PRH10 Planejamento e Otimização de Processos de Petróleo e Gás Natural

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1 PRH10 Planejamento e Otimização de Processos de Petróleo e Gás Natural SPDMAI: SISTEMA DE PROCESSAMENTO DIGITAL PARA MEDIÇÃO E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Cleverson M. C. Silva 1, Mánoel A. Feckinghaus 2, Ricardo J. Martincoski 3, Willians M. de Jesus 4 [Bolsista ANP], Flávio Neves Jr. 5 [Orientador], Miguel A. Sovierzoski 6 [Orientador] Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial Av. Sete de Setembro, Curitiba PR Tel.: ,2,3,4,5 [clever, manoel, rjmartin, willians, neves]@cpgei.cefetpr.br, 6 miguelsp@cefetpr.br Resumo. Este artigo apresenta a proposta para o desenvolvimento de um sistema digital de aquisição de dados, processamento e de controle de alta velocidade e desempenho destinado à automação industrial, laboratórios didáticos e de pesquisa. O sistema será constituído de interfaces com aplicações analógica e digital (ambas com entrada e saída), um processador digital de sinais (DSP) e um canal de comunicação para um computador através do padrão USB 2.0. O objetivo principal é a obtenção de um equipamento que possa ser utilizado na aquisição de sinais de alta freqüência, presentes em aplicações com ultra-som e controle em tempo real. Palavras-chave: Sistema de aquisição de dados, Automação industrial, Controle de processos. Abstract. This article presents the proposal for the development of a digital data acquisition, processing and high speed control and performance system destined to industrial automation, didactic and research laboratories. The system will be constituted of interfaces with analogical and digital applications (both with input and output), a digital signal processor (DSP) and a communication channel through USB 2.0. The main objective is the attainment of an equipment that can be used in the acquisition of high frequency signals that exists in applications with ultrasound and real time control. Keywords: Data acquisition system, Industrial automation, Control of processes.

2 1. INTRODUÇÃO Os sistemas eletrônicos de aquisição e processamento de dados são fundamentais para aplicações em diversas áreas da engenharia. Para adquirir dados de processos que fornecem sinais de alta freqüência, o sistema de aquisição precisa oferecer alta velocidade e desempenho, tal como nas aplicações com ultra-som e controle em tempo real. O projeto visa o desenvolvimento de um sistema digital de aquisição de dados, processamento e de controle de alta velocidade e desempenho destinado à automação industrial, laboratórios didáticos e de pesquisa. Para a realização deste projeto será utilizado um Processador Digital de Sinais (Digital Signal Processor DSP) de 32 bits apresentando alto desempenho em tratamento de sinais e representando o estado da arte na área. A interface Barramento Serial Universal (Universal Serial Bus USB) 2.0 é incluída por sua flexibilidade, sendo uma tecnologia emergente que envolve true plug and play e alta taxa de transmissão (até 480 Mbps). 2. MOTIVAÇÃO O mercado de sistemas digitais de aquisição e processamento de sinais, desde o advento da eletrônica digital, tem sido amplamente explorado. Devido às necessidades das indústrias e laboratórios de pesquisa e a grande velocidade com que surgem os avanços tecnológicos se faz necessária a disponibilização de sistemas capazes de adquirir dados com alta velocidade, resolução e ótimo desempenho. A maioria dos sistemas comerciais de aquisição de sinais de alta velocidade é importada, apresentando alto custo e evidenciando a escassez de desenvolvimento nacional de produtos nesta área. Tal fato normalmente representa uma barreira para a implementação de projetos que dependam de um sistema veloz de aquisição de dados. Com esse projeto busca-se uma maior participação nacional no cenário de desenvolvimento de sistemas para medição e controle industrial. Um fator específico e de grande relevância para o início da execução do projeto é a pretensão de se utilizar o equipamento a ser desenvolvido em conjunto com a tecnologia de ultra-som, empregada em aplicações como: medição de vazão não intrusiva, determinação da qualidade de líquidos e gases, inspeção de tubulações. Indústrias que aplicam estes processos são a petroquímica e a de produção de bebidas. 3. OBJETIVOS O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema para aquisição e processamento de sinais analógicos de alta freqüência com interface para um computador. Pretende-se adquirir sinais analógicos com freqüência de até 5 MHz. Além disso, o sistema deverá oferecer uma saída analógica, permitindo sua utilização no controle de processos que exigem uma resposta rápida do controlador. Para permitir o uso em conjunto com outros equipamentos foram previstas uma entrada e uma saída digital, podendo ser utilizadas, por exemplo, como canal de sincronismo.

3 Através do DSP busca-se realizar tanto o processamento dos sinais adquiridos quanto o gerenciamento do sistema. Para que seja possível a transferência e o armazenamento de dados será utilizada a comunicação USB 2.0 com um computador. 4. METODOLOGIA Para o desenvolvimento do projeto é prevista uma série de atividades. Para a realização destas foi adotada a seguinte metodologia: Realizar o gerenciamento de prazos, custos, recursos, escopo e riscos do projeto segundo a estratégia proposta por (Project Management Institute, 2000). Pesquisar a bibliografia existente a respeito de sistemas de aquisição digital de sinais bem como fazer uma análise de mercado sobre estes sistemas. Realizar um levantamento das marcas e modelos de conversores A/Ds, D/As e DSPs, existentes no mercado escolhendo os circuitos integrados mais adequados ao projeto. Analisar os recursos necessários ao desenvolvimento do projeto. Estudar profundamente o DSP escolhido e a interface USB. Desenvolver e testar protótipos em crescente nível de implementação (Hossain, 1995). Como parâmetros para a elaboração do projeto foram definidas a capacidade de aquisição de dados analógicos (mínimo de 10 milhões de amostras de 8 bits por segundo), a possibilidade de processamento digital das amostras, a presença de entrada digital e saídas analógica e digital e a possibilidade de armazenamento de informações. O projeto é constituído de interfaces com aplicações analógica e digital (ambas com entrada e saída), além de comunicação digital com um computador. O diagrama em blocos genérico é apresentado na figura 1, sendo que os blocos hachurados pertencem ao projeto e as setas indicam o fluxo de dados. Figura 1 - Diagrama em blocos genérico do projeto O bloco principal é o do Processamento Digital, que interage com a Aplicação Digital através da Entrada Digital e da Saída Digital, com a Aplicação Analógica através da Entrada

4 Analógica e da Saída Analógica, e com o computador (no qual será possível o armazenamento dos dados adquiridos) através da Comunicação Digital. 4.1 Processamento digital O processamento digital será realizado na plataforma de desenvolvimento TMS320C6711 DSK da Texas Instruments (Chassaing, 2001). Ela emprega o DSP C6711 de 32 bits e 150 MHz, disponibilizando 128 KB de memória de programa e 16 MB de memória de dados. A comunicação com o módulo que contém os outros componentes do sistema é realizada através do barramento, disponível nos conectores de memória e periféricos. O diagrama em blocos é apresentado na figura 2, em que a parte hachurada se refere à plataforma de desenvolvimento. 4.2 Entrada digital Figura 2 - Diagrama em blocos do processamento digital A entrada digital constitui-se de um condicionamento de sinal (adequação de nível e issolamento de entrada) e um segurador de dados. O diagrama em blocos é apresentado na figura Saída digital Figura 3 - Diagrama em blocos da entrada digital A saída digital é constituída de um segurador de dados e um condicionamento de sinal (adequação de nível e isolamento de saída). O diagrama em blocos é apresentado na figura 4.

5 Figura 4 - Diagrama em blocos da saída digital 4.4 Entrada analógica A entrada analógica constitui-se de um condicionamento de sinal (adequação de nível, filtro de entrada e isolamento de entrada), um filtro anti-aliasing (filtro passa-baixas) e o conversor analógico para digital. O diagrama em blocos é apresentado na figura 5. Figura 5 - Diagrama em blocos da entrada analógica O conversor A/D deverá apresentar taxa de amostragem mínima de 10 MS/s com resolução mínima de 8 bits. Assim a arquitetura de conversão mais indicada é a conversão por pipeline. Dois conversores que estão em análise são o ADS5421, produzido pela Burr-Brown, e o AD9244, produzido pela Analog Devices. 4.5 Saída analógica A saída analógica é constituída do conversor digital para analógico, um filtro reconstrutor (filtro passa-baixas) e um condicionamento de sinal (adequação de nível, filtro de saída e isolamento de saída). O diagrama em blocos é apresentado na figura Comunicação digital Figura 6 - Diagrama em blocos da saída analógica A comunicação digital será realizada utilizando o padrão USB 2.0 (Axelson, 2002) e implementada pelo circuito integrado CY7C68013 da Cypress. O diagrama em blocos é apresentado na figura 7.

6 4.7 Sistema completo Figura 7 - Diagrama em blocos da comunicação digital Unindo as informações expostas nas seções anteriores em um único diagrama em blocos, obtemos a figura 8. Figura 8 - Diagrama em blocos detalhado do projeto Para que um sinal analógico de uma aplicação do sistema possa ser lido através da Entrada Analógica, deve ser primeiramente condicionado para as características de entrada, passando por um filtro anti-aliasing (para evitar rebatimentos de freqüências espúrias na faixa de operação) antes de ser convertido pelo conversor A/D e disponibilizado para o DSP. Para que um sinal seja sintetizado para a aplicação, deve percorrer o caminho inverso, passando pelo DAC e por um filtro reconstrutor (diminuindo as harmônicas de alta freqüência e melhorando a forma temporal do sinal) antes de ser condicionado para atuar sobre a Aplicação Analógica. Os sinais digitais (da Aplicação Digital) passam apenas pelo estágio de condicionamento e por um segurador de dados. A comunicação com o Computador será realizada através do Controlador USB. Todo sinal que chegue ou saia do DSP utilizará o barramento. Dessa forma, o sistema é gerenciado pelo DSP, podendo realizar operações aritméticas e/ou lógicas com os sinais de entrada e então enviá-los para a saída analógica e/ou para o computador. 5. CONCLUSÕES E DISCUSSÕES A demanda atual no mercado nacional por sistemas de aquisição de dados está, praticamente em sua totalidade, sendo atendida por empresas norte-americanas. Diante disso, nota-se a

7 possibilidade de desenvolvimento de um produto nacional que englobe tecnologia de ponta, oferecendo para o mercado interno, um produto de alta velocidade e desempenho. Dessa forma o equipamento a ser desenvolvido tem potencial para conquistar uma parcela significativa do mercado nacional e até mesmo do mercado internacional. A análise de mercado realizada demonstrou também que equipamentos fundamentados em estrutura modular representam uma fatia considerável deste mercado. Dessa forma, a fase de desenvolvimento de um protótipo, fundamentado em uma plataforma já existente, para a posterior constituição de um produto independente, deixou de ser avaliada apenas como uma etapa necessária, tornando-se uma possibilidade para se adquirir os conhecimentos necessários à execução do projeto e ao mesmo tempo entrar no mercado de sistemas de aquisição de dados com um protótipo totalmente funcional. Agradecimentos Apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo - ANP - e da Financiadora de Estudos e Projetos - FINEP - por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás - PRH-ANP/MCT (PRH10-CEFET-PR). REFERÊNCIAS Axelson, J., 2002, USB Complete: everything you need to develop custom USB peripherals, John Wiley & Sons. Chassaing, R., 2001, DSP Applications Using C and the TMS320C6x DSK, Lakeview Research. Hossain, A., 1995, Computer Aided Electronic Circuit Board Design and Fabrication: using OrCAD/SDT and OrCAD/PCB software tools, Prentice Hall. Project Management Institute, 2000, A Guide to the Project Management Body of Knowledge, PMI.