) 1900 MHz (EUA) Novo: 1900/2100 MHz Geração 2 G 2,5 G 3 G Tecnologia GSM GPRS / EDGE WCDMA HSDPA (UMTS) (WCDMA) Data Rate 14,4 171,2 / 473, máx. (Kbit/s) Data Rate mean (Kbit/s) / Fonte: Teleco. A. M2M Machine to Machine O termo M2M é novo e traduz as novas tendências onde as máquinas conversam com outras máquinas através de redes sem fio. A Sony Ericsson define M2M como qualquer máquina eletronicamente controlada e que transmite informações rapidamente, com mais precisão e com um custo efetivo menor, comparado a meios entre pessoas, componentes e sistemas. B. O Sistema GSM 2,5G O sistema de comunicação de dados na rede GSM é dividido em três tipos: a) CSD: é uma conexão de circuito simples (ponto a ponto); b) GPRS/EDGE: é uma conexão em uma rede de pacote de dados. Uma vez conectado nessa rede, o sistema está sempre on-line podendo transferir dados imediatamente. É tarifada somente sobre os dados transmitidos sem considerar o tempo de conexão. Como o GPRS/EDGE é compatível com o protocolo TCP/IP, as operadoras de GSM disponibilizam um gateway para a internet, possibilitando conectar e controlar equipamentos wireless através da internet. c) SMS: é o serviço de envio e recebimento de pequenas mensagens de texto (150 à 1609 caracteres). A decisão pela comunicação via mensagens SMS, deveu-se ao fato da tarifação ser realizada somente a cada mensagem enviada, não havendo necessidade de uma conexão permanente, reduzindo o custo. C. Dispositivos comunicadores Os modens GSM (ou módulos GSM) são equipamentos semelhantes aos aparelhos celulares, diferenciados principalmente pelo tipo de encapsulamento. Os aparelhos celulares possuem uma interface gráfica amigável e de fácil utilização, já os módulos possuem apenas uma comunicação serial. Todos os módulos encontrados comercialmente são compátiveis com comunicação serial e comandos AT. Assim como nos telefones para o funcionamento dos módulos GSM é necessário utilizar um SIM card, ou módulo de identificação de assinante, carregando as informações da linha telefônica. A Fig. 4 apresenta o módulo MC39i, vistas superior e lateral, fabricado pela Siemens, para aplicações embedded. Fig. 4 - Siemens Mobile MC39i. Módulo Embedded.

4 Desenvolvido especialmente para aplicações M2M, as características mais importantes do MC39i são: a) GSM dual band (900/1800 MHz) e GPRS classe 10; b) Tamanho reduzido (54.5 x 36.0 x 3.6 mm); c) Baixo consumo (stand-by: 25 ma, talk mode: 300 ma); d) Simplicidade de integração; e) Comandos AT adicionais para aplicações M2M. D. Comandos AT A sigla AT é proveniente da língua inglesa, attention, a qual também pode ser traduzida como código de atenção. Este código é utilizado por grande parte dos modens comerciais. Todos os modelos de modens (módulos) GSM apresentados tem compatibilidade de utilização através de comandos AT. Existem comandos AT que são padrão para todos os tipos de modens, e outros comandos que são específicos a cada fabricante, o qual fornece no manual cada comando com a sua designação. São apresentados alguns exemplos de comandos AT padrões e outros específicos: AT padrão: ATD12345 disca para o número 12345; AT%B 9600 seta a velocidade de negociação com o modem remoto em 9600bps. AT para módulo GSM (específico): AT+CSMS seleciona serviço de mensagens; AT+CMGS envia mensagem. 4. Identificação das Falhas O Web Service WS desenvolvido para recebimento do sinal de falha e envio da mensagem de alerta é composto de duas partes: módulo que recebe as informações das falhas no dispositivo de potência; módulo responsável por enviar as mensagens (SMS) para o equipamento móvel no momento em que ocorra alguma falha identificando o equipamento e a falha. A.Implementação do Web Service Para a implementação da aplicação responsável por gerenciar os dispositivos de potência e enviar um SMS com as informações da falha aos dispositivos móveis, primeiro foi necessário definir os padrões responsáveis e especificar os mecanismos para troca de mensagens, bem como as operações disponíveis. Um WS foi construído baseado no modelo clienteservidor em que a aplicação servidora registra o serviço dentro de um catálogo central de endereços denominado de UDDI - Universal Description Discovery and Integration. Este registro é feito pelo Provedor de Serviços que publica o WS (Hendricks 2002). Todo o WS precisa ficar ativo e aguardando requisições, ou seja, faz-se necessário a existência de um container que o persista. Para isto tem-se disponível algumas ferramentas como Jakarta Tomcat (Tomcat 2007), Jboss(Jboss 2007), IBM WebSphere (WebSphere 2007) e Sun Java System Application Server - SJSAS (Sun 2007) dentre outras. Através dos estudos e testes realizados constatou-se que para este caso de uso, o Server mais adequado, analisando-se os pontos de complexidade, velocidade e compatibilidade, é o Server Apache Tomcat e a linguagem de programação JAVA (Deitel 2005). Para o desenvolvimento do WS e a sua publicação também se faz necessário a utilização de uma ferramenta. Dentre as disponíveis analisou-se, o JWSDP - Java Web Services Developer Pack (JWSDP 2007) e o Apache-Axis (Axis 2007). A primeira é um pacote da Sun Microsystems específico para a criação de WS com linguagem Java, onde todas as tecnologias utilizadas neste pacote baseiam-se no modelo de comunicação RPC (Remote Procedure Call) que fornece o suporte de comunicação entre as aplicações cliente e servidor. Este pacote é constituído de um conjunto de APIs que possuem recursos e funcionalidades que permitem construir e distribuir aplicações Web, das quais se destacam o wscompile e wsdeploy (Sun 2007). Já o Apache-Axis é um framework de código aberto, baseado na plataforma Java e no padrão XML também utilizada para construção e registro de Web Services no padrão SOAP - Simple Object Access Protocol (Apache). Neste projeto, optou-se em utilizar o JWSDP, pois este permite a execução do WS em diversas plataformas, ser Open Source e principalmente pela ferramenta API JAX- RPC, que é utilizada para comunicação tanto pelo servidor quanto pelo cliente de forma muito transparente, não havendo a necessidade do programador se preocupar em implementar as classes para a comunicação. Para os testes da implementação utilizou-se o Framework da Sun, o Java Wireless Toolkit que permite alterações no código fonte e testes no emulador de celular que o framework disponibiliza. A Fig. 5 ilustra o ambiente de desenvolvimento do framework utilizado com as opções de configurações e o emulador do aparelho de celular. Fig. 5 Framework Sun Java Wireless Toolkit A Fig. 6 apresenta a tela de administração do Apache. Nela pode observar o WS sendo executado (status Running true) no Servidor, este que recebe a informação de falha e

5 possui o módulo que envia a mensagem SMS ao dispositivo móvel. Assim, utilizou-se de um computador somente como Server Tomcat WS para usufruir as suas funções e interagir com o celular e outros periféricos. Os serviços foram descritos usando-se a linguagem WSDL. O serviço disponibilizado no Server tem o nome de Server e pode ser acessado através do endereço Nos testes locais esse endereço fica da seguinte forma verificadas desde o início da operação, possibilitando uma análise histórica são disponibilizados, utilizando-se critérios, como: seleção por equipamento; por período; ou, por tipo de falha. Fig. 7 Dispositivo móvel recebendo a mensagem identificando o Equipamento e a Falha Fig. 6 Servidor Tomcat executando o WS Servidor Ativo B. Implementação do módulo SMS Pode-se enviar mensagens SMS para celulares utilizando: (a) um aparelho de celular; ou, (b) utilizando sites com sistemas pré-modelados. Do modo (b), algumas empresas e operadoras de telefonia estão se especializado em oferecer este tipo de serviço cobrando algumas taxas dos usuários. Um estudo foi realizado levando-se em consideração principalmente custos e confiabilidade das empresas que hoje atuam no mercado e para o envio das mensagens através do WS aqui apresentado, utilizaram-se os serviços da empresa Human (2007), que disponibiliza a solução que atendeu as necessidades do projeto. Este módulo desenvolvido faz a conexão com o WS da empresa selecionada que envia as mensagens SMS para os telefones celulares dos responsáveis. Estes telefones celulares podem ser das operadoras Vivo, Claro, Tim, BrTelecom, Teleming, Amazon Celular, Nextel, CTBC ou outra. Este módulo demonstra o poder de interoperabilidade que existe nos WS, pois o sistema desenvolvido é implementado em Java, e permite que seja usado por sistemas desenvolvidos em outras linguagens. Na Fig. 7 pode-se observar uma mensagem enviada pelo WS, identifica como Sistema Monitor com texto de Atenção acrescido da identificação do Equipamento XX e a falha F1 que foi verificada. Todas as mensagem enviadas são armazenadas em uma base de dados, utilizando-se o MySql como Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD), que também é uma ferramenta de software livre. Relatórios com todas as falhas Para a realização dos testes no desenvolvimento da implementação foi utilizando celulares dos modelos Nokia 6235, 6265 e E61, ambos com perfis de KVM - K Virtual Machine já instalado. O KVM é uma versão compacta de JVM - Java Virtual Machine com capacidade de executar aplicações desenvolvidas em J2ME - Java 2 Micro Edition em celulares os dispositivos com pouca memória. Procurou-se utilizar equipamentos com KVM, pois como trabalhos futuros pretende-se desenvolver um novo módulo que será executado nos dispositivos móveis e que possibilitará o acesso aos serviços oferecidos pelo WS. 5. Conclusões Este trabalho apresenta os resultados obtidos com a utilização de WS no desenvolvimento de um sistema para monitoramento e detecção de falhas on-line aplicado em dispositivos de potência. Com esta abordagem, torna-se possível monitorar o comportamento de equipamentos e, em caso de alguma falha, informar o operador através de mensagem SMS em seu equipamento móvel. Foi desenvolvido um WS em plataforma de software livre, que possibilita um gerenciamento em tempo real do sistema aprimorando as características de mobilidade, robustez, versatilidade e confiabilidade. As principais características deste sistema são a mobilidade, confiabilidade e custo reduzido. Os resultados permitem concluir que o mesmo representa um avanço frente aos sistemas ora em uso, pois permite reduzir substancialmente o tempo de atendimento a uma falha.

6 Referências Bibliográficas Alencar, M. S. (2001) Sistemas de Comunicações, Érica. São Paulo. Anatel (2006), Dados relevantes do SMP da ANATEL. Disponível em <http://www.anatel.gov.br>. Acesso em: Ago. de Axis Apache Documentation (2007). Disponível em Acesso Setembro Campos, M. de, Salvadori, F., Dambroz, C., Rech, C., Camargo, R. F., Leandro, G. V., e Bolacell, J. C., (2007), Development of a Low Cost Diagnosis and Alerts System for Faults in Electronic UPS Systems Using GSM Link, COBEP 2007 Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, 30 set./02 out., Blumenau, SC, Brasil Debebe, K., Rajagopalan, V., Sankar, T.S. (1991) Expert Systems for Fault Diagnosis of VSI AC Drives, IEEE Industry Aplications Society Annual Meeting, vol. 1, p Deitel, H. M. (2005). Java Como Programar, 6ª. Edição. Pearson Education. São Paulo. Gracek, D., Geynisman, O. Proudfoot, D. Minnik, K. (2001). Migrating From Scada To Automation, Transmission And Distribution Conference And Exposition, 2001 IEEE/PES, Volume 1, 28. Page(s): vol.1. Gibilisco, S. (2001) The Illustrated Dictionary of Electronics, 8.ed. [s.l.] : McGraw-Hill. Hendricks, M. (2002) Java Web Services. Alta Books. Rio de Janeiro. Human Mobile. Disponível em Acessado em Junho de JbossWS.(2007) Disponível em <http://www.jboss.org/ wiki/wiki.jsp?page=jbossws> Acesso em Março Kastha, D., Bose, B. K. (1994). Investigation of Fault Modes of Voltage-Fed Inverter System for Induction Motor Drive, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 30, n. 4, p Peuget, R., Courtine, S., Rognon, J.(1998) Fault Detection and Isolation on a PWM Inverter by Knowledge-Based Model, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 34, n. 6. Ribeiro, R. L. A., Jacobina, C. B. (2003) Fault Detection of Open-Switch Damage in Voltage-Fed PWM Motor Drive Systems, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, n. 2. Ribeiro, R. L. A., Jacobina, C. B. (2004) Sistema de acionamento de máquinas com estratégia de controle tolerante a faltas, Revista da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência SOBRAEP, vol. 9, n.1, p Sun Technology (2007). Sun Java System Application Server SJSAS Disponível em <http://java.sun.com/> Acesso Março Sun Technology (2007). Java Web Services Developer Pack JWSDP Disponível em webservices /jwsdp/ Acesso em Junho de Teleco (2006). Informação em Telecomunicações. Disponível em <http://www.teleco.com.br>. Acesso em: Ago. de Tomcat (2007), Jacarta- Tomcat. Disponível em <http://tomcat.apache.org/> Acesso em Julho WebSphere Application Server Zone (2007). Disponível em <http://www-128.ibm.com/developerworks/websphere/ zones/was/bigpicture.html> Acesso Janeiro Zimmer, D., Rhodes, D. (2006). Human Machine Interfaces, Industry Applications Magazine, IEEE Volume 12, Issue 2. Page(s):

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