Sistema de Controle de Temperatura de Caldeira

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

17

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


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


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


Mensagem à Caixa de DiálogoMedidas de Temperatura e Estado

de Atuadores

Módulo de Hardware

Medidas de Temperaturae Estado de Atuadores


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


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



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



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



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


Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO.

7

Emitir Relatóriodo Processo

Usuário

Medidas


Mensagem na caixa de diálogo

Medidas eEstado de Atuadores

Dados do Processo

Monitoração

Usuários


Intervalo de tempodeterminado para emissão

de relatório


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


38

2.3.3.2 DFD Detalhado de Resposta aos Eventos


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



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


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:


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.


LER dados do processo

ENVIAR parâmetros do processo

FIMSE

FIM

Processo 1.3: Gravar medidas de temperatura e estado de atuadores.


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.


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.


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.


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.


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.


SE pedido de gráfico de desempenho ENTÃO



EMITIR gráfico de desempenho

FIMSE

FIM

47

Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO. Processo 7: Emitir relatório do processo.


SE tempo de processo = instante de tempo determinado para emissão de relatório

ENTÃO



EMITIR gráfico de desempenho

FIMSE

FIM Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FINALIZAÇÃO DO PROCESSO. Processo 8.1: Emitir comando de desligamento de atuadores.


SE pedido de finalização de processo ENTÃO

EMITIR comando de desligamento de atuadores

FIMSE

FIM

Processo 8.2: Gravar Dados do Processo


SE confirmação de desligamento de atuadores ENTÃO

GRAVAR dados do processo

FIMSE

FIM

48

Processo 8.3: Emitir mensagem de confirmação de finalização.


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.

49

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.

50

Figura 26. Diagrama eletrônico dos módulos integrados.

51

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;

52

• 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;

53

• 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.

54

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.

55

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.

Sistema de Controle de Temperatura de Caldeira

Documents

Transcript of Sistema de Controle de Temperatura de Caldeira