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JOÃO ROBERTO BRUNETTO
LUIZ RICARDO RIBEIRO BARBOSA
RELATÓRIO TÉCNICO FINAL
SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE CALDEIRA
Trabalho apresentado à Disciplina de Projeto Final, do 10º período do curso de Engenharia da Computação, da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Professor: Edgard Jamhour. Orientadora: Viviana Raquel Zurro
CURITIBA
2003
i
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................III
LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... IV
RESUMO......................................................................................................................... V
1. INTRODUÇÃO..........................................................................................................1
2. DETALHAMENTO DO PROJETO............................................................................3
2.1 Módulo da Caldeira: ............................................................................................4 2.1.1 Sensores de Temperatura (Termopares): ......................................................5 2.1.2 Condicionamento dos Sinais: .........................................................................7 2.1.3 Comportamento dos Sensores Termopares:..................................................9 2.1.4 Atuadores: ....................................................................................................14
2.2 Módulo de Hardware ou Controlador: .............................................................14 2.2.1 Multiplexação Analógica...............................................................................15 2.2.2 Microcontrolador PIC16F876:.......................................................................17 2.2.3 Dispositivo de Segurança ou Detecção de Falhas (Watchdog Timer WTD):23 2.2.4 Transmissão Serial (Conversor de Nível): ....................................................24 2.2.5 Circuito de Seleção de Atuador: ...................................................................25 2.2.6 Diagrama Eletrônico Completo.....................................................................27
2.3 Módulo do Software Supervisório: ..................................................................28 2.3.1 Diagrama de Contexto:.................................................................................29 2.3.2 Lista de Eventos: ..........................................................................................30 2.3.3 Diagrama de Fluxo de Dados (DFD): ...........................................................33
2.3.3.1 DFD Individual de Resposta aos Eventos................................................ 33
2.3.3.2 DFD Detalhado de Resposta aos Eventos .............................................. 38
2.3.4 Modelo Lógico de Dados..............................................................................39 2.3.5 Diagrama de Transição de Estados (DTE):..................................................41 2.3.6 Especificação dos Processos: ......................................................................43
2.4 Procedimentos de Integração dos Módulos ...................................................48
3. TESTES E RESULTADOS .....................................................................................51
4. CONCLUSÃO .........................................................................................................54
ii
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................55
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de Módulos Funcionais do sistema...................................................4 Figura 2. Termopar de junção simples. ............................................................................5 Figura 3. Digrama eletrônico do CI INA129 (amplificador de instrumentação).................7 Figura 4. Digrama eletrônico do circuito de condicionamento de sinal.............................9 Figura 5. Gráfico referente a amostra 1. ........................................................................11 Figura 6. Gráfico referente a amostra 2. ........................................................................11 Figura 7. Diagrama de Pinos do Multiplexador CD4052BC. ..........................................16 Figura 8. Diagrama de Pinos do PIC 16F876.................................................................17 Figura 9. Fluxograma do programa do microcontrolador PIC 16F876. ..........................20 Figura 10. Diagrama de Pinos de MAX232. ...................................................................24 Figura 11. Circuito de seleção ou acionamento de atuadores. ......................................26 Figura 12. Diagrama Eletrônico Completo do Módulo de Hardware. .............................27 Figura 13. Diagrama de Contexto do Software. .............................................................30 Figura 14. DFD individual do evento número 1. .............................................................33 Figura 15. DFD individual do evento número 2. .............................................................34 Figura 16. DFD individual do evento número 3. .............................................................34 Figura 17. DFD individual do evento número 4. .............................................................35 Figura 18. DFD individual do evento número 5. .............................................................35 Figura 19. DFD individual do evento número 6. .............................................................36 Figura 20. DFD individual do evento número 7. .............................................................36 Figura 21. DFD individual do evento número 8. .............................................................37 Figura 22. DFD detalhado do evento número 1. ............................................................38 Figura 23. DFD detalhado do evento número 8. ............................................................39 Figura 24. Diagrama de Entidade e Relacionamento do Software.................................40 Figura 25. Diagrama de Transição de Estados do Software. .........................................43 Figura 26. Diagrama eletrônico dos módulos integrados. ..............................................50
iv
LISTA DE TABELAS Tabela 1. Tipos de termopares e respectivos metais. ......................................................6 Tabela 2. Termopares e respectivas faixas de temperatura de operação........................6 Tabela 3. Tabela de valores do resistor Rg e ganhos correspondentes. .........................8 Tabela 4. Amostras de Temperatura (ºC) X Tensão (Volts). ..........................................10 Tabela 5. Valores de seleção de sensores. ...................................................................16 Tabela 6. Valores para Seleção de Atuadores. ..............................................................23 Tabela 7. Lista de Eventos do Software.........................................................................31 Tabela 8. Tabela de Transição de Estados....................................................................41
v
Resumo
Nos sistemas de produção do setor industrial, a automação de processos vem se
mostrando, principalmente para empresas de grande demanda, de importante aplicação
para obtenção de maior qualidade, velocidade de produção e lucratividade. O controle
da temperatura seja de fornalhas, caldeiras, ou outros componentes industriais é um
processo freqüentemente observado nas mais variadas linhas de produção. Tal
processo demanda muitos custos operacionais, além de oferecer riscos devido a erros
de operação.
Neste projeto é proposto um sistema automatizado de controle de temperatura
de caldeiras industriais capaz de amenizar os custos de operação de caldeiras e
aproveitando ao máximo sua capacidade de produção. Para realização desta tarefa
foram utilizadas algumas ferramentas e tecnologias disponíveis no mercado. O sistema
opera através de um módulo de hardware, responsável pela realização do controle da
temperatura, baseado em microcontrolador. A interface com o usuário ou operador é
realizada através de um módulo de software supervisório, desenvolvido em linguagem
orientada a objetos.
Para que se desse a realização deste projeto, foi implementado um módulo
denominado módulo da caldeira, composto por um protótipo em miniatura de caldeira
industrial, sensores de temperatura, circuitos de condicionamento de sinais baseados
em amplificadores operacionais e atuadores de temperatura.
O resultado obtido foi um sistema capaz de medir altas temperaturas, mas
limitado por condições físicas de operação, ou seja, alguns equipamentos e
componentes não ideais. Os parâmetros do processo são determinados pelo usuário, o
que torna o sistema uma ferramenta flexível. A possibilidade de monitoração em tempo
real do controle de temperatura diminui os riscos de operação quando comparados ao
processo manual.
1
1. Introdução
No atual contexto do setor industrial são poucos os processos industriais que não
apresentam alguma forma de automação ou monitoração de operação. A forte
concorrência do mercado faz surgir a necessidade de uma linha de produção veloz,
capaz de obter resultados ótimos sem desperdício de recursos. Por este motivo,
processos monitorados e automatizados se fazem tão importantes para indústrias de
alta produtividade.
Em processos industriais no qual a temperatura é uma variável envolvida na
produção, erros de operação e desperdício de recursos é um fator comum e que, em
muitos casos, pode diminuir a competitividade de uma empresa no mercado.
São inúmeras as linhas de produção nas quais se utilizam caldeiras industriais
como forma de obtenção de calor e geração de vapor. Tais caldeiras são utilizadas, por
exemplo, em cervejarias e fábricas de papel e celulose. Esta ferramenta, quando em
operação, deve ter sua temperatura constantemente monitorada e seu controle deve
ser preciso. Falhas em equipamentos, como caldeiras industriais, podem ocasionar
grandes acidentes devido ao super aquecimento. Ainda, quando mal controlada a
temperatura, ocasiona perdas na velocidade e qualidade da produção [4].
Existem inúmeras formas de realizar tal tarefa e vários níveis de automação. A
transformação de alguns processos industriais para o modo automatizado não requer
gastos exorbitantes e sua implantação não causa grande impacto ambiental dentro de
uma fábrica. Um exemplo de modificação que se encaixa neste perfil é a automação da
monitoração e controle de caldeiras industriais, muito utilizadas em processos
industriais.
Neste projeto foi desenvolvido um sistema capaz de monitorar e controlar a
temperatura em caldeiras industriais. Tal sistema constitui uma opção de automatização
2
para o processo, na qual sua implantação não requer grande complexidade e não
acarreta impacto no ambiente de produção.
O sistema de controle de temperatura de caldeiras, baseado na tecnologia de
microcontroladores e monitoração por software supervisório, realiza o controle ON/OFF
da temperatura, alterando o valor desta variável através de atuadores. Os parâmetros
do processo são fornecidos pelo operador ou usuário do sistema através do software
supervisório, através do qual são fornecidas informações sobre o processo em tempo
real.
Este documento está dividido em várias seções para o melhor entendimento e
organização. Cada seção tem como função esclarecer algum ponto de relevante
importância para o projeto. A primeira seção compõe esta breve introdução, que
objetiva posicionar o projeto num determinado contexto e identificar os assuntos
relacionados ao mesmo que serão discutidos neste documento.
Na Seção 2, Detalhamento do Projeto, são descritos todos os detalhes do
desenvolvimento do sistema proposto. Para isto, são utilizadas diversas ferramentas
para projeto, tais como, diagramas, fluxogramas e técnicas de Engenharia de Software.
A seção 3, Testes e Resultados, apresenta todos os resultados obtidos após a
implementação do sistema, através da realização de testes sobre suas funcionalidades
básicas ou fundamentais.
Finalmente, as seções 4 e 5 apresentam respectivamente, uma breve conclusão
indicando se o trabalho atingiu os objetivos propostos, apontando as principais
dificuldades encontradas e indicando possíveis melhorias para projetos futuros e as
referências bibliográficas utilizadas na elaboração do projeto.
3
2. Detalhamento do Projeto
Para o detalhamento do projeto, o sistema de controle de temperatura de
caldeiras é separado em módulos funcionais. Todos estes módulos foram
implementados e testados separadamente e posteriormente integrados permitindo que
o sistema fosse testado de maneira completa.
Ao todo são três módulos funcionais descritos a seguir:
• Módulo da Caldeira (Atuadores e Sensores): Neste módulo se encontram
os atuadores de aquecimento e refrigeração, responsáveis por agir
diretamente na temperatura da caldeira. Ainda, acoplados a caldeira, se
encontram os sensores de temperatura, responsáveis pela emissão de
sinais elétricos equivalentes a temperatura da caldeira, juntamente com o
circuito de condicionamento dos sinais dos sensores, baseado em
amplificadores de instrumentação;
• Módulo de Hardware ou Controle: Responsável pelo controle da
temperatura da caldeira, o módulo de hardware receberá os sinais
provenientes dos sensores. Com o auxílio desses sinais, este módulo
determinará o estado dos atuadores do sistema. Tem como componente
principal o microcontrolador PIC 16F876;
• Módulo de Software: O software do sistema será o responsável por
realizar a interface deste com o usuário, permitindo o acompanhamento
do processo em tempo real. Além da plotagem de gráfico de medidas de
temperatura, são enviadas mensagens ao usuário, informando o estado
dos atuadores.
A Figura 1 fornece uma visão geral da configuração do sistema e seus módulos
funcionais e a maneira pela qual tais módulos são interligados.
4
Módulo da Caldeira
Atuadores
Módulo de Hardware
MICROCONTROLADOR
MUX
Caldeira
Condicionamento dosSinais dos Sensores
Termopares
Conversor de nível detensão
(RS232)
Parâmetros do Processo
Comando aosAtuadores
Sinal dos SensoresCiondicionados
Valores de TemperaturaMedidos
Módulo de Software
Microcomputador(Software Supervisório)
ConversorA/D
InterfaceSerial
Figura 1. Diagrama de Módulos Funcionais do sistema.
2.1 Módulo da Caldeira:
Neste módulo, onde se encontra o objeto de controle ou protótipo de caldeira,
são realizadas as medições da temperatura, através dos sensores de temperatura
acoplados à caldeira. Os sinais elétricos obtidos pelos sensores são amplificados
5
permitindo sua utilização no processo de controle. Através de atuadores de
aquecimento e refrigeração são executados os comandos resultantes do controle
ON/OFF realizado pelo microcontrolador.
2.1.1 Sensores de Temperatura (Termopares):
Para medir a temperatura da caldeira, fez-se necessária à utilização de
transdutores de temperatura. Medidas de temperatura podem ser feitas utilizando-se
diodos, transistores, sensores específicos, ou até mesmo CIs (circuitos integrados)
específicos. A escolha do transdutor mais adequado deve obedecer a algumas
diretrizes, como o tempo de resposta e intervalo de temperatura de operação. Tendo
em vista estes fatores, foi escolhido o sensor de temperatura do tipo termopar.
Um termopar é um simples sensor de temperatura que consiste de dois materiais
diferentes em contato térmico. O contato térmico chamado de junção pode ser feito por
feito pela fusão ou solda de dois materiais diferentes. A Figura 2 mostra um termopar de
uma simples junção. A operação de um termopar é baseada na combinação de efeitos
termoelétrico que produz uma tensão de circuito aberto quando duas junções são
mantidas em temperaturas diferentes. Neste sistema é utilizado o termopar do tipo T, no
qual os materiais presentes são Cobre e Constantan. Este tipo de termopar é capaz de
medir temperaturas entre –185 ºC e 400 ºC.
Figura 2. Termopar de junção simples.
6
Na Tabela 1 encontram-se alguns tipos de termopares e seus respectivos
metais. A Tabela 2 apresenta a faixa de temperatura de operação de alguns termopares
e a tensão de saída.
Tabela 1. Tipos de termopares e respectivos metais.
Tabela 2. Termopares e respectivas faixas de temperatura de operação.
7
2.1.2 Condicionamento dos Sinais:
Antes da aplicação dos sinais obtidos pelos sensores termopares no
microcontrolador foi necessário verificar as características das respostas obtidas pelos
sensores. Como os sinais gerados são muito pequenos, na ordem dos microVolts (10E-
6), o que torna difícil sua leitura e, por conseqüência, a análise de características, foi
necessária amplificação destes sinais. Ainda, da forma que são gerados os sinais
provenientes dos sensores não seriam lidos corretamente pelo microcontrolador. Os
sinais elétricos gerados pelos sensores foram otimizados para a escala de entrada do
microcontrolador, Jacob Millman [1]. Os acessórios condicionadores de sinal amplificam
sinais de baixa amplitude para possibilitar uma medição precisa.
A melhor forma encontrada para amplificar os sinais dos sensores foi a utilização
do amplificador de instrumentação INA129 da Texas Instruments. Tal amplificador pode
fornecer ganhos de até 10000 vezes aumentando consideravelmente a amplitude do
sinal. A Figura 3 ilustra o Diagrama Eletrônico do INA129. Nota-se a configuração dos
amplificadores internos, o que resulta em um único amplificador de instrumentação.
Figura 3. Digrama eletrônico do CI INA129 (amplificador de instrumentação).
8
O ganho do circuito é determinado pelo resistor Rg entre os pinos 1 e 8. Os
valores de resistência elétrica e ganho correspondentes estão relacionados na Tabela
3.
Tabela 3. Tabela de valores do resistor Rg e ganhos correspondentes.
FONTE: INA128/INA129 Instrumentation Amplifiers
Datasheet. Texas Instruments.
No projeto, o ganho escolhido na amplificação do sinal dos sensores foi de 1000
vezes, utilizando-se desta forma uma resistência elétrica aproximadamente igual ao
valor indicado na Tabela 3, 49.9 Ohms. Comercialmente o mais próximo é o resistor de
47 Ohms.
O diagrama eletrônico final do circuito de condicionamento de sinais está
ilustrado na Figura 4. Pode-se verificar para o termopar foi utilizado um cabeçote onde
9
foram fixados os dois metais, Cobre (+) e Constantan (-), a uma placa de metal
responsável por fornecer a temperatura de referência da junção fria.
Figura 4. Digrama eletrônico do circuito de condicionamento de sinal.
2.1.3 Comportamento dos Sensores Termopares:
Após a amplificação dos sinais, pode-se analisar o comportamento dos
termopares, ou seja, a linearidade das respostas (temperatura X tensão de saída).
Algumas amostras foram obtidas em laboratório, o que permitiu o ajuste de uma reta. A
10
Tabela 4 consiste em duas diferentes amostras adquiridas em laboratório. Utilizando-se
estas amostras, foram gerados os gráficos correspondentes, Figura 5 e Figura 6.
Tabela 4. Amostras de Temperatura (ºC) X Tensão (Volts).
Amostra 1 Amostra 2 Temperatura (ºC) Tensão (Volts) Temperatura (ºC) Tensão (Volts)
19,5 0,0855 20,5 0,0849 22,5 0,1248 22,9 0,0906 23,3 0,2024 24,3 0,166 25,1 0,3114 25,4 0,2216 27 0,398 27,4 0,2914
30,1 0,501 29,2 0,3722 33,1 0,601 31,1 0,448 37,2 0,707 34,2 0,534 47,5 0,783 36,9 0,582 51,7 0,871 38,8 0,623 54,2 0,941 41,5 0,686 58,1 0,996 43,9 0,728 60,5 1,053 45,8 0,769 63,4 1,112 48,2 0,832 66,7 1,14 50,1 0,847 69 1,231 53 0,913
72,3 1,315 55,5 0,96 75,3 1,38 57,9 1,025 75,6 1,431 62,4 1,044 78,3 1,428 64,3 1,112 80,5 1,496 66,6 1,115 83,6 1,529 70,3 1,196 90,5 1,649 73,9 1,282 94,3 1,715 75,9 1,379 97,3 1,737 78,6 1,43 97,6 1,75 81,4 1,47
84,3 1,532 88,3 1,605 92,8 1,704 96,3 1,765 97,6 1,821
11
Temperatura X Tensão
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
2
0 20 40 60 80 100 120
Temperatura (ºC)
Tens
ão (V
olts
)
Figura 5. Gráfico referente à amostra 1.
Temperatura X Tensão
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
2
0 20 40 60 80 100 120
Temperatura (ºC)
Tens
ão (V
olts
)
Figura 6. Gráfico referente à amostra 2.
12
Verificou-se uma resposta próxima da linear, ou seja, a tensão de saída do
amplificador de instrumentação variando de maneira proporcional à temperatura.
Apenas em alguns pontos pôde-se verificar a não linearidade. Tal fato se deve a
condições não ideais de medição, já que o sensor termopar em geral apresenta alta
sensibilidade. Ou seja, fatores como correntes de ar e variações de temperatura
ambiente tornaram as amostras imperfeitas.
Outro fator causador de imperfeições nas medidas adquiridas em laboratório é a
falta de um recurso ideal de canalização do vapor gerado pela caldeira. Como dito
anteriormente, o objeto gerador de calor, a caldeira, consiste num protótipo em
miniatura. Tal fato tornou difícil a canalização do vapor, evidenciando, em determinados
momentos, grandes variações de temperaturas medidas, já que vapor muitas vezes não
se distribui uniformemente.
Com o intuito de obter-se uma função de transferência para o sensor termopar,
aproveitando o fato que este apresentou uma resposta quase que linear, foi ajustada
uma reta baseada nas amostras retiradas dos sensores. Para tal foram utilizados 57
valores ou amostras e a técnica de regressão linear descrita a seguir:
Considerou-se
N = 57, onde N = número de amostras
Y = Tensão (Volts)
X = Temperatura (ºC)
Calculou-se, então, os somatórios necessários
∑X = 3251,5
∑Y = 55,1168
∑X² = 212819,82
∑XY = 3845,83254
13
A técnica de regressão linear descreve um sistema com a função de calcular os
coeficientes da equação de uma reta. Esta equação apresenta-se no seguinte
fomato:
Y = a + b.X
O sistema utiliza os somatórios calculados no passo anterior:
∑Y = aN + b∑X
∑XY = a∑X + b∑X²
ou seja,
55,1168 = a.57 + b.3251,5
3845,83254 = a.3251,5 + 212819,82
a = -0,4971371443 b = 0,0256661901353
Desta forma, obteve-se as equações
Y = -0,4971371443 + 0,0256661901353 . X (1)
e
X = (Y + 0,4971371443) / 0,0256661901353 (2)
14
2.1.4 Atuadores:
Para possibilitar o controle da temperatura da caldeira, fizeram-se necessários
dois elementos capazes de alterar esta variável do sistema: um realizando o
aquecimento, e outro a refrigeração. Os atuadores serão os responsáveis por realizar
tal tarefa.
Para uma caldeira industrial existem várias opções de atuadores. No caso de
aquecimento, o mesmo pode ser realizado por queima de combustível e energia elétrica
(resistência elétrica). Já para a refrigeração o método mais comum é a circulação de
água. No projeto serão utilizados, para efeito de simulação, atuadores em pequena
escala. O controle sobre processos de aquecimento e refrigeração em escala real
demandaria adaptações sobre instalações de caldeiras industrias já existentes e
maiores incentivos monetários. Contudo, mesmo em escala reduzida, os atuadores do
sistema poderão demonstrar o funcionamento do mesmo e provar sua eficiência.
Para o aquecimento da caldeira é utilizado um aquecedor resistivo. Tal
aquecedor, mergulhado a água no interior da caldeira resulta em seu aquecimento,
gerando vapor. Tal aquecedor é alimentado com 110 Volts AC. Já o atuador de
refrigeração consiste em uma ventilação forçada. Esta é utilizada apenas em casos de
emergência. Foi utilizado um cooler de alimentação de 12 Volts DC.
2.2 Módulo de Hardware ou Controlador:
O Sistema de Controle de Temperatura de Caldeiras, por ser um sistema de
controle em tempo real, necessita de um controlador capaz de desempenhar esta
função. O microcontrolador PIC 16F876 é o encarregado de realizar o controle em
tempo real da temperatura, tornando o software supervisório unicamente uma
ferramenta de interface com o usuário. Esta medida deixa o controle independente do
PC e reduz significativamente os riscos de falhas.
15
O controlador do sistema, para o correto desempenho de suas funções,
depende de outros elementos também presentes no módulo de hardware. Desta
maneira, tal módulo pode ser subdividido em quatro circuitos principais, descritos a
seguir:
• Multiplexação analógica: neste circuito os sinais analógicos do sensor, já
amplificados, serão multiplexados de forma a permitir sua transferência ao
microcontrolador por um único canal.
• Microcontrolador PIC16F876: pode ser considerado o “cérebro” do
sistema, pois é onde todas as informações são analisadas e onde são
realizadas as tomadas de decisões necessárias;
• Dispositivo de Segurança ou Detecção de Falhas (Watchdog WTD):
recurso do Microcontrolador, tem por objetivo detectar falhas no
funcionamento do componente;
• Transmissão serial (conversor de nível): é o circuito responsável pela
conversão de nível de tensão para transmissão serial das medidas de
temperatura e recepção de configurações realizadas por intermédio do
software pelo usuário;
• Circuito de Seleção de Atuadores: responsável por interpretar os sinais de
comando aos atuadores provenientes do microcontrolador.
2.2.1 Multiplexação Analógica
Como dito na Seção 2.1.2, para permitir a aquisição de mais de um sinal por
parte do microcontrolador, é utilizado um multiplexador analógico. Tal componente
permite que o microcontrolador realize, em seqüência e num determinado intervalo de
tempo, a aquisição do valor emitido por cada sensor de temperatura. O multiplexador
utilizado no projeto é o CD4052BC da Fairchild Semiconductors, visto na Figura 7. Este
componente é um multiplexador/demultiplexador analógico dual de 4 canais ( 4/1 )
16
com duas entradas de seleção digital (A e B), como em [7] CD4052BC Dual 4-Channel
Analog Multiplexer/Demultiplexer Datasheet. Através deste componente torna-se
possível a realização da aquisição de quatro diferentes sinais, referentes a quatro
sensores de temperatura, utilizando apenas um canal de conversão A/D (Analog – To –
Digital Converter) do Microcontrolador.
Figura 7. Diagrama de Pinos do Multiplexador CD4052BC.
Todos os sinais provenientes dos sensores são aplicados no multiplexador. O
microcontrolador realiza a seleção do sinal desejado através dos 2 bits de seleção
presentes no multiplexador, de acordo com a Tabela 5.
Tabela 5. Valores de seleção de sensores. Bit 1 Bit 0 Sensor
0 0 Sensor 1
0 1 Sensor 2
1 0 Sensor 3
1 1 Sensor 4
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2.2.2 Microcontrolador PIC16F876:
Como dito no início desta seção, o microcontrolador é a peça chave do sistema,
responsável pelo controle da temperatura. Na Figura 8, pode ser visto o diagrama de
pinos do microcontrolador da Microchip.
Figura 8. Diagrama de Pinos do PIC 16F876.
Para a realização do controle da temperatura da caldeira, o microcontrolador
trabalha com os sinais analógicos provenientes dos sensores acoplados à caldeira. Tais
sinais serão obtidos pelo PIC 16F876 através do Multiplexador Analógico, o qual
possibilita a aquisição de mais de um sinal por um único canal. Seguindo uma
seqüência, os sinais dos sensores são adquiridos uma a um através deste canal.
Como visto na Tabela 5, para cada sensor existe um valor para os Bits de
seleção de sensor, presentes no multiplexador. A estes bits são atribuídos valores
definidos pelo microcontrolador, através dos pinos Rb0 e Rb1, de modo a obedecer a
uma seqüência de aquisição dos sinais. Para possibilitar os cálculos necessários, os
sinais adquiridos são convertidos da forma analógica para a forma digital. Esta
18
tarefa é realizada no microcontrolador pelo Módulo de Conversão Analógico-Digital
(A/D), um dos recursos disponíveis no PIC 16F876, como visto no datasheet [5].
Deve-se ressaltar que o os sinais adquiridos são armazenados. Para os cálculos
de controle estes sinais devem ser convertidos para o valor correspondente na escala
Celsius de temperatura. Esta conversão é feita utilizando-se a equação (2) obtida
através da análise de comportamento do sensor termopar (Seção 2.1.3). O sinal
equivalente a maior das quatro temperaturas medidas é utilizado como parâmetro de
controle, de modo a garantir a segurança.
Outros parâmetros fornecidos ao microcontrolador são a temperatura requisitada
e a temperatura de emergência. Ambos os parâmetros são fornecidos pelo usuário por
intermédio do software supervisório, permitindo ao microcontrolador a realização do
controle baseado nestas informações. Ou seja, o sistema regula a temperatura da
caldeira para que permaneça igual ou próxima à requisitada pelo usuário. O sinal digital
é emitido serialmente pelo módulo de software. Para a recepção deste sinal, é
necessária a utilização do módulo MSSP (Master Synchronous Serial Port ou Porta
Serial Síncrona Master), outro recurso disponível no microcontrolador da Microchip.
Como todo controlador, o PIC 16F876 realiza os cálculos necessários
obedecendo aos sinais de entrada (sinais dos sensores e parâmetros fornecidos pelo
usuário), visto por Michael Predko [8]. Os sinais de saída do controlador são os
comando aos atuadores (refrigeração e aquecimento), resultantes do processo de
controle.
O microcontrolador PIC 16F876, além das funções descritas, é responsável pela
emissão serial dos valores de temperatura em cada um dos sensores, bem como
do valor correspondente ao estado dos atuadores. Tal transmissão é realizada, como a
recepção dos parâmetros do processo, pelo módulo MSSP do microcontrolador.
19
Na Figura 9 pode-se observar o fluxograma do microcontrolador e sua interação
com os demais componentes do Módulo de Hardware. Através do fluxograma pôde-se
descrever o programa responsável por realizar as funções atribuídas ao
microcontrolador.
O programa constitui-se de dois blocos principais, destacados na Figura 9: o
bloco de inicialização do programa, e o bloco de controle. O primeiro, como foi
nomeado, é responsável pela inicialização das variáveis e demais configurações
necessárias para o funcionamento do Microcontrolador. Devem ser determinadas,
através da atribuição de valores aos registradores TRISA, TRISB e TRISC do PIC
16F876, quais serão as entradas e saídas do componente, ou seja, os pinos de input e
output. Ainda neste bloco, devem-se configurar os módulos funcionais do
microcontrolador que serão utilizados. São eles: módulo conversor analógico-digital
(A/D Converter), módulo de interface com a porta serial (MSSP) e Timers. Estas
configurações são realizadas através dos registradores correspondentes a cada
módulo.
Após as inicializações e configurações necessárias, os valores da Temperatura
Requisitada (Tr) e da Temperatura de Emergência (Te), especificados pelo usuário por
intermédio do software supervisório, devem ser armazenados. Os valores especificados
pelo usuário serão transmitidos pelo módulo de software de forma serial, fazendo-se
necessária à utilização do MSSP (Módulo de Interface com a Porta Serial).
20
TemperaturaMedida pelo
Sensor X
Emite Valor deSeleção para
Sensor X
Valor paraSeleção doSensor X
ArmazenaTemperatura
Medida em T[X]
X =1
X = 4
Sim
Não
X = X + 1
Calcula MaiorTemperatura (Tm)
Multiplexador
Conversor de Nível(Porta Serial RS232)
Tm < Tr
Tm > (Tr + Dr)E
Tm < (Te - De)
Circuito Seletor deAtuador
Valor deSeleção de
Atuador (Sa) Sim
Emite Valor deSeleção de
Atuador (Sa)
Não
RESETSim
InicializaVariáveis comValores Padrão
Configura Inputs e Outputs
(Pinos de Entradase Saídas)
Não
ConfiguraRegistradores(Timers, A/d
Converter, MSSP)
FIM (RESET)
Sim
Não
Módulo deConversão
Analógico-Digital
Módulo MSSP(Interface comPorta Serial)
TemperaturaMedida(T[X])
Temperatura de Emer-
gência (Te)
Temperatura Requisitada
(Tr)
Sim
INÍCIO
Emite Valor de T[X]E Estado de
Atuadores (Sa)
Tm > TeNãoSim
Sa =1 Sa = 2
Sa = 0
Não
RecebidosParâmetrosdo Processo
Calcula Desvios deTemperatura(Dr e De)
para Tr e Te
ArmazenaTemperatura
Requisitada (Tr)
ArmazenaTemperatura deEmergência (Te)
Figura 9. Fluxograma do programa do microcontrolador PIC 16F876.
21
A partir das temperaturas requisitada e de emergência são calculados os desvios
Dr e De, respectivamente. Tais desvios são utilizados para impedir que os atuadores
sejam acionados e desativados repetitivamente, devido a oscilações de temperatura.
Através dos valores de desvio cria-se uma “janela” ou faixa de temperatura na qual o
estado dos atuadores não pode ser alterado.
Todos os valores recebidos e emitidos pelo microcontrolador através de seus
inputs e outputs são representados no fluxograma por setas tracejadas. Para melhor
visualização destas trocas de informações, estão ilustrados neste fluxograma os
componentes e circuitos externos que interagem com o microcontrolador. São eles o
multiplexador, o circuito de seleção dos atuadores, e o conversor de nível de tensão
para porta serial. Contudo, os módulos de conversão analógico-digital e de interface
com a porta serial, apesar de representados fora da área destacada em vermelho, não
são elementos externos e sim recursos internos do microcontrolador. Sua
representação externa deve-se a melhor organização do fluxograma.
O bloco de controle, como nomeado, é responsável pelo controle da
temperatura. Sua primeira tarefa é realizar a aquisição das temperaturas medidas pelos
quatro sensores do sistema. Num laço de X = 1 até 4 o PIC atribui o valor de X aos
pinos de seleção de sensor do multiplexador (A e B), obtendo como resposta a
Temperatura Medida T[X] correspondente ao sensor X. Por exemplo, quando X = 2 os
pinos de seleção do multiplexador recebem do microcontrolador o valor 2 ou ‘10’ na
forma binária. O multiplexador, então, emite ao microcontrolador um sinal analógico
correspondente a Temperatura Medida no sensor 2.
Os sinais provenientes do multiplexador encontram-se na forma analógica e
devem ser convertidos para a forma digital pelo Módulo de Conversão Analógico-Digital
do PIC 16F876, como ilustrado no fluxograma da Figura 9.
22
Após a aquisição das medidas T[1] (sensor 1), T[2] (sensor 2), T[3] (sensor 3) e
Tm[4] (sensor 4), estas são utilizadas para o cálculo da maior temperatura Tm . Todas
as medidas são transmitidas ao módulo de software, mas apenas a Tm é utilizada nos
testes de controle.
Os testes de controle são responsáveis por gerar uma resposta aos atuadores do
sistema de acordo com as medidas adquiridas da caldeira, completando o ciclo de
controle (sinais de entrada -> controlador -> sinais de saída). Obviamente, em nenhum
momento do processo ambos os atuadores serão acionados. Não há propósito em
realizar o aquecimento e a refrigeração simultânea. A ação de um dos atuadores será
necessária nas seguintes situações:
• Atuador de Refrigeração:
o Maior Temperatura (Tm) ultrapassa a Temperatura de Emergência
(Te).
• Atuador de Aquecimento:
o Maior Temperatura (Tm) inferior a Temperatura Requisitada (Tr).
Ambos atuadores, depois de acionados, são desativados nas seguintes
situações:
• Atuador de Refrigeração:
o Maior Temperatura (Tm) inferior a Temperatura de Emergência (Te)
subtraída do desvio De.
• Atuador de Aquecimento:
o Maior Temperatura (Tm) superior a Temperatura Requisitada somada
do desvio Dr.
O estado dos atuadores indicado por Sa, representa dois bits ou pinos do
microcontrolador, RC1 e RC0. Através destes o microcontrolador pode acionar ou
23
desativar um atuador, como descrito na Seção 2.2.5. A Tabela 6 relaciona os valores
dos pinos RC0 e RC1 e o respectivo estado dos atuadores.
Tabela 6. Valores para Seleção de Atuadores.
Sa Atuadores
Decimal Binário Aquecimento Refrigeração
0 0 0 Inativo Inativo
1 0 1 Inativo Ativo
2 1 0 Ativo Inativo
O módulo de Hardware deverá apresentar uma chave externa de acesso ao
operador, responsável por desativar o funcionamento do microcontrolador. Tal chave,
RESET, ao ser acionada causará o desligamento dos atuadores do sistema, já que o
controle da temperatura da caldeira não estará sendo realizado pelo microcontrolador.
Para informação do estado do controlador, o módulo de hardware possui um
LED externo. Caso este se encontre aceso constante, representa que o controlador
encontra-se no estado de espera. Caso esteja piscando significa que o controlador
encontra-se em processo de controle.
2.2.3 Dispositivo de Segurança ou Detecção de Falhas (Watchdog Timer WTD):
Apesar de ser um recurso do microcontrolador, tal dispositivo é comentado
separadamente por exercer uma função de extrema importância no sistema. O
Watchdog Timer WDT é um circuito oscilador RC (Resistor/Capacitor) interno do chip
do microcontrolador que não requer nenhum componente externo para seu
funcionamento. Este oscilador RC é separado do oscilador RC do pino OSC1/CLKIN.
24
Isto significa que o WDT funciona, mesmo se o clock nos pinos OSC1/CLKIN e
OSC2/CLKOUT do dispositivo estiver parado. Durante operação normal, um estouro de
tempo (time-out) no WDT gera um RESET de dispositivo (Watchdog Timer Reset).
PIC16F87X datasheet [5].
Ao alimentar o microcontrolador o Watchdog Timer começa a funcionar
instantaneamente, porém o WDT Reset não é executado no caso de time-out. Para isto
aconteça o WDT deve ser habilitado através da atribuição do nível lógico ‘1’ (5 V) ao bit
WDTE (Watchdog Timer Enabled).
2.2.4 Transmissão Serial (Conversor de Nível):
Para tornar possível a troca de sinais ou informações entre o microcontrolador e
o PC, faz-se necessário o ajuste de nível dos sinais, só assim a comunicação poderá
ser realizada. O nível do sinal num PC é de -10V para o nível lógico um e +10V para
nível lógico zero. Como os níveis lógicos num microcontrolador são de +5V para o nível
lógico um e 0V para o nível lógico zero, a utilização de uma ferramenta ou componente
eletrônico capaz de realizar as conversões dos níveis de tensão é necessária. Um
circuito integrado projetado especialmente para executar este trabalho é o MAX232.
Figura 10. Diagrama de Pinos de MAX232.
25
Como visto no Diagrama de Pinos, ilustrado na Figura 10, o MAX232 é um
conversor de nível de dois canais de recepção e dois de transmissão. Cada canal
receptor converte os sinais provenientes da porta serial para o nível 5V TTL/CMOS.
Cada canal transmissor converte as entradas em nível TTL/CMOS para níveis
compatíveis a porta serial do PC, como em [6]. Na Figura 12, pode-se observar o
componente MAX232, sua configuração de pinos (inputs/outputs), e sua integração com
o restante dos componentes do Módulo de Hardware.
2.2.5 Circuito de Seleção de Atuador:
O circuito de seleção de atuadores desempenha a função de interpretar o valor
de seleção de atuadores Sa, emitido pelo microcontrolador como resposta do ciclo de
controle. Isto é realizado através de sinais lógicos ‘1’ (ligado) e ‘0’ (desligado). Os
valores de seleção provenientes dos pinos RC0 e RC1 do microcontrolador podem ser
vistos na Tabela 6. Valores para Seleção de Atuadores. O circuito é baseado em
transistores BD137. Quando o nível lógico é ‘1’ ou 5 Volts num dos pinos do
microcontrolador, o circuito correspondente é comutado, acionando o relé, no caso do
aquecimento, ou acionado a ventilação para a refrigeração. A Figura 11 ilustra o circuito
de seleção ou acionamento de atuadores.
26
Figura 11. Circuito de seleção ou acionamento de atuadores.
27
2.2.6 Diagrama Eletrônico Completo
Figura 12. Diagrama Eletrônico Completo do Módulo de Hardware.
28
2.3 Módulo do Software Supervisório:
Como todo sistema automatizado, o Sistema de Controle de Temperatura de
Caldeiras funciona de acordo com informações pré-configuradas pelo usuário. É
baseado nestas informações que o controlador do sistema, no caso o microcontrolador,
realiza os cálculos necessários para atuar sobre a temperatura da caldeira monitorada.
Para a aquisição destas informações existe a necessidade de um mecanismo que
realize a interface do sistema com o usuário.
O software supervisório é a ferramenta a suprir esta necessidade. Através dele o
usuário pode manter-se atualizado sobre o atual estado do sistema e configurar o
mesmo de acordo com suas necessidades. Tal objetivo é alcançado através das
funcionalidades do software. Algumas delas encontram-se relacionadas a seguir:
• Configuração de Parâmetros do Processo: permite ao usuário editar os
parâmetros do processo utilizados no controle da temperatura pelo
microcontrolador;
• Gráfico da Temperatura em função do Tempo: Gráfico plotado em tempo real
utilizando as medidas de temperatura recebidas do módulo de hardware;
• Caixa de Diálogo: nesta caixa são exibidas todas as mensagens pelas quais
o sistema manterá o usuário informado sobre seu funcionamento e atual
estado. Exemplos de Mensagem:
o “14:00h >> Iniciado processo P00034 !” ; o “15:17h >> Atuador de Refrigeração Ativado !” ;
• Quadro de estado de atuadores: exibirá ao usuário, em tempo real, o estado
dos atuadores;
• Relatórios e Gráficos: através destes recursos, o usuário poderá analisar em
qualquer momento os dados de um processo.
29
O desenvolvimento deste módulo foi realizado através de linguagem de
programação orientada a objetos de maneira a facilitar a estruturação dos dados. No
caso, a linguagem utilizada foi a C++. O ambiente de programação pelo qual foram
realizadas as análises de códigos fonte e simulações do funcionamento do software é o
Borland Builder C++ (versão 5) da Borland.
Para o projeto deste módulo foram utilizados alguns métodos ou ferramentas
muito conhecidas entre os profissionais da área da Engenharia de Software. O emprego
destes métodos facilita em muito o entendimento do software e auxiliou os projetistas
na implementação. Tais métodos são apresentados por [2] PRESSMAN, Roger S. São
eles: Digrama de Contexto e Lista de Eventos para a modelagem ambiental e,
Diagrama de Fluxo de Dados (DFD), Diagrama de Transição de Estados (DTE), Modelo
Lógico de Dados e Especificação de Processos.
2.3.1 Diagrama de Contexto:
Para melhor posicionar o módulo de software no sistema de controle de
temperatura de caldeiras, foi desenvolvido um Diagrama de Contexto, visto na Figura
13. Diagrama de Contexto do Software., que ilustra as relações entre software e demais
entidades externas. Este diagrama é utilizado na confecção da Lista de Eventos.
30
Pedido de Novo Processo
Parâmetros do Processo
Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores
Gráfico de Temperatura X Tempo
Pedido de Relatório de Monitoração
Relatório de Monitoração
Pedido de Gráfico de Desempenho
USUÁRIO
Gráfico de Desempenho
Mensagem na Caixa de Diálogo
Pedido de Finalização de Processo
Comando de Parada de Processo e Desligamento de Atuadores
Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores
HARDWARESOFTWARESUPERVISÓRIO
Mensagem de Confirmação de Finalização
Pedido de alteração de cadastro de usuário do sistema
Pedido de remoção de cadastro de usuário do sistema
Pedido de cadastro de novo usuário no sistema
Mensagem de confirmação de alteração de cadastro
Mensagem de Confirmação de remoção de cadastro
Mensagem de Confirmação de cadastro
Figura 13. Diagrama de Contexto do Software.
2.3.2 Lista de Eventos:
Na Lista de Eventos do Software, vista na Tabela 7, estão representados os
principais eventos do software. Para cada evento tem-se um estímulo, uma ação e uma
resposta.
31
Tabela 7. Lista de Eventos do Software.
Nº Nome do Evento
Estímulo Ação Resposta Tipo
1 Usuário
requisita novo
processo
Pedido de
Novo
Processo
Iniciar Novo
Processo
• Medidas de
Temperatura e
Estado de
Atuadores;
• Gráfico de
Temperatura X
Tempo;
• Mensagens na
Caixa de Diálogo.
Fluxo de
Dados
2
Usuário
requisita
alteração de
cadastro de
usuário do
sistema
Pedido de
alteração de
cadastro de
usuário do
sistema
Alterar
cadastro de
usuário do
sistema
• Mensagem de
confirmação de
alteração de
cadastro
Fluxo de
Dados
3
Usuário
requisita
remoção de
cadastro de
usuário do
sistema
Pedido de
remoção de
cadastro de
usuário do
sistema
Remover
cadastro de
usuário do
sistema
• Mensagem de
confirmação de
remoção de
cadastro
Fluxo de
Dados
4
Usuário
requisita
Relatório do
Processo
Pedido de
Relatório do
Processo
Emitir
Relatório do
Processo
• Relatório do
Processo Fluxo de
Dados
32
5
Usuário
requisita
cadastro de
novo usuário no
sistema
Pedido de
cadastro de
novo usuário
no sistema
Cadastrar
novo usuário
no sistema
• Mensagem de
confirmação de
cadastro
Fluxo de
Dados
6 Usuário
requisita Gráfico
de Desempenho
Pedido de
Gráfico de
Desempenho
Gerar Gráfico
de
Desempenho
• Gráfico de
Desempenho. Fluxo de
Dados
7 É hora de emitir
relatório do
processo
Intervalo de
tempo igual
ao
determinado
para emissão
de relatório
Emitir
Relatório do
processo
• Relatório do
Processo Temporal
8
Usuário
requisita
finalização do
processo
Pedido de
finalização
do processo
Finalizar
Processo
• Comando de
desligamento de
Atuadores;
• Mensagem de
Confirmação de
Finalização;
• Console de
Monitoração
Formatado.
Fluxo de
Dados
33
2.3.3 Diagrama de Fluxo de Dados (DFD):
Os diagramas ilustrados nesta seção representam o fluxo dos dados dentro do
software supervisório.
2.3.3.1 DFD Individual de Resposta aos Eventos
Evento número 1: USUÁRIO REQUISITA NOVO PROCESSO.
1
Iniciar Novo
Processo
UsuárioPedido de Novo Processo
Monitoração
Número doÚltimo
Processo
Gráfico de Temperatura X Tempo
Mensagem à Caixa de DiálogoMedidas de Temperatura e Estado
de Atuadores
Módulo de Hardware
Medidas de Temperaturae Estado de Atuadores
Parâmetros do Processo
Dados doProcesso
MedidasMedidas de Temperatura e
Estado de Atuadores
Figura 14. DFD individual do evento número 1.
34
Evento número 2: USUÁRIO REQUISITA ALTERAÇÃO DE CADASTRO DE
USUÁRIO DO SISTEMA.
Mensagem deconfirmação dealteração de
cadastro
2Alterar cadastro deusuário do sistema
UsuárioPedido de alteração decadastro de usuário do sistema
Usuários
Dados do usuáriodo sistema
Figura 15. DFD individual do evento número 2.
Evento número 3: USUÁRIO REQUISITA REMOÇÃO DE CADASTRO DE USUÁRIO
DO SISTEMA.
Mensagem deconfirmação de
remoção decadastro
3Remover cadastro deusuário do sistema
UsuárioPedido de remoção decadastro de usuário do sistema
Usuários
Dados do usuáriodo sistema
Figura 16. DFD individual do evento número 3.
35
Evento número 4: USUÁRIO REQUISITA RELATÓRIO DO PROCESSO.
4
Emitir Relatóriodo Processo
Usuário MedidasPedido de
Relatório do Processo
Relatóriodo Processo
Medidas e Estadode Atuadores
Monitoração
Dados de ProcessoUsuários
Dados do usuáriodo sistema
Figura 17. DFD individual do evento número 4.
Evento número 5: USUÁRIO REQUISITA CADASTRO DE NOVO USUÁRIO NO SISTEMA.
Mensagem deconfirmação de
cadastro
5Cadastrar novo
usuário no sistema
UsuárioPedido de cadastro denovo usuário no sistema
Usuários
Dados do usuáriodo sistema
Figura 18. DFD individual do evento número 5.
36
Evento número 6: USUÁRIO REQUISITA GRÁFICO DE DESEMPENHO.
6Gerar Gráfico
de Desempenho
MedidasUsuário
Medidasde Temperatura
Dados do Processo
Gráfico deDesempenho
Pedido de Gráfico de Desempenho
Monitoração
Figura 19. DFD individual do evento número 6.
Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO.
7
Emitir Relatóriodo Processo
Usuário
Medidas
Relatório do Processo
Mensagem na caixa de diálogo
Medidas eEstado de Atuadores
Dados do Processo
Monitoração
Usuários
Dados do usuáriodo sistema
Intervalo de tempodeterminado para emissão
de relatório
Figura 20. DFD individual do evento número 7.
37
Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FIM DA MONITORAÇÃO E CONTROLE.
8
Finalizar Processo
Usuário
Monitoração
Pedido de finalizaçãode Processo
Mensagem deConfirmação
de Finalização
Dados do Processo
Módulo de Hardware
Comando de desligamento de
Atuadores
Figura 21. DFD individual do evento número 8.
38
2.3.3.2 DFD Detalhado de Resposta aos Eventos
Evento número 1: USUÁRIO REQUISITA NOVO PROCESSO.
1.3Gravar
Medidas de Temperatura e
Estado de Atuadores
Usuário
Pedido denovo processo
Medidas
Parâmetrosdo Processo
Monitoração
Dados doProcesso
1.2Enviar
parâmetrosdo
processo
1.4Fomatar
Console demonitoração
Dados doProcesso
Módulo de Hardware
1.1Gravar dadosdo processo
Medidas de Temperaturae Estado de Atuadores
Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores
Gráfico de Temperatura X Tempo
Mensagem à Caixa de Diálogo
Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Medidas de
Temperaturae Estado deAtuadores
Figura 22. DFD detalhado do evento número 1.
39
Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FINALIZAÇÃO DO PROCESSO.
Usuário
Monitoração
Pedido de finalizaçãodo Processo
Mensagem deConfirmação
de Finalização
Módulo de Hardware
Comando de desligamento de
Atuadores
8.3
Emitir Mensagemde Confirmaçãode Finalização
8.1
Emitir Comandode desligamento
de Atuadores
8.2
Gravar Dadosdo Processo
Confirmação de desligamento de
AtuadoresDadosdo Processo
Dadosdo Processo
Figura 23. DFD detalhado do evento número 8.
2.3.4 Modelo Lógico de Dados
No Modelo Lógico de Dados estão especificados cada um dos Depósitos de
Dados ou Tabelas do banco de dados, bem como o relacionamento entre elas. Este
modelo representa o software sob o aspecto de dados.
O software é composto por dois depósitos. São eles: Monitoração e Medidas. O
primeiro é responsável pelo armazenamento dos dados gerais de um processo, tais
como, data e hora de início, número do processo, etc. Ainda, armazena os parâmetros
do processo (temperatura de emergência e temperatura requisitada). O segundo
armazena as medidas de temperatura ao longo do processo, bem como o estado dos
atuadores durante todo esse período.
40
Cada depósito possui uma relação de atributos e cada atributo representa uma
característica de sua entidade. O Diagrama de Entidade-Relacionamento representa as
entidades do software e a relação entre elas. De acordo com a Figura 24. Diagrama de
Entidade e Relacionamento do Software., pode-se afirmar que para cada Processo de
Monitoração e Controle (Depósito Monitoração) pode existir uma ou diversas medidas
(Depósito Medidas). Ainda, que para cada usuário do sistema (Depósito Usuários) pode
existir um ou mais processos cadastrados. Observa-se que o atributo acompanhado do
símbolo “@” representa uma chave, ou seja, atributo utilizado para relacionar os
depósitos.
MONITORAÇÃO
@Código da Processo
Login do usuário
Temperatura Requisitada
Temperatura de Emergência
Data de Início
Horário de Início
Horário Final
MEDIDAS
Código da Processo
Instante de Tempo
Temperatura Medida
Atuador de Aquecimento
Atuador de Refrigeração
USUÁRIOS
@Login do usuário
Nome
Senha
Gestor Ativo
Figura 24. Diagrama de Entidade e Relacionamento do Software.
41
2.3.5 Diagrama de Transição de Estados (DTE):
Para elaboração do DTE foram atribuídos ao módulo estados de operação. Ou
seja, de acordo com um evento do software uma ação será executada e, após tal
execução, o mesmo encontrar-se-á em determinado estado de operação. Para o
sistema de controle de temperatura de caldeiras foram definidos três estados de
operação: Inativo, Em espera e Em processo. O primeiro refere-se ao momento em que
o usuário pode utilizar alguns recursos do software supervisório, mas o controle de
temperatura da caldeira não está sendo executado. O segundo refere-se ao momento
no qual a edição dos parâmetros do processo já foi realizada e o sistema encontra-se
em espera de início de processo. O último refere-se ao momento em que o controle
está sendo executado.
O acontecimento de um evento e a execução de uma ação correspondente não
significa obrigatoriamente a mudança de estado de operação. Em muitos casos, após o
acontecimento de um evento, o estado de operação permanece o mesmo. Isto é
facilmente compreendido, já que foram definidos sete eventos de software e apenas
três estados de operação. Na Tabela 8 são definidas as transições de estados de
operação.
Tabela 8. Tabela de Transição de Estados.
Estado Atual Condição Ação Estado Futuro
Inativo Usuário requisita novo
processo Iniciar Novo Processo Em processo
Em processo Usuário requisita novo
processo Iniciar Novo Processo Em processo
Em processo Usuário requisita
Relatório do Processo
Emitir Relatório do
Processo Em processo
Em processo É hora de emitir
relatório do processo
Emitir Relatório do
Processo Em processo
42
Em processo
Usuário requisita
Gráfico de
Desempenho
Gerar Gráfico de
Desempenho Em processo
Em processo
Usuário requisita
finalização do
processo Finalizar Processo Inativo
Inativo Usuária requisita
Relatório de Processo
Emitir Relatório de
Processo Inativo
Inativo
Usuário requisita
alteração de cadastro
de usuário do sistema
Alterar cadastro de
usuário do sistema Inativo
Inativo
Usuário requisita
remoção de cadastro
de usuário do sistema
Remover cadastro de
usuário do sistema Inativo
Inativo
Usuário requisita
cadastro de novo
usuário no sistema
Cadastrar novo
usuário no sistema Inativo
Inativo
Usuário requisita
Gráfico de
Desempenho
Gerar Gráfico de
Desempenho Inativo
Baseado na Tabela de Transição de Estados pôde-se elaborar o Diagrama de
Transição de Estados, visto na Figura 25. Tal diagrama representa os estados de
operação do sistema em retângulos. Os eventos são representados em traços, sendo
posicionado acima do traço o nome do evento e abaixo do traço a ação
correspondente. As transições de estados são representadas por setas entre os
estados de operação, sendo a cada transição atribuído um determinado evento.
43
INATIVO
Usuário requisita novo processo
Iniciar novo processo
Usuário requisita cadastro de novo usuário no sistemaCadastrar novo usuário no sistema
Usuário requisita Gráfico de DesempenhoGerar Gráfico de Desempenho
Usuário requisita Relatório de Processo
Emitir Relatório de Processo
Usuário requisita Gráfico de DesempenhoGerar Gráfico de Desempenho
Usuário requisita finalização do processo
Finalizar Processo
Usuário requisita Relatório do Processo
Emitir Relatório do Processo
Usuário requisita novo processo
Iniciar novo processo
EM PROCESSO
É hora de emitir relatório do processo
Emitir Relatório de Processo
Usuário requisita alteração de cadastro de usuário do sistemaAlterar cdastro de usuário do sistema
Usuário requisita remoção de cadastro de usuário do sistemaRemover cadastro de usuário do sistema
Figura 25. Diagrama de Transição de Estados do Software.
2.3.6 Especificação dos Processos:
Evento número 1: USUÁRIO REQUISITA NOVO PROCESSO.
Processo 1.1: Gravar dados do processo.
INICIALIZAR Processo 1.1 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de novo processo ENTÃO
LER parâmetros do processo
44
GRAVAR dados do processo
ENVIAR quadro de opções de monitoração
FIMSE
FIM
Processo 1.2: Enviar parâmetros do processo.
INICIALIZAR Processo 1.2 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
LER dados do processo
ENVIAR parâmetros do processo
FIMSE
FIM
Processo 1.3: Gravar medidas de temperatura e estado de atuadores.
INICIALIZAR Processo 1.3 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
LER medidas de temperatura e estado de atuadores
GRAVAR medidas de temperatura e estado de atuadores
FIMSE
FIM
Processo 1.4: Formatar console de monitoração.
INICIALIZAR Processo 1.4 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
LER medidas de temperatura e estado de atuadores
EMITIR Gráfico de Temperatura X Tempo
EMITIR mensagens à caixa de diálogo
EMITIR medidas de temperatura e estado de atuadores
FIMSE
FIM
45
Evento número 2: USUÁRIO REQUISITA ALTERAÇÃO DE CADASTRO DE
USUÁRIO DO SISTEMA.
Processo 2: Alterar cadastro de usuário do sistema.
INICIALIZAR Processo 2 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de alteração de cadastro de usuário do sistema ENTÃO
GRAVAR dados de usuário do sistema
FIMSE
FIM
Evento número 3: USUÁRIO REQUISITA REMOÇÃO DE CADASTRO DE USUÁRIO
DO SISTEMA.
Processo 3: Remover cadastro de usuário do sistema.
INICIALIZAR Processo 3 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de remoção de cadastro de usuário do sistema ENTÃO
REMOVER dados de usuário do sistema
FIMSE
FIM
Evento número 4: USUÁRIO REQUISITA RELATÓRIO DO PROCESSO.
Processo 4: Emitir Relatório de Monitoração.
INICIALIZAR Processo 4 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de relatório do processo ENTÃO
LER dados de monitoração de Monitoração
46
LER dados de usuário do sistema
LER dados de medidas de Medidas
EMITIR relatório do processo
FIMSE
FIM
Evento número 5: USUÁRIO REQUISITA CADASTRO DE NOVO USUÁRIO NO SISTEMA.
Processo 5: Cadastrar novo usuário no sistema.
INICIALIZAR Processo 5 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de cadastro de novo usuário no sistema ENTÃO
GRAVAR dados de usuário do sistema
FIMSE
FIM Evento número 6: USUÁRIO REQUISITA GRÁFICO DE DESEMPENHO.
Processo 6: Gerar Gráfico de Desempenho.
INICIALIZAR Processo 6 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de gráfico de desempenho ENTÃO
LER dados de monitoração de Monitoração
LER dados de medidas de Medidas
EMITIR gráfico de desempenho
FIMSE
FIM
47
Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO. Processo 7: Emitir relatório do processo.
INICIALIZAR Processo 7 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE tempo de processo = instante de tempo determinado para emissão de relatório
ENTÃO
LER dados de monitoração de Monitoração
LER dados de medidas de Medidas
EMITIR gráfico de desempenho
FIMSE
FIM Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FINALIZAÇÃO DO PROCESSO. Processo 8.1: Emitir comando de desligamento de atuadores.
INICIALIZAR Processo 8.1 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE pedido de finalização de processo ENTÃO
EMITIR comando de desligamento de atuadores
FIMSE
FIM
Processo 8.2: Gravar Dados do Processo
INICIALIZAR Processo 8.2 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
SE confirmação de desligamento de atuadores ENTÃO
GRAVAR dados do processo
FIMSE
FIM
48
Processo 8.3: Emitir mensagem de confirmação de finalização.
INICIALIZAR Processo 8.3 (ABRIR arquivos; INICIALIZAR variáveis)
LER dados do processo
EMITIR mensagem de confirmação de finalização
FIM
2.4 Procedimentos de Integração dos Módulos
Depois de implementados os módulos de sistema foram realizados os
procedimentos de integração, de modo a permitir o funcionamento do sistema de forma
completa.
O primeiro passo foi aplicar os sinais condicionados dos sensores de
temperatura, ou seja, os sinais de saída dos amplificadores de intrumentação INA129.
Tais sinais, provenientes do módulo da caldeira, são aplicados um em cada canal de
entrada do multiplexador analógico CD4052BC, do módulo de hardware, como indicado
na Figura 12.
Realizado este passo, os quatro sinais dos sensores são multiplexados e
transmitidos ao microcontrolador. Os valores são transmitidos de acordo com a seleção
feita pelo microcontrolador.
Para integração do módulo de software com o restante do sistema, deve-se
conectar um cabo serial deste ao módulo de hardware. O microcontrolador transmite os
medidas de temperatura por intermédio do MAX232 (conversor de nível de tensão),
sendo o cabo serial conectado a este componente.
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Conectado o cabo serial, após iniciado um processo, o software supervisório
deve exibir os valores de temperatura medidos e o estado dos atuadores do sistema. A
configuração final do sistema encontra-se ilustrada na Figura 26. Diagrama eletrônico
dos módulos integrados.
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Figura 26. Diagrama eletrônico dos módulos integrados.
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3. Testes e Resultados
Concluídas todas as etapas de desenvolvimento e integração do sistema, fez-se
necessária a realização de uma série de testes, analisando suas funcionalidades. Como
proposto no início do projeto, o objetivo era o desenvolvimento de um sistema capaz de
realizar o controle de temperatura de uma caldeira desenvolvida em escala reduzida.
Deve-se adiantar que apenas dois sensores de termopares foram utilizados na
realização dos testes. O sistema é capaz de realizar a aquisição de quatro valores
diferentes de temperatura. Porém, dois dos quatro sensores de temperatura foram
danificados ao longo do desenvolvimento do projeto, sendo financeiramente inviável a
aquisição duas peças adicionais. Além disso, a caldeira em escala reduzida, utilizada
no projeto, impossibilitava o acoplamento de mais de dois sensores para aquisição das
medidas devido à falta de área.
Para a realização dos testes foram simuladas temperaturas de até 98ºC
(temperatura de ebulição da água). Temperaturas de caldeiras industriais chegam a
valores muito superiores. Porém, devido a limitações como a ausência de pressurização
na caldeira e a métodos de aquecimento não ideais, tais temperaturas tornaram-se
inalcançáveis para o protótipo desenvolvido.
Considera-se o sistema corretamente instalado quando:
• Software supervisório encontra-se instalado no PC conectado ao módulo de
hardware através do cabo de transmissão serial;
• Software supervisório encontra-se corretamente configurado (fonte de dados
ODBC, porta de comunicação serial);
• Módulo de Hardware alimentado, estando o microcontrolador não resetado;
• Módulo de caldeira alimentado (atuador de aquecimento e refrigeração) com
sensores de temperatura conectados ao circuito de condicionamento de
sinais;
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• Existir água no interior da caldeira.
Verificada a correta instalação do sistema, foram iniciados os testes e analisados
os resultados como descrito a seguir:
• Operações no software supervisório, tais como logon de usuário, cadastro de
novos usuários, criação de novos processos, edição de opções, emissão de
relatórios e gráficos de desempenho e demais funcionalidades deste módulo
apresentaram o resultado esperado. Ou seja, durante a utilização de tais
funções, nenhum problema foi constatado e as operações foram realizadas
com sucesso;
• O processo de controle foi iniciado corretamente, ou seja, os parâmetros do
processo foram corretamente enviados pelo supervisório ao módulo de
hardware ou módulo de controle. Tal fato foi constatado através do imediato
acionamento do atuador de aquecimento e a exibição de medidas de
temperatura no console de monitoração do software. Ainda, as medidas
apresentadas mostraram-se coerentes. Para tal constatação, foi utilizado um
termômetro digital acoplado a caldeira;
• Um problema foi constatado no decorrer do processo de aquecimento da
caldeira. Após alcançar uma temperatura mais elevada, oscilações tornam-se
evidentes. Através dos displays posicionados no console de monitoração,
notou-se uma variação considerável de temperatura para valores mais
elevados o que prejudica muito, senão impede, o processo de controle.
Condições inadequadas de aquisição de medidas tornaram o processo
instável;
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• Os atuadores de aquecimento e refrigeração, ambos são ativados no
momento correto, ou seja, de acordo com os parâmetros do processo,
transmitidos anteriormente. Desta maneira, provou-se o correto
funcionamento das funções de controle programadas no microcontrolador;
• O software supervisório, ao longo do processo, mostrou-se estável, exibindo
corretamente as mensagens de status do processo, os estados de atuadores
e as medidas de temperatura com plotagem de gráfico de performance em
tempo real;
• Finalizado o processo, pôde-se verificar o correto armazenamento dos dados
do processo através da requisição do relatório deste processo e plotagem de
gráfico de desempenho de controle.
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4. Conclusão
O projeto chegou ao fim apresentando resultados satisfatórios, considerando o
sistema proposto no início do projeto e os recursos disponíveis para implementação,
principalmente no que diz respeito ao objeto de controle.
A miniatura de caldeira industrial confeccionada artesanalmente tornou possível
o desenvolvimento e realizações de testes sobre o sistema. Todavia, apesar de
possibilitar o trabalho, tal objeto de controle foi uma limitação física que impossibilitou o
funcionamento ótimo do sistema. Isto fica evidenciado a temperaturas mais elevadas,
quando são observadas oscilações nos valores de temperatura medida durante o
processo. A ausência de pressurização dificulta a aquisição de medidas pelos sensores
de temperatura. Ainda, a dificuldade de posicionamento dos sensores termopares,
permitindo a entrada de corrente de ar frio pelo orifício de refrigeração, também
ocasiona oscilações nas medidas.
Uma característica importante presente no sistema, e que se mostra adequada
para a função, é a aplicação da tecnologia de microcontroladores em substituição a
tecnologia de CLPs, usualmente utilizada em soluções de automação industrial. O
microcontrolador supriu de maneira satisfatória as funções de controle, sendo
eficientemente integrado com o módulo do software supervisório. Este, por sua vez,
apresentou desempenho ótimo, requisitando corretamente processos ao módulo de
hardware e oferecendo diversas outras funcionalidades.
Por fim, considera-se que o sistema, apesar de não ter alcançado resultados
ótimos, conseguiu atingir o objetivo de desenvolvimento de um sistema baseado em
microcontrolador. Como possíveis melhoramentos cita-se o maior investimento em
componentes de aquisição de sinais (sensores de temperatura e condicionamento de
sinais) e a disponibilidade de um objeto de controle com características mais próximas a
escala real. Com estas medidas torna-se possível a obtenção de melhores resultados.
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5. Referências Bibliográficas
[1] MILLMAN, Jacob; HALKIAS, Christos C. Eletrônica: Dispositivos e Circuitos. 2.ed. São Paulo: McGraw Hill, 1981.
[2] PRESSMAN, Roger S. Software Engineering: A Practioner's Approach, 4
ed. São Paulo: McGraw- Hill, 1997.
[3] Signal Conditioning Fundamentals for Computer-Based Measurement Systems. National Instruments. Disponível em http://www.national.com.
Acessado em 21/05/2003.
[4] TEC Caldeiras e Sistemas Ltda. Artigo Técnico. Caldeiras e Vasos de Pressão. 1996. São Paulo.
[5] Microcontrollers PIC16F87X Datasheet. The Microchip Worldwide Site.
Disponível em http://www.microchip.com. Acessado em 14/04/2003.
[6] MAX232 Dual EIA-232 Drivers/Receivers Datasheet. Texas Instruments.
Disponível em http://www.texasinstruments.com. Acessado em 12/05/2003.
[7] CD4052BC Dual 4-Channel Analog Multiplexer/Demultiplexer Datasheet. Fairchild Semiconductors. Disponível em http://www.fairchildsemi.com.
Acessado em 15/07/2003.
[8] PREDKO, Michael. Programming and customizing the PIC microcontroller. New York: McGraw-Hill, 1998.
