VIRTUALIZAÇÃO DE INSTRUMENTOS INDUSTRIAIS UTILIZANDO O LABVIEW Rafael F. Ferreira, Zanoni D. Lins, Marcelo C. Cavalcanti DEESP Dept. de Eng. Elétrica e Sistemas de Potência, UFPE Universidade Federal de Pernambuco rafaelelt@yahoo.com.br,zdl@ufpe.br,marcelo.cavalcanti@ufpe.br Resumo A virtualização de instrumentos de medida para processos industriais e laboratoriais tem se tornado uma interessante solução com vantagens em termos de custo, eficiência e funções associadas ao instrumento a ser virtualizado. Muitos processos de automação industrial têm já usado a virtualização de instrumentos para medição e visualização de maneira remota. A National Instruments desenvolveu um software chamado LabVIEW, para o controle e aquisição de dados que perfeitamente se adequa em soluções de instrumentação. Com este software e sua placa de aquisição, é possível desenvolver, por exemplo, osciloscópios e multímetros, e visualizar medidas de temperatura e pressão, tendo um custo significantemente menor em comparação com o custo de um instrumento real, permitindo flexibilidade e qualidade. Este artigo apresenta a implementação de um osciloscópio virtual que pode ser adaptado ao contexto industrial, com investimentos em hardware para melhorar a qualidade de medição. Palavras-chaves Instrumentos virtuais, LabVIEW, Aquisição de dados, Instrumentação. Abstract The virtualization in measurement instruments for industrial and laboratory processes has becoming an interesting solution with advantages in terms of cost, efficiency and functions associated to the instrument to be virtualized. Many processes of industrial automation have already use the virtualization of instruments for measurement and visualization in a remote way. The National Instruments developed a software, called LabVIEW, of control and data acquisition that fits perfectly in solutions of instrumentation. With this software and its acquisition board, it is possible to develop, for example, oscilloscopes and multimeters, and to visualize temperature and pressure measurements, having a significant lower cost than the real instrument, allowing flexibility with quality. This paper presents the implementation of a virtual oscilloscope that can be adapted to the industrial context, investing in hardware to improve the quality of the required measurement. Keywords - Virtual instruments, LabVIEW, Data Acquisition, Instrumentation. I. INTRODUÇÃO Os modernos sistemas automatizados necessitam cada vez mais de uma menor intervenção de operadores para garantir o seu bom funcionamento. O funcionamento de processos automatizados depende da correta medição das grandezas do sistema e isto, exigia - no passado - que as indústrias tivessem em seu quadro de profissionais técnicos especializados em medição buscando garantir a correta operação do processo. Os instrumentos de medição eram pesados, caros, sensíveis, de baixa precisão e exatidão, de difícil operacionalidade que provocavam muitas vezes falhas e até o interrompimento de processos industriais. Atualmente, com computadores e softwares de supervisão tem-se aumentado a eficiência do processo industrial de forma geral, com a virtualização e automação dos instrumentos de medição [1,2]. O LabVIEW, software de controle e aquisição de dados da National Instruments (NI) [2,3,4,5], tem se mostrado bastante útil no que diz respeito aos processos automatizados e virtualização de instrumentos. Através deste software e da placa de aquisição de dados (NI PCI 6023-E), será implementado um osciloscópio virtual que indicará as vantagens da virtualização de instrumentos. II. VANTAGENS NA VIRTUALIZAÇÃO DE INSTRUMENTOS INDUSTRIAIS A. Segurança Com a virtualização de instrumentos é possível fazer todo o processo de medição de forma remota, ou seja, não há necessidade do operador estar em contato com o que se deseja medir, que pode ser a temperatura de uma caldeira, a tensão elétrica nos terminais de uma máquina. Além da segurança dos operadores, tem-se a segurança no processo de produção, pois mesmo se o operador estiver desatento, o software de aquisição indica que valores limites de segurança foram atingidos e o processo precisa ser finalizado e até mesmo, mostrar onde ocorreu o problema.
B. Flexibilidade Com instrumentos virtuais, cada programador implementa a função que desejar no instrumento virtual de acordo com as necessidades próprias e com os recursos disponíveis no software utilizado. Com o instrumento virtual implementado, o programador pode usá-lo em qualquer computador com a arquitetura e sistema operacional compatível com o computador no qual o programa foi compilado. Assim, basta o programador colocar o instrumento virtual que foi implementado em um outro computador para continuar a sua utilização. Com o LabVIEW é possível criar diversas funções dentro do instrumento virtual, tais como: Salvar dados medidos em tempo real; Salvar imagens em formato digital; Imprimir gráficos de grandezas medidas; Efetuar diversas operações matemáticas com os dados obtidos; Comunicar com outros instrumentos reais ou virtuais; Enviar comandos para hardware; Definir taxa de aquisição de dados. C. Custo A principal vantagem da virtualização de instrumentos é o baixo custo em comparação com os instrumentos reais. Para citar um exemplo, um simples osciloscópio digital padrão com dois canais, com freqüência de 150 MHz, com função de impressão (através de porta paralela) custa cerca de US$ 3.200,00. Enquanto isso, um osciloscópio virtualizado através do software LabVIEW com as vantagens de flexibilidade e com a possibilidade de ser implementado com um maior número de funções em comparação com o osciloscópio real citado anteriormente, custa um total de aproximadamente US$ 2.200,00. Este valor inclui a licença do software (US$ 1.400,00), a placa de aquisição (US$ 400,00) e o preço de um computador simples (US$ 400,00 - Celeron 1.7 GHz da Intel com 512 Mb de RAM, 80Gb de HD). Vale salientar que, a placa de aquisição de dados (NI PCI 6023-E) possui 16 entradas analógicas possibilitando a implementação de até oito osciloscópios de dois canais. Ou seja, uma economia de cerca 31% considerando um único osciloscópio implementado. Porém, esta economia será maior a medida que se implemente um maior número de osciloscópios com a mesma placa de aquisição. Ressalta-se ainda que esta placa de aquisição possui (além das 16 entradas analógicas) oito entradas e saídas digitais que permitem elaboração de comandos e/ou lógicas que podem ser úteis no controle do processo. É importante frisar que o LabVIEW não exige que a plataforma operacional seja o sistema MS-Windows; a plataforma operacional do sistema poderá ser o Linux, evitando assim, custo com licenças do sistema operacional. Considerando a construção virtual de mais de um osciloscópio utilizando a mesma placa de aquisição de sinais pode-se construir até oito osciloscópios virtuais (sendo a visualização e manipulação dos dados independente e feita por cada computador). Assim, o valor do custo total da virtualização de um único osciloscópio pode ser calculado pela expressão (1) na considera: 1) O número de osciloscópios virtualizados; 2) o custo da placa de aquisição; 3) o custo da licença; e 4) custo de um computador. Lic + DAQ Custo = + PC (1) NOSC Onde: Lic - Custo da Licença do Software; DAQ - Custo da Placa de Aquisição; NOSC - Número de Osciloscópios; PC - Custo do Computador. Assim, para um total de oito osciloscópios virtualizados simultaneamente por uma mesma placa de aquisição de dados, o custo total por osciloscópio reduz para aproximadamente US$ 625,00; ou seja, uma economia de cerca de 80%. Ressalva-se a necessidade de cabos e uma switch para interligação dos computadores em rede. D. Interface do osciloscópio virtual Para que a manipulação do osciloscópio virtual e a sua operação sejam similares ao osciloscópio real é necessária a implementação de uma interface gráfica similar ao instrumento real. Como exemplo, a Fig. 1 apresenta interface gráfica do osciloscópio virtual implementado (sem a inclusão da função trigger) similar um osciloscópio real. Como pode ser visto nesta figura, o instrumento virtual implementado tem os seguintes controles para cada um dos dois canais : 1. Amplitude (volt/divisão); 2. Off-set (volt); 3. Tempo/divisão (simultâneo para os dois canais); Seleção de canal (canal 1, canal 2 ou os dois canais visualizados simultaneamente); 4. Salvar dados em arquivo de texto para a manipulação posterior; 5. Salvar gráfico em formato digital (*.jpg); 6. Impressão do gráfico visualizado na tela m-se a interface que será implementada. E. 2.5 Implementação do osciloscópio virtual A descrição do código de blocos em LabVIEW para a construção da interface gráfica e a implementação das funções do osciloscópio tem a descrição sucinta apresentada a seguir: Na interface gráfica, os controladores de off-set e escala estão em Control Palette Numeric; os seletores de canais estão em Control Pallete Boolean. Com esses controladores numéricos cria-se a interface similar ao osciloscópio real. O indicador Gráfico usado é o Waveform Graph, que permite plotar gráficos de um vetor de dados no tempo. Além disso, pode-se permitir a que seja feito um incremento padrão nos controles numéricos por exemplo, fazendo com que o controle de volt por divisão seja de meio em meio volt (como foi implementado). Pode-se também definir padrões de inicialização dos controles por exemplo, off-set sempre iniciar em zero e volt por divisão sempre iniciar em um ao ligar o osciloscópio virtual.
Fig. 1 Interface gráfica do osciloscópio implementado virtualmente. Fig. 2 Diagrama de blocos do osciloscópio implementado virtual. Após montar o painel frontal (interface gráfica do osciloscópio), deve-se atribuir funcionalidades aos indicadores e controladores deste painel. Ou seja, necessitase editar os diagramas de blocos no ambiente de programação do LabVIEW. Para o osciloscópio implementado, as funções utilizadas foram as seguintes: Waveform Scale and OffsetVI: Esta função é encontrada em Function Pallete Waveform Analog Waveform Waveform Scale and OffsetVI. Esta função possui duas entradas de controle, uma entrada de dados e uma saída de dados. Em uma das entradas de controle indica-se o fator multiplicativo do sinal, ou seja, na saída tem-se o sinal, multiplicado por um número. Na outra entrada de controle, off-set, determina-se o valor que será somado ao sinal de entrada. Assim, na saída desta função tem-se a expressão do tipo Y=mX + b, onde m é o fator multiplicativo, e o b é o fator somador, o off-set. Assim consegue-se simular o off-set e volts/divisão do osciloscópio. Scale Delta t.vi: Esta função é encontrada em Function Pallete Waveform Scale Delta t.vi. Esta função possui uma entrada de controle, uma entrada de dados e uma saída de dados; na entrada de controle indica-se o fator multiplicativo da freqüência do sinal ou seja, na saída tem-se a freqüência do sinal multiplicado por um número. Assim, simula-se o tempo por divisão do osciloscópio. Construtor de Arrays: É uma função que serve para indexar os dados obtidos na aquisição do dispositivo de aquisição. Write Measurement File: É a função que é utilizada para escrever os dados coletados em arquivo, e assim pode-se utilizar os dados posteriormente para análise.
Fig. 3 Interface gráfica do osciloscópio implementado virtualmente com a inclusão da função trigger. Fig. 4 Diagrama de blocos do osciloscópio implementado virtual com a inclusão da função trigger Aquisição de dados: Esta função é específica para quem possui placa de aquisição de dados. Esta função é encontrada em Function Pallete Ni measurements Data Acquisicion. A primeira entrada desta função indica qual o dispositivo será utilizado. Em computadores com mais de uma placa de aquisição de dados é possível observar mais de uma possibilidade nesta entrada, na implementação realizada, tem-se apenas uma placa de aquisição de dados (PCI 6023-E). A segunda entrada especifica qual o canal da placa que o programa utilizará para aquisitar os dados. Na outra entrada tem-se a taxa de aquisição. Na saída da função, o sinal elétrico. Na Fig. 2, é apresentada a condição de operação do osciloscópio (sem a inclusão da função trigger) quando a chave seletora de canais está posicionada no canal 2, e a chave seletora do modo de visualização (um canal ou os dois canais simultaneamente) na condição de um canal por vez ou seja, na posição Single; assim, nesta condição, o sinal é obtido do canal 2 - dispositivo 1.
O sinal é multiplicado e somado na função Waveform Scale and OffsetVI pelos valores que estão nos respectivos indicadores numéricos. Em seguida, o sinal passa pela função Scale Delta t.vi, onde é realizada a adequação do sinal em tempo por divisão. No final, o valor após as manipulações é exibido em formato gráfico através da função Waveform Graph. Na condição onde o canal 1 está selecionado, os dados são obtidos pelo canal 1 e, após as manipulações matemáticas destes dados, passam a ser exibidos através do Waveform Graph. Se o modo Dual estiver selecionado os dois gráficos, com os dados que foram manipulados simultaneamente, são exibidos ao mesmo tempo no indicador gráfico. Outras funções podem ser implementadas no osciloscópio a partir do LabVIEW, tais como: Disparo de atuação (trigger) para o registro de dados; Interrupção de registro; Cálculo da THD - Total Harmonic Distortion da onda medida. A Fig. 3 apresenta interface gráfica do osciloscópio virtual implementado com a inclusão da função trigger. Para mostrar como foi feita a implementação da função trigger no osciloscópio é apresentado o diagrama de blocos na Fig. 4. Nesta implementação, quando o sinal atinge um valor acima de um determinado valor pré-selecionado pelo usuário, o osciloscópio salva os dados em arquivo automaticamente, sem a necessidade do usuário apertar o botão Salvar Dados. Mesmo procedimento de disparo e armazenamento de dados automaticamente pode ser realizado para valores abaixo de um determinado valor préestabelecido, podendo ser utilizado para qualquer dos dois canais esta comparação; ou seja, se o sinal ultrapassar um determinado valor acima ou abaixo de um valor préselecionado o osciloscópio inicia o processo de gravação com a função trigger ativada. Não se usa nenhuma função especial para implementar esta função no osciloscópio; é necessário somente - para esta implementação - de um conjunto de funções and e or e funções de comparação. Os dados do canal 1 são salvos por trigger sempre que a condição acima for aceita e o canal 1 ou o modo dual estiver habilitado, analogamente poderá ocorrer o salvamento automático dos dados do canal 2. A placa de aquisição de dados utilizada é de fácil utilização e de reduzido custo. A sua taxa máxima de aquisição de dados é de 200.000 amostras por segundo, com uma resolução de entrada de 12 bits. A faixa da tensão de entrada dessa placa é de -10 a -0,05 V e de 0,05 até 10 V. A National Instruments dispõe de placa de aquisição de dados (PCI 5152) de até 1.000.000 de amostras por segundo por canal. III. CONCLUSÕES Instrumentos virtuais de medição para utilização em processos industriais e/ou laboratoriais têm sido cada mais utilizados devido ao baixo custo em comparação com os respectivos instrumentos reais. Este trabalho apresentou a implementação de um osciloscópio virtual que pode ser adaptado a condição requerida. O osciloscópio, construído através do software LabVIEW e da placa de aquisição de dados (NI-6023-E), é um exemplo de aplicação simples de virtualização e/ou automação de instrumentos com a capacidade de trazer significativa redução de custo, flexibilidade de utilização e segurança ao usuário. REFERÊNCIAS [1] Regazzi, Rogério Dias. (2005). Soluções Práticas de instrumentação e automação - Utilizando a programação gráfica LabVIEW. Rio de Janeiro. [2] Manual de Treinamento do LabVIEW Básico 1, National Instruments, Out 2000 [3] National Instruments LabVIEW Getting Start with LabVIEW, National Instruments Corporation, Jul 2000 [4] National Instruments LabVIEW User Manual, National Instruments Corporation, Jul 2000 [5] National Instruments LabVIEW-Measurements Manual, National Instruments, Jul 2000. BIOGRAFIAS Rafael Ferreira Freitas, é estudante de graduação do 9º período do curso de Engenharia Elétrica-Eletrotécnica do departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência da Universidade Federal de Pernambuco. Zanoni Dueire Lins, D.Sc. é engenheiro eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco (1985), realizou mestrado em engenharia elétrica na área de sistemas elétricos de potência na UFPE (1992) e concluiu o doutorado pela Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP (2001) na área de automação de máquinas elétricas. É Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência da UFPE desde 1993. Suas áreas de interesse incluem acionamentos de máquinas elétricas, eficiência energética, qualidade de energia e sistemas fotovoltaicos. Marcelo Cabral Cavalcanti D.Sc. é engenheiro eletricista pela Universidade Federal de Pernambuco (1996), realizou mestrado em engenharia elétrica na área de conversores fonte de tensão com barramento CC pulsado pela Universidade Federal de Campina Grande-UFCG (1999) e concluiu o doutorado pela UFCG (2003) na área de eletrônica de potência. É Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência da UFPE desde 2205. Suas áreas de interesse incluem eletrônica de potência, conversores matriciais, qualidade de energia e sistemas fotovoltaicos.