sistema de superviso e controle para aplicao em viveiros de mudas

SISTEMA DE SUPERVISÃO E CONTROLE PARA APLICAÇÃO
EM
VIVEIROS DE MUDAS
Ivo Reis Fontes1
José Angelo Cagnon2
Departamento de Engenharia Elétrica – FEB - UNESP
17033-730 Bauru - SP tel: (014) 221-6115 fax: (014) 221-6116
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RESUMO
INTRODUÇÃO
Atualmente, os sistemas mais utilizados no
controle de viveiros de produção de mudas executam
uma rotina fixa acionando válvulas e bombas através
de temporizadores programáveis de baixo custo a
fim de proporcionar o fornecimento de água e
nutrientes às mudas e sementes, sem se preocupar
com a racionalização do uso dos recursos. O
presente trabalho apresenta um Sistema de
Supervisão e Controle baseado no Sistema
Supervisório Elípse SCADA que vem sendo
desenvolvido no Departamento de Engenharia
Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica da
Universidade Estadual Paulista em Bauru. A
aquisição dos valores das variáveis do ambiente e os
sinais de controle de válvulas e bombas são
transmitidos através de uma rede RS485 do tipo par
trançado, utilizando o protocolo MODBUS. Tendo
em vista as características do ambiente da aplicação,
as informações provenientes de sensores são
transmitidas aos concentradores de dados através de
canais de RF.
O evidente e rápido avanço tecnológico
apresentado na concepção dos modernos recursos de
hardware
empregados
nos
sistemas
de
processamento digital de informação tem se tornado
um fator preponderante na tomada de decisão quanto
ao emprego desses sistemas para a execução das
mais variadas tarefas de nosso cotidiano. A
agricultura é uma das áreas de atividade que já vem
se beneficiando dessa tecnologia.
Howell et al (1984) destacam o uso de
estações climatológicas automatizadas que fornecem
dados para o controle de sistemas de irrigação.
Hubbad etl al (1983) mostram que o uso da
informática na agricultura tem se mostrado eficiente
em atividades que vão desde o controle de pragas até
a previsão de enchentes, não podendo deixar de
mencionar ainda a imensa gama de sistemas de
automação desenvolvidos através de micro
controladores que estão presentes nas mais variadas
partes que compõem os modernos implementos
agrícolas.
Um dos fatores que geralmente influenciam
na tomada de decisão, quando se opta pela
automação de processos agrícolas, está relacionada
com a disponibilidade de sensores que atendam as
necessidades de projeto, bem como de sistemas de
integração das informações provenientes dos
mesmos, de forma que a relação custo/benefício se
mantenha dentro de limites aceitáveis.
O uso de sistemas supervisórios e de
controle na automação de sistemas de produção de
mudas em grandes viveiros também se constitui em
uma alternativa que se apresenta bastante vantajosa,
tendo em vista a grande flexibilidade que os mesmos
oferecem quando da necessidade de alteração dos
algoritmos e receitas de operação, visando o uso
racional dos recursos empregados e a qualidade no
processo produtivo.
O presente trabalho apresenta uma
arquitetura que vem sendo desenvolvida de forma a
viabilizar a utilização desse tipo de sistema na
ABSTRACT
Nowadays, the systems mostly used to
control greenhouse environment executes a fixed
routine driving valves and pumps with temporization
through low price programmable timers to provide
water and nutrients to the seeds or buds without
concern on the rational use of resources. The present
work presents a Supervisory and Control System
based on the Elípse SCADA Supervisory Software
that is been developed at the Electrical Engineering
Department of Electrical Engineering School of
University of State of São Paulo at Bauru. The
environment variables acquisition and the driving
signals to control valves and pumps are carried by a
RS485 network using MODBUS protocol.
Considering
the
application
environment
characteristics all data from sensors are transmitted
to data concentrators by RF links.
TOPOLOGIA DA REDE DE CONTROLE E SUPERVISÃO
DURAFLORA
Equipamentode Aquisição de
ParâmetrosElétricos
RS-485 BUS(MODBUS PROTOCOL)
Quadro de Controle
de
Bombas
Quadro de Comando
e
Instrumentação
Concentrador
de Dados
CLP
TR
TR
TR
TR
TR
TR
Estufa
ou
Viveiro
Quadro de Comando
e
Instrumentação
CASA
DE
BOMBAS
Figura 1 – Sistema de Supervisão e Controle
produção de mudas em grandes viveiros, uma vez
que esse tipo de solução oferece uma relação
custo/benefício bastante atrativa e ao mesmo tempo,
proporciona os meios necessários para se conduzir o
processo produtivo de maneira a alcançar elevados
índices de eficiência e produtividade.
O sistema é constituído de uma rede
construída a partir de par trançado para coleta de
dados e controle, unidades remotas de sensores dos
parâmetros do sistema, concentradores de dados ou
de instrumentação e um microcomputador PC que
executa um software supervisório SCADA.
Através do software supervisório é possível
configurar a operação do sistema para atender os
requisitos que visam a produção otimizada de
mudas.
SISTEMA SUPERVISÓRIO
O Sistema de Supervisão e Controle,
implementado através do Sistema de Supervisão e
Controle Elípse ESCADA, permite o fornecimento
de água e nutrientes as sementes ou mudas através
do acionamento de válvulas e bombas por meio da
execução de receitas visando o uso racional dos
recursos necessários à produção. As ações de
controle determinadas pelas receitas são baseadas
nas informações adquiridas através de sensores de
temperatura, de umidade relativa do ar, de umidade
do substrato, de pressão atmosférica do local. O
Sistema Supervisório também faz a aquisição de
informações relativas à vazão em pontos estratégicos
da tubulação e os níveis presentes nos reservatórios
de água e de adubo líquido bem como do nível de
iluminação interno e externo ao viveiro.
Em virtude das características do ambiente,
os dados obtidos através dos sensores são
encaminhados a concentradores de dados por meio
de canais de RF.
Os dados coletados pelos concentradores
são encaminhados ao Sistema Supervisório através
da uma rede de comunicação de dados padrão
RS485 e para o tráfico de dados é utilizado o
protocolo MODBUS/RTU. A figura 1 apresenta a
configuração
completa
do
sistema
em
desenvolvimento.
UNIDADE REMOTA
DE
SENSORES
CPU
e
MEMÓRIA
TX
RX
CONCENTRADOR
DE
INSTRUMENTAÇÃO
CPU
e
MEMÓRIA
MUX
e
CONV. A/D
TX
RX
ctrl
n
SENSORES
COND. SINAL
1
MEMÓRIA
DE
DADOS
n
INTERFACE
RS-485
REDE RS-485
(MODBUS)
Figura 2 – Unidade Remota de Sensor e Concentrador de Instrumentação
Os dados obtidos do ambiente controlado
são utilizados para alimentar as entradas das receitas
de controle e também são armazenados em um
banco de dados.
O banco de dados é utilizado para a emissão
de relatórios de operação e também servem para
análise estatística do comportamento do sistema.
O sistema assim concebido poderá, em uma fase
subseqüente, proporcionar inúmeras vantagens, tais
como: análise estatística de dados, racionalização de
energia, tomada de decisões para a implantação de
um sistema de manutenção preventiva e preditiva,
bem como monitoramento remoto do sistema.
Em uma etapa subseqüente pretende-se
implementar a capacidade de gerenciamento remoto
do sistema através de uma interface HTML, cuja
interface para programas de aplicação (API) já se
encontra disponível no software empregado.
CONCENTRADOR DE DADOS
O concentrador de dados, também denominado
Concentrador de Instrumentação, é uma unidade
microprocessada, desenvolvida a partir de um
microcontrolador da Microchip e incorpora uma
interface RS485. Um sistema operacional residente
implementa todas as funções necessárias para a
aquisição de dados provenientes das unidades de
sensores e atender as requisições de dados do
Sistema Supervisório. Para a comunicação com as
unidades de sensores é empregado um transceptor
monolítico da RF Monolitcs. A comunicação entre
essas unidades é implementada através de canais
half-duplex.
A figura 2 apresenta o diagrama de um
Concentrador de Instrumentação e de uma Unidade
Remota de Sensores.
UNIDADE REMOTA DE SENSOR
As unidades remotas de sensores são
implementadas a partir de microcontroladores da
Microchip e incorporam as funcionalidades
necessárias para o condicionamento e aquisição A/D
dos sinais provenientes dos sensores e também aão
dotadas de transceptores para proporcionar a
comunicação RF com o concentrador de dados.
Para a comunicação entre as unidades
remotas de sensores e o concentrador de dados foi
adotada a configuração mestre/escravo a fim de
proporciona a reutilização de um mesmo canal de
RF entre várias unidades remotas.
A aquisição dos dados das unidades
remotas de sensores é realizada através de um
processo cíclico de interrogação e o protocolo de
comunicação
empregado
também
é
o
MODBUS/RTU.
CONCLUSÃO
UNIDADE DE ACIONAMENTO
Para o acionamento de válvulas e bombas
são empregados CLPs (Controladores Lógicos
Programáveis) de pequeno porte. A utilização desse
tipo de dispositivo se deve ao seu custo reduzido e
das funcionalidades que os mesmos apresentam.
Uma vez que tais dispositivos já
incorporam as funcionalidades necessárias para sua
conexão em rede RS485 e implementam o protocolo
MODBUS/RTU torna-se fácil uma possível
expansão da instalação.
SENSORES
Algumas unidades de sensoreamento
empregadas para o monitoramento dos parâmetros
do sistema tiveram que ser desenvolvidas para a
aplicação:
Temperatura Ambiente
Os termômetros foram desenvolvidos a
partir do termômetro digital DS1620 da Dallas
Semiconductors que incorpora um transdutor de
temperatura e fornece uma saída digital de 11 bits
representando temperaturas de -55 a 125 oC e
resolução de 0.5 oC.
Umidade Relativa do Ar
Os higrômetros foram desenvolvidos a
partir do circuito integrado monolítico HIH36705-A
da Honeywell International Inc.. Este CI fornece
uma saída de tensão analógica proporcional à
umidade relativa do ar. Sua principal característica é
de fornecer tensão contínua no intervalo de 0,8 a
4,07 Vdc para a UR variando de 0 a 100%.
Radiação Solar
Os medidores de iluminamento solar foram
desenvolvidos a partir do circuito integrado TSL235
da TAOS – Texas Advanced Optoelectronics
Solutions, que fornece um sinal de freqüência
proporcional à intensidade de radiação solar
recebida pelo viveiro.
Umidade de Substrato
Os medidores de umidade de substrato são
tensiômetros miniaturizados aos quais foi
acrescentado um circuito integrado monolítico
sensor de pressão da série SDX, fornecido pela
Sensym. Este CI incorpora uma ponte resistiva que
deve ser polarizada por uma tensão contínua e sua
saída é uma tensão proporcional à pressão interna do
reservatório do tensiômetro.
Através do sistema concebido estão sendo
realizados os primeiros testes de protótipo que opera
com uma configuração simplificada do supervisório,
realizando a aquisição de dados de um concentrador
de dados que fornece os dados provenientes de
unidades remotas de sensores que fornecem:
temperatura de pontos internos ao viveiro,
temperatura externa ao viveiro, umidade relativa do
ar interna ao viveiro, umidade relativa do ar externa
ao viveiro, nível de insolação externa ao viveiro e a
umidade do substrato em tubetes de mudas. O
sistema também incorpora um CLP Pico da AllenBradley empregado no acionamento de uma válvula
solenóide para controlar o abastecimento de água ao
sistema e também acionar uma bomba que injeta
adubo líquido à rede de abastecimento de água.
A operação do sistema tem se mostrada
bastante estável e satisfatória para a aplicação
desejada.
Atualmente estão sendo desenvolvidas as
telas de receitas para a operação do sistema no
controle de um conjunto de estufas de empresa da
região que opera na produção de mudas empregadas
no reflorestamento para uso industrial.
Com o uso deste sistema, pretende-se em
uma fase inicial, proceder a aquisição de dados para
o estabelecimento de receitas de operação a fim de
se determinar os algoritmos adequados para se
atingir a racionalização do uso dos recursos
necessários à produção de mudas.
PALAVRAS CHAVES
Supervisão e Controle, Viveiros de Mudas,
Racionalização
de
Energia,
Instrumentação
Agrícola.
AGRADECIMENTOS
Os autores desejam agradecer a colaboração
e o apoio do Departamento de Engenharia Elétrica
da Faculdade de Engenharia Elétrica da UNESP
através do suporte recebido pelos Laboratórios de
Eletrônica e de Controle e Automação. Agradecem
também a inestimável cooperação no fornecimento
de informações dos técnicos florestais da empresa
DURAFLORA S/A.
REFERÊNCIAS
[1] HANSON, B.; WEIGAND, C. e ORLOFF, S.;
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Irrigation and Drainage Engineering; May/June;
p.179 – 182; 1996.
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DAVIS, K.R.; MCCORMICK, R.L.; Automated
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1984.
[3] HUBBAD, K.G.; ROSENBERG, N.J.;
NIELSEN, D.C.; Automated weather data
network for agriculture; Journal of Water
Resources Planning and Management; 1983.
[4] KACHANOSKI, R.G.; GREGORICH, E.G.;
WESENBEECH, I.J.; Estimating spatial variations
of soil water content using noncontacting
eletromagnetic indutive methods; Journal of Soil
Science; Oxford; 1988.
[5] KOVÁCS, Z.L.; Redes Neurais Artificiais Fundamentos e Aplicações; Editora Acadêmica;
1996.
[6] NETO, A.T; CRUVINEL, P.E.; INAMASU,
R.Y.; CRESTANA, S.; Tecnologias de ponta na
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Renováveis na Agricultura; Campina Grande-PB;
1997.
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P.; KÜHN, G.; HOPMANS, J.W.; Precision
agriculture: challenges and opportunities of
instrumentation and field measurements;
Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária;
São Carlos-SP; 1993.
[8] VIEIRA, V.P.P.B. et ali; Sistemas Inteligentes Aplicações a Recursos Hídricos e Ciências
Ambientais; Editora Universidade – ABRH; 1999.