Bancada Virtual: Sistema Motriz de Bombeamento de Água Para Ensino de Eficiência Energética

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1 Bancada Virtual: Sistema Motriz de Bombeamento de Água Para Ensino de Eficiência Energética Fernanda A. Leal, Manoel R. Filho * * Laboratório de Realidade Virtual Universidade Federal do Pará (UFPA) Rua Augusto Corrêa, 01 - Guamá. CEP Caixa postal 479. {eng.fernandaleal@gmail.com, mrf@ufpa.br} Abstract. Using desktop Virtual Reality techniques built a virtual environment of a drive system for pumping water, where the user can perform two tests. These tests, the method of flow adjustment by throttle valve and the method of flow adjustment by varying the electric motor, are used in industry. The user makes the experience as if in a real plant, pushing buttons on the screen and checking the results, which ultimately are analyzed and compared in order to determine which method uses less power. Resumo. Utilizando técnicas de Realidade Virtual desktop foi construído um ambiente virtual de um sistema motriz de bombeamento de água, onde o usuário pode realizar dois ensaios. Esses ensaios, o método de ajuste de vazão por válvula de estrangulamento e o método de ajuste de vazão pela variação do motor elétrico, são utilizados na indústria. O usuário realiza as experiências como se estivesse em uma planta real, acionando botões da tela e verificando os resultados, que ao final são analisados e comparados a fim de se determinar qual o método que gasta menos energia. 1. Introdução Entende-se eficiência energética como o conjunto de práticas e políticas, que reduza os custos com energia e/ou aumente a quantidade de energia oferecida sem alteração da geração. Duarte (2007) enfatiza que a classe industrial é a de maior consumo de energia elétrica do país, sendo também responsável por expressiva parcela do seu desperdício. Segundo o Balanço Energético Nacional (2010), as indústrias consomem cerca de 43,7% da energia elétrica ofertada no Brasil, sendo que aproximadamente 49% dessa energia é consumida por sistemas motrizes. Um Sistema Motriz é um conjunto de elementos interligados utilizados principalmente no setor industrial em seus processos de manufatura. O motor elétrico é o elemento gerador de torque e velocidade a partir da energia elétrica da rede trifásica. No caso particular de sistemas de bombeamento de água, o motor elétrico é acoplado a uma máquina operatriz hidráulica: a bomba d água. Em geral na indústria, empresas de saneamento e em outras aplicações, os sistemas de bombeamento operam suas máquinas usando dois métodos: método de ajuste de vazão por válvula de estrangulamento e o método de ajuste de vazão pela variação do motor elétrico. Laboratórios reais de sistemas motrizes, como o LaMOTRIZ (Laboratório de Tecnologias Avançadas em Sistemas Motrizes, UFPA), utilizam esses dois métodos, onde os alunos em aulas práticas realizam ensaios utilizando os dois métodos citados e ao final fazem uma comparação para verificar qual deles consome menos energia, que deve ser o usado para se conseguir eficiência energética.

2 A realidade virtual (RV) e suas características básicas se mostram como uma excelente alternativa no processo de aprendizagem, [A Cardoso 2007]. Este trabalho tem como base conceitos sobre o uso de Realidade Virtual Desktop, [ Ji-Young e Stverzlinger 2004], e suas aplicações no processo de ensino/aprendizado, [Pinheiro 2005], assim como as experiências e conhecimentos adquiridos ao longo do tempo. Quando se trata do estudo de eficiência energética uma das principais dificuldades está relacionada ao custo para construção de bancadas para realização dos experimentos, a realidade virtual vem justamente para quebrar esta barreira se mostrando como uma solução viável, altamente eficiente e próxima da realidade encontrada nos tradicionais laboratórios. Ela apresenta ao usuário a possibilidade de interagir com o ambiente analisar seus experimentos e tirar conclusões referentes ao que esta sendo estudado sem precisar que este esteja fisicamente no laboratório dando assim mais uma opção para complementar os estudos. O Modelo de Bancada Virtual Para Ensino de Eficiência Energética, apresentado nesse artigo, foi construído pelo Laboratório de Realidade Virtual da UFPA ( LaRV) utilizando-se de técnicas de realidade virtual, tendo como modelo as bancadas do Laboratório de Tecnologias Avançadas em Sistemas Motrizes ( LaMOTRIZ), o mesmo faz parte do Ceamazon - Centro de Excelência em Eficiência Energética da Amazônia- também da UFPA. 2. Estudo de Caso: Bancada Virtual A bancada virtual trata-se de um composto de um laboratório virtual para ensino de eficiência energética. É um ambiente desenvolvido para execução de experimentos que visa comparar o melhor método para um uso eficiente da energia. O usuário pode ainda manipular objetos 3D, navegar pelo espaço, além de contar com recursos como navegação guiada e narração. 3. Arquitetura do Sistema O sistema é composto por módulos percebidos apenas do ponto de vista do desenvolvedor. Cada módulo possui funções bem definidas para resolução de algumas tarefas totalmente transparentes ao usuário do software. Por exemplo, o módulo de carregamento de recursos é extremamente importante para o gerenciamento eficiente da memória, porém o usuário do software desconhece este gerenciamento, vendo somente o objeto já carregado no ambiente virtual. A Fig. 1 mostra os módulos componentes do Sistema e suas relações. Figura 1. Arquitetura do Sistema O Núcleo é o módulo mais importante do Sistema. É responsável pelo controle da cena 3D e de toda a construção e exibição da simulação, incluindo som, renderização 3D e supervisão dos ensaios virtuais das experiências. O Núcleo controla ainda as funções disponíveis no módulo Interpretador XML. O Núcleo também tem o papel de

3 renderizar todas as mídias do sistema, sendo a renderização de vídeo auxiliada principalmente pelas funções da biblioteca OGRE3D (2010), e as renderizações de som pela biblioteca FMOD (2010). O papel da renderização é basicamente representar virtualmente os agentes no ambiente virtual, provocando a característica de imersão do usuário com a cena. A Interface Gráfica do Usuário (do inglês Graphical User Interface) do Sistema, assim como qualquer outra GUI, é o intermediador entre o usuário e o software e suas funções. O ambiente GUI compreende os componentes que permitem a execução de ações básicas do sistema, como iniciar ou pausar uma animação, inserir novos objetos 3D ou criar mensagens textuais, por exemplo. O ambiente virtual, que exibe o cenário 3D, possui interatividade própria, ou seja, o usuário pode navegar pelo mundo virtual diretamente, com liberdade total de câmera (movimentos nos três eixos, em quaisquer sentidos) via mouse ou teclado, independente dos componentes GUI. Durante a interação com o ambiente 3D, portanto, o usuário não precisa utilizar os elementos GUI para movimentação de câmera, apesar de isso ser possível. Usando a interface GUI, o usuário pode, entre outras funcionalidades, solicitar que o sistema desloque a câmera automaticamente para uma posição em que um objeto específico seja enquadrado no campo de visão. O sistema Bancada Virtual é composto por um conjunto de tecnologias, que implementam os ambientes virtual e GUI. Entre as principais tecnologias envolvidas, podem ser citadas a linguagem de programação C++, as bibliotecas QT para interfaces GUI, a engine gráfica Ogre3D, a linguagem XML e os objetos CAD. O sistema Bancada Virtual foi implementado por meio da linguagem de programação C++, amplamente utilizada em muitas aplicações, com grande índice de popularidade na área de desenvolvimento de softwares. A linguagem C++ caracterizase, entre outras peculiaridades, pela metodologia de programação orientada a objetos (POO) e pela possibilidade de programação em alto e baixo nível, configurando-se como uma linguagem poderosa e ao mesmo tempo flexível [Deitel 2009]. As bibliotecas QT e Ogre3D, usadas na implementação do sistema Bancada Virtual, são escritas em C++. QT é um pacote de bibliotecas multiplataforma, escritas em C++, voltadas ao desenvolvimento de interfaces GUI. O seu vasto conjunto de componentes GUI possibilita um alto nível de abstração; ou seja, permite que a programação seja focada na implementação das funcionalidades, minimizando o código destinado à interação com o usuário. Estima-se que, em média, 48% do código de uma aplicação se refere apenas à interação com o usuário [Nielsen 1993]. Nessa conjuntura, bibliotecas gráficas se mostram muito úteis ao desenvolvimento de aplicações complexas, como o sistema Bancada Virtual. Ogre3D é um pacote de bibliotecas, também escrito em C++, destinado ao desenvolvimento de aplicações 3D. Caracteriza-se pela metodologia de orientação a objetos e por atuar como uma camada de software, que permite uma abstração de altonível, facilitando a utilização das bibliotecas gráficas OpenGL e Direct3D (que exigem uma programação em um mais baixo nível). O ambiente virtual do sistema Bancada Virtual é implementado com o Ogre3D,

4 que é, portanto, a camada de software que gerencia o cenário 3D; ou seja, manipula os objetos 3D, a câmera, a luz, etc. O interpretador XML [W3C-XML, 1998] é o responsável pela leitura e gravação de arquivos dos ensaios das experiências, os quais estão em formato XML. Este arquivo contém as informações de composição do grafo da cena 3D e a descrição de toda a simulação a ser realizada. Um arquivo XML é dividido em dois níveis principais: 1. Configuração: define parâmetros como nome e descrição textual resumida do ensaio, e cor de fundo do painel do ambiente virtual; 2. Objetos: este nível contém todo o grafo de cena a ser montada pelo núcleo, com informações de posição, orientação, recurso em disco a ser carregado pelo módulo Carregador 3D, nome de exibição e quem é o seu objeto pai no grafo de cena; O carregador 3D pode carregar modelos 3D e sons. Estas representações são armazenadas em disco nos mais variados formatos de arquivos. A parte do Sistema responsável pelo transporte destes arquivos para a memória volátil do computador é o Carregador 3D. O Carregador primeiro faz a catalogação de todos os arquivos contidos em uma pasta e suas sub-pastas sinalizando erros nos nomes dos arquivos, como nomes duplicados ou com acento. Carrega os arquivos que descrevem a texturização dos modelos 3D. Finalmente, a partir de uma ordem do Núcleo, o arquivo é carregado em memória pelo carregador e então é exibido para o usuário, algumas características importantes do carregador 3D são: carrega modelos 3D no formato mesh, carrega sons em diversos formatos, incluindo mp3, ogg e wav e responsável também pelo descarregamento da memória dos objetos. Todos os modelos 3D são criados no aplicativo 3DSMax, [Mudorck 2007], já para a construção das texturas e tratamento de imagens, etapa primordial na construção de modelos 3D,foi utilizado o Gimp (2011). Em seguida são exportados para o formato mesh, e com este formato é possível carregar qualquer objeto no ambiente virtual existente no aplicativo. Para uma questão de organização dos objetos gerados existe uma estrutura denominada Media onde todos os objetos são agrupados de acordo com seu tipo e arquivos correspondentes como meshes, materiais e texturas. No bloco ensaio virtual da Fig.1, estão descritas os procedimentos das experiências em formato XML. 4. Resultados Nesta seção será apresentada a Bancada Virtual para Ensino de Eficiência Energética. A Fig. 2 mostra a interface do sistema e a Bancada Virtual e alguns de seus componentes, nessa interface, o usuário pode contar com botões que disponibilizam arquivos no formato.pdf, como por exemplo o botão localizado mais a direita da Fig.2 que ao ser clicado, disponibilizará ao usuário um Referencial Teórico sobre sistemas de bombeamento de água. Ainda na Fig. 2, à esquerda do botão Referencial Teórico, temos o botão Roteiro que disponibiliza o passo-a-passo para a realização dos dois ensaios. Na parte superior da lateral esquerda temos uma janela que mostra o nome de todos os componentes que compõe o Laboratório, inclusive a bancada. Logo na parte inferior temos uma outra janela, esta mostra informações sobre um componente especifico que faze parte da bancada, bastando para isso posicionar o mouse sobre este componente. No caso especifico mostrado na Fig. 2, temos informações sobre a Válvula VCA que compõe a bancada.

5 Inicialmente é mostrado as condições iniciais, com informações textuais e sonoras (narradas por um locutor). As Figs. 3 e 4, mostram que no inicio as válvulas estão abertas, uma das condições iniciais para dar inicio ao experimento. Em seguida, outras condições são mostradas como, por exemplo, motor estar desligado e a tubulação estar sem água, reservatório superior estar totalmente vazio. Após serem apresentadas todas as condições iniciais importantes terá inicio a experiência, onde o usuário irá acionar botões, que na planta real ele aciona através de uma tela sensível ao toque. A Fig. 5 mostra o momento em que o sistema aguarda informações do usuário ( neste caso, Pressionar o botão Executar Experimento). Após executar o experimento, o motor começará a girar, gerando fluxo de água para o reservatório superior ( antes vazio), o fluxo de água é indicado por setas, como mostra a Fig. 6. Após algumas etapas não apresentadas nesse artigo, aparecem as telas de dados a serem analisados como mostra a tela da Fig. 7, que contém os dados do experimento que o usuário deverá coletar para analise e comparação com os outros procedimentos do projeto. Figura 2. Interface do Sistema Figura 3. Pré-condições, VS1 aberta Figura 4. Pré-condições, VS2 aberta Figura 5. Pressionar o Botão Executar Figura 6. Fluxo de água indicado por setas

6 Figura 7. Valores de Potência, Pressão e Vazão 5. Conclusões Usando técnicas de realidade virtual desktop este artigo apresentou um laboratório virtual de eficiência energética. O estudo de caso foi um sistema motriz de bombeamento de água, que é bastante utilizado na indústria e em plantas reais de laboratórios de ensino. O resultado foi um laboratório virtual com todas as características de um laboratório real, e que será usado brevemente como aulas de laboratórios tanto em cursos presenciais, como em ensino a distância. Em relação a um laboratório real, terá ainda a vantagem de ser usado em estudo continuado, onde o aluno poderá rodar em um computador pessoal em casa ou no trabalho. O sistema Bancada Virtual pode ir além do ensino de eficiência energética, podendo ser utilizado em outros laboratórios como de Automação Industrial, Redes, ou qualquer outro em que se possa realizar experimentos práticos a fim de analisar resultados, bastando para isso os modelos 3D que representam o ambiente que ser quer simular e, claro, um algoritmo que mostre os procedimentos a serem realizados e como devem ser realizados. Referencias DUARTE, A. O. de S. M. et al. (2007) Utilização da Automação como Agente para Aumento da Eficiência Energética em Sistemas Motrizes Industriais. Anais da II Congresso Brasileiro de Eficiência Energética CBEE. Vitória. Oh, Ji-Young e Stverzlinger, Wolfgang. (2004) A system for desktop conceptual 3D design. Virtual Reality. Springer-Verlag London Limited, pag Pinheiro, C.D.B., Ribeiro Filho, M.. (2005) LVR- Laboratório Virtual de Redes- Protótipo para Auxilio ao Aprendizado em Disciplinas de Redes de Computadores. Anais do XVI SBIE, pag OGRE. Ogre (2010). Disponivel em: < FMOD. FMOD (2010). Disponivel em: < DEITEL, Paul; DEITEL, Harvey M., 2009, C: How to Program. 6. ed. ISBN NIELSEN, Jakob. Usability Engineering. 1 ed. Califórnia, ISBN: p. IX W3C-XML: Extensible Markup Language (XML)1.0. (1998). World Wide Web Consortium. Available in:< Mudorck, Kelly L. (2007) 3ds Max 9 Bible. Indianopólis: Wiley publishing Inc. GIMP < acessado em março de 2011.