PROGRAMA DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
CICLO 2003/2004
FORMULÁRIO IV: Acompanhamento da Execução do Projeto
INÍCIO: 18/10/2005
18 meses
DURAÇÃO:
MÊS DA AVALIAÇÃO: 16
B. Gerente do Projeto: Desenvolvimento de um Sistema Baseado em Agentes Inteligentes para
o Monitoramento de Unidades
Geradoras na UHE de Tucuruí
Nome:
Pedro Wenilton Barbosa Duarte e Jânio José de Lana
Fone:
Cel:
E-Mail:
[email protected]
[email protected]
C. Acompanhamento do Cronograma Físico: (Identificar por codificação de cores, para cada etapa, o
cronograma previsto e realizado, justificando as discrepâncias apresentadas)
Ano: 01
Ciclo:
Número/Etapa
1
1
Estudo do Sistema Atual
2
Implementação do Sistema de
Instrumentação
3
Desenvolvimento e
Implementação do sistema de
Aquisição de Dados
4
Projeto e Implementação
Agentes Inteligentes
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
dos
Ano: 02
Ciclo:
Número/Etapa
1
1
Testes de Validação dos Agentes
em um Sistema de Laboratório
2
Testes de Validação dos Agentes
na UHE de Tucuruí
Legenda:
Previsto
(Cor 1)
Realizado (Cor 2)
1
Justificativas:
Desenvolvimento e Implementação do sistema Distribuído de Aquisição de Dados e
de Monitoramento do Sistema de Escovas .
Para aquisição remota e distribuída das variáveis a ser monitoradas, incluindo ente
elas
nível de desgaste das escovas dos geradores, foi desenvolvido um sistema de
aquisição de dados com comunicação em protocolo MODBUS e rede RS-485. O protocolo
MODBUS define uma estrutura de mensagens de comunicação usadas para transferir
dados discretos e analógicos entre um sistema mestre e sistemas escravos. No sistema
projetado, as unidades remotas de aquisição de dados desenvolvidas no projeto são
projetadas para operar de forma remota, com arquitetura DSPIC, coletando dados de
medidas dos equipamentos e transmitindo esta informação em protocolo MODBUS sobre
RS-485 para uma unidade mestre que ficará localizada na sala de controle das unidades
geradoras da UHE de Tucuruí. A unidade mestre é parte do sistema multiagentes, podendo
ser implementada em um aplicativo JAVA específico ou integrando-se com aplicativos
industriais padrão, tais como Labview e Elipse, dentre outros.
O padrão RS485 permite múltiplos receptores e transmissores em um único par
trançado. O máximo permitido depende da potência que cada dispositivo absorve da rede.
Idealmente, todos os receptores e transmissores inativos terão impedância infinita, não
influenciando na carga do sistema. Cada receptor unido à rede e todos os transmissores
inativos adicionarão uma carga incremental. Os CI’s transceptores MAX485 e MAX 487,
que são especificados em uma unidade de carga e ¼ de unidade de carga, respectivamente.
O número máximo de unidades de carga em um cabo par trançado, com terminação e
impedância característica igual a 120Ω, é de 32 unidades. Isto significa que podem ser
usados até 32 MAX485s ou até 128 MAX487s em uma única rede RS-485.
2
O sistema de aquisição de dados desenvolvido no projeto irá se conectar a uma rede
RS-485 através do CI de interface MAX485, fabricado pela empresa Maxim. É um circuito
que converte sinal a nível TTL (0 a 5 volts) em níveis RS485 (–7 a 12 V). Tem uma
unidade de carga de “1”, possibilitando conectar no máximo 32 dispositivos na rede.
Como a rede RS-485 compartilha uma única linha para enviar e receber dados, é necessário
habilitar o dispositivo como receptor ou transmissor. Para isto, existem dois pinos, o RE
(Enable receiver) que configura como receptor e o DE ( Enable drive) que ativa como
transmissor. Como esses dois pinos estão com lógica invertida, pode-se usar uma única
saída do microcontrolador aplicada aos dois pinos de controle do MAX485. Aplica-se nível
lógico “1” para ativar a sessão de transmissão e um “0” para a recepção. A
Protocolo Modbus
Modbus é um protocolo aberto de comunicação industrial que foi originalmente
desenvolvido pela Modicon Industrial Automation Systems (hoje Schneider Electric) e que
define uma estrutura de mensagens de comunicação usadas para transferir dados discretos e
analógicos entre um sistema mestre e sistemas escravos e ambientes industriais. O modelo
de comunicação mestre-escravo é caracterizado por um único dispositivo, o mestre,
enviando solicitações, e o restante, os escravos, respondendo os pedidos do mestre. A
figura ilustra a arquitetura de rede Modbus usada no presente projet.
Geralmente, o mestre é um CLP ou um sistema supervisório, enquanto os escravos
são dispositivos de entrada e saída de dados, como sistemas de aquisição de dados, relés de
proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, transdutores de energia e etc.
MODBUS é um protocolo aberto, significando que está livre para que os
fabricantes usem em seu equipamento sem ter que pagar royalties. Ele está entre os
protocolos de mais larga utilização em automação industrial.
3
Figura 1 – Rede Modbus.
Descrição do Protótipo de Sistema de aquisição de dados
O protótipo desenvolvido neste trabalho é um sistema de aquisição de dados
embarcado, com comunicação em rede RS-485 e protocolo MODBUS. O sistema é
denominado como um escravo na rede MODBUS, suprindo informações a um sistema
mestre, que neste caso é um PC com um programa de teste. Para fazer a interface entre a
rede RS232 proveniente do mestre, e a rede RS-485, foi projetado também um conversor
RS232-RS485.
Hardware do Sistema de Módulo de aquisição de dados
O hardware do sistema é composto pelos seguintes blocos: o microcontrolador, a
interface RS485, a interface com o usuário através do display e teclado, a entrada analógica
e a fonte de alimentação. A figura 2 ilustra o diagrama de blocos do hardware.
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Fonte de
alimentação
Display
Microcontrolador
Teclado
Entrada
analógica
Interface 485
Figura 2 – Diagrama de blocos do módulo de aquisição de dados.
O microcontrolador DSPIC tem o principal papel no sistema, sendo o responsável
por todo o controle do dispositivo. É onde está o software com as rotinas do protocolo
MODBUS e de interação com o usuário. Possui diversos periféricos integrados, entre eles
um conversor analógico-digital de 12 bits que é responsável pela digitalização do sinal de
entrada e um módulo de comunicação serial, que permite a comunicação em rede. O
microcontrolador usado no projeto é o DsPIC 30f4013 da Microchip.
A interface RS-485 é a parte do sistema que permite a comunicação do
microcontrolador (linhas desbalanceadas), com a rede de padrão industrial (linhas
balanceadas). Para tal funcionalidade, o sistema conta com o transceptor MAX485 da
Maxim.
Para a configuração do sistema o usuário conta com uma interface composta por um
LCD de 16 colunas por 2 linhas e um teclado formado por quatro botões. Opções como a
taxa de transmissão serial e o endereço na rede MODBUS podem ser mudados,
possibilitando uma maior compatibilidade na interligação em rede com dispositivos
diferentes. A figura 3 ilustra algumas telas de configuração do LCD do equipamento
desenvolvido.
5
Figura 3 – Telas de configuração taxa de comunicação e endereço do escravo no
equipamento desenvolvido
A fonte de alimentação é interna, tendo como principais componentes um
transformador de 110/220 para 16 volts, uma ponte retificadora, um CI regulador 7805 e
demais componentes como capacitores de filtragem, diodo de proteção e led de sinalização.
Software do Módulo de aquisição de dados
A seção principal do software do sistema é baseada no funcionamento do protocolo
MODBUS. A figura 4 mostra o fluxograma simplificado do funcionamento do programa
firmware do equipamento desenvolvido. Após a inicialização o sistema entra e um loop
infinito aguardando a chegada de um quadro MODBUS contendo uma solicitação de
serviço feita pelo computador (nó) mestre da rede Modbus (no caso deste projeto o
computador mestre é um PC industrial executando o software de monitoramento do
sistema de excitação do gerador).
Quando é detectada a chegada de a quadro de mensagem, os campos do mesmo são
examinados para determinar o serviço a ser executado. Em seguida, a função solicitada
pelo mestre é realizada (exemplo: leitura de uma variável analógica) e, finalmente, o
6
quadro de resposta é então montado e enviado ao mestre . Caso ocorra algum erro durante
o processo, a correspondente exceção é tratada e o resultado é comunicado ao mestre.
Começo
Inicializa
o sistema
Aguarda
quadro
MODBUS
Envia resposta de
erro MODBUS
Botão menu
pressionado
Recebe quadro
MODBUS
Verifica
endereço
Inválido
Entra no menu de
configuração
Código de exceção
01
Válido
Verifica código
da função
Inválido
Código de exceção
02
Válido
Verifica campo
de dados
MODBUS
Inválido
Código de exceção
03
Válido
Executa função
MODBUS
Erro
Código de exceção
03
Sem erro
Envia resposta
MODBUS
Figura 4 – Fluxograma com o programa do sistema de aquisição de dados.
7
Hardware do Sistema Conversor RS-232/RS-485
O hardware do conversor consiste basicamente de quatro blocos: o
microprocessador que faz o controle de fluxo, o transceptor RS232, o transceptor RS485 e
a fonte de alimentação. O diagrama de blocos (figura 5) ilustra o hardware do conversor.
Fonte de
alimentação
Interface 232
PC
Interface 485
Rede
RS-485
Microcontrolador
Figura 5 – Diagrama de blocos do conversor RS-232/RS-485.
O microprocessador é o responsável pelo controle de fluxo entre os dois tipos de
rede: RS-232, que é não balanceada e full-duplex (um canal pra transmitir e outro para
receber) e RS-485, que é balanceada half-duplex (o mesmo canal transmite e recebe
dados). O microcontrolador usado no projeto do conversor foi o DsPIC 30f4013 da
Microchip, pois possui dois módulos internos de comunicação serial, sendo usado um para
tipo de rede.
As interfaces de rede baseiam-se em dois Cis: o MAX232, que converte os níveis
TTL para os níveis RS-232 que irão para o PC, e o MAX485, que converte os níveis TTL
para os níveis RS-485 que irão para a rede industrial.
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Software do Conversor
O software do conversor é relativamente simples. Ele fica monitorando os dois
módulos de recepção serial, sendo um para cada tipo de rede. Quando chega um dado no
pino de recepção da UART 1, onde está conectada a rede RS-485, o software
automaticamente manda a informação para o pino transmissor da UART2, onde está a rede
RS-232. O mesmo ocorre no sentido contrário, porém antes de transmitir algum dado na
rede RS-485, o pino de controle do MAX485 deve ser setado, figura 6.
Começo
Configura
DsPIC
Aguarda
recepção
Recebeu
RS232
Ativa
MAX485
como
transmissor
Recebeu
RS485
Escreve dado
no canal
RS232
Escreve dado
no canal
RS485
Ativa
MAX485
como
receptor
Figura 6 – Fluxograma com o programa do sistema de aquisição de dados.
9
Metodologia de Desenvolvimento
O primeiro passo para do desenvolvimento do sistema foi a pesquisa bibliográfica
relacionada às tecnologias envolvidas no projeto: redes RS-485, protocolo MODBUS e
microcontroladores DsPIC. Após uma fase de estudo, foi feito um levantamento do
material necessário para a realização do projeto, como componentes eletrônicos, softwares
de programação e instrumentação necessária.
Recursos necessários para o desenvolvimento
Para o desenvolvimento do projeto foram necessárias diversas ferramentas de
instrumentação e recursos computacionais, tais como:

PC com porta usb e serial.

MPLAB IDE como ambiente de programação do DsPIC.

Compilador C30 para a programação do DsPIC em linguagem C.

Labview para a programação do sistema mestre.

Programa PCB Express para o projeto do layout da placa de circuito impresso.

Gravador e depurador ICD2 para a programação do DsPIC.

Protoboard.

Fonte de alimentação de 5V DC.

Multímetro.

Gerador de funções.

Osciloscópio.

Estação de solda.

Componentes eletrônicos, como: microcontroladores DsPIC 30f4013,
CI’s de
interface MAX232 e MAX 485, LCD de 16x2, transformador de tensão, ponte
retificadora, reguladores de tensão e componentes discretos de uso geral.

Placa de fenolite, cabos, conectores, soquetes e caixas plásticas.
1
0
O Laboratório de Controle de Processos foi o ambiente usado para o
desenvolvimento do trabalho (figura 7).
Figura 7 – Bancada de testes no Laboratório de Controle de Processos.
O protótipo
O protótipo do sistema de aquisição de dados foi testado em um protoboard,
facilitando assim modificações no circuito durante o desenvolvimento. Como a
programação do microcontrolador é in circuit, não foi necessária a retirada do chip para a
gravação do programa. A figura 2.20 ilustra o circuito.
Figura 8 – Protoboard com o circuito do sistema.
1
1
Programa mestre em PC
Para o teste prático do sistema, foi desenvolvido um programa em ambiente gráfico
em um microcomputador PC o qual que funcionará como mestre do sistema de aquisição.
O programa mestre ficará enviando pedidos de leitura da entrada analógica (função
MODBUS de código 03) e exibirá em um gráfico o estado da entrada.. A figura 9 ilustra a
interface com o usuário. A tela permite ao usuário configurar a velocidade de
comunicação, o endereço do escravo e, ainda visualizar em tempo a evolução temporal da
variável sendo monitorada.
Figura 9 – Interface com o usuário do programa MODBUS mestre utilizado nos testes do
equipamento desenvolvido.
7.5 – Desenvolvimento da placa de circuito impresso e Montagem Final do Protótipo
Concluídos os testes de bancada do sistema em proto-board, a etapa seguinte
consistiu do desenvolvimento e montagem da placa de circuito impresso (PCI) e do
gabinete de proteção do equipamento. A figura 10 ilustra o resultado do layout da placa do
sistema de aquisição de dados e a figura 11 apresenta o layout da placa do conversor.
1
2
Figura 10 – PCI do sistema de aquisição de dados.
Figura 11 – PCI do conversor.
Com as placas devidamente soldadas e testadas, passou-se para o acondicionamento
das mesmas em caixas de plástico, onde também foram instalados os conectores de rede,
conector AC, chave liga/desliga, compartimento de fusível, leds indicadores e no caso do
módulo de aquisição também foram colocados o display e os botões. O resultado final da
montagem do protótipo é apresentado nas 2.24 e 2.24, onde são apresentados o módulos de
aquisição e comunicação em modbus/RS-485 (figura 12) e o módulo de conversão RS232/RS-485 (figura 13).
1
3
Display
LCD
Entrada
analógica
Botão liga/
desliga
Led – sinalização de
dispositivo ligado
Portas RS 485,
conectores em
paralelo.
Led – sinalização de
transmissão
Figura 12- Módulo de aquisição de dados montado na caixa de proteção.
Botão liga/
desliga
Led – sinalização de
dispositivo ligado
Portas RS 485,
conectores em
paralelo.
Led – sinalização de
transmissão
Porta
RS 232
Porta
fusível
Alimentação
AC
Chave de seleção
110/220 VAC
Figura 13-Conversor RS232-RS485 montado na caixa de proteção.
1
4
Para o teste final da rede, foi utilizado um cabo balanceado e blindado (figura 14).
Nas extremidades foram utilizados conectores padrão XLR, para maior firmeza e robustez
nos contatos e encaixes mecânicos, o mesmo tipo de conector também foi utilizado nos
sistemas de aquisição e do conversor desenvolvidos no projeto.
Figura 14 – Cabo balanceado blindado utilizado para comunicação RS-485 no protótipo
desenvolvido.
Circuito de condicionamento para medição de temperatura com sensor PT-100
O sistema de aquisição de dados necessita de um sistema de condicionamento de
sinal o irá depender da variável a ser adquirida em campo. Os testes de laboratório do
protótipo desenvolvido foram efetuados com a aquisição remota da temperatura de uma
fonte controlada de calor. A fonte controlada de calor, utilizada nos testes, consistiu de um
circuito formado por um fonte CA alimentando um resistor de potência. O valor RMS da
corrente no resistor foi controlado através um triac. Dessa forma, controlando-se o ângulo
de disparo d triac foi possível controlar a dissipação de potencia no resistor e, por
conseguinte, a taxa de aumento ou diminuição da temperatura no resistor.
O sensor de temperatura utilizado foi do tipo termo-resistência PT-100 (figura 15), o
qual fornece variações em sua resistência que são proporcionais às variações de
temperatura no corpo ou meio sendo monitorado. Para converter o sinal de variação de
resistência em um sinal de tensão proporcional, para aquisição pelo protótipo
desenvolvido, foi projetado e implementado um sistema de condicionamento (figura 16) o
qual consiste de uma ponte de wheatestone, onde um dos quatro resistores é o sensor PT100, seguido de um amplificador para adequar a amplitude do sinal de tensão resultante
1
5
(proporcional à temperatura) à faixa de trabalho do conversor A/D do protótipo.
Figura 15 – Sensor de temperatura PT100.
Figura 16 – Circuito de condicionamento para sensor PT-100.
Figura 17 – Circuito da fonte de alimentação simétrica.
1
6
Figura 18 – PCI do sistema de aquisição com condicionador para PT100.
D. Acompanhamento da Entrega de Produtos:
Produto previsto
Etapa relacionada
Relatório Técnico
3 e 4, ano1
1 ano2
Entregue
Sim/Não
Justificativa
Sim
E. Ajustes Sugeridos para a Continuidade do Projeto: (Informar as mudanças propostas)
O projeto teve seu início oficial no dia 18/outubro/2005, estava previsto, ao
início do projeto, viagens de campo à UHE para coleta de dados e estudo do
sistema atual de monitoramento das unidades geradoras da primeira fase. Embora
o recurso para passagens e diárias tenha sido disponibilizado no terceiro mês do
projeto, somente no sétimo mês de execução é que foi possível iniciar os
trabalhos na UHE para coleta de dados sobre o sistema de monitoramento, devido
a problemas de agenda na UHE de Tucuruí. Portanto, é esperado um atraso
cumulativo de aproximadamente seis meses na execução do projeto.
Dessa forma, foi solicitada uma prorrogação de seis meses no prazo anteriormente
previsto (de 18 meses), sem qualquer ônus financeiro adicional em relação ao
previsto originalmente no projeto. Esta prorrogação foi concedida pela Eletronorte,
valendo a partir de 18 de abril de 2007, o que representa um tempo adequado à
conclusão do projeto.
1
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