Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota

Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota Fernando Tiago Gomes Silva Dissertação do MIEM Orientadores: Maria de Fátima de Castro Chouzal Maria Teresa Restivo Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Opção de Automação Setembro 2015 “Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow. The important thing is not to stop questioning.” Albert Einstein “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” i Resumo A globalização das redes de comunicação, nomeadamente da internet traduz-se num rápido e fácil acesso a diversos serviços remotos. Atualmente, qualquer utilizador pode aceder à internet através de qualquer dispositivo eletrónico, sendo este um meio de comunicação por excelência. O progresso tecnológico e científico possibilita a utilização das novas tecnologias ao serviço da experimentação remota. Neste sentido, no campo da educação, nomeadamente no do ensino superior, tem-se revelado um forte interesse nesta temática, pelo que se tem assistido à criação de muitos e variados laboratórios remotos que permitem dotar a comunidade académica de conhecimentos técnicos e científicos na área da experimentação remota, bem como desenvolver a sua formação experimental. Este trabalho de dissertação, que se insere neste âmbito, compreende o desenvolvimento e a implementação de uma solução de comando e monitorização remota de um sistema de medição de nível. O sistema de medição de nível – banca de teste – é constituído por dois tanques em circuito fechado de água, diversos transdutores e detetores de nível, um transdutor de caudal e dois atuadores. Um computador com software LabVIEW comandavam, monitorizavam e disponibilizavam o sistema remotamente. A solução desenvolvida é baseada em microcontroladores e em serviços web (HTML5). Os microcontroladores destacam-se pela sua versatilidade, autonomia, baixo custo e pelo facto de serem capazes de substituir os computadores tradicionais em aplicações correntes cujo grau de sofisticação não seja elevado. Para além disso, são responsáveis pela aquisição e processamento dos sinais proveniente dos transdutores e pelo comando dos atuadores. Como ferramenta normalizada de desenvolvimento de páginas web usa-se HTML5. Esta ferramenta é capaz de desenhar interfaces completas, interativas e facilmente acessíveis via internet permitindo o comando e a monitorização em tempo real. A interface web permite ao utilizador utilizar o sistema criado em dois modos de funcionamento diferentes: manual e automático. No modo manual o utilizador é livre de interagir com o sistema. No modo automático, após definido um nível de referência, o sistema segue automaticamente um procedimento pré-definido. A monitorização em tempo real é conseguida através de imagem proveniente de uma Câmara IP e ainda da integração de uma animação sincronizada com valores medidos no sistema. Palavras-chave: Experimentação remota, Microcontroladores, Interface web, Monitorização Remota. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” ii “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” iii Level transducers and remote monitoring solutions workbench Abstract The globalization of the Communication Networks namely the internet, allows a quick and easy access to many remote services. Nowadays, in the developed world, any user can access the internet through any electronic device, which means the internet as a communication medium of excellence. Information technology and scientific progress allow the use of new technologies for remote experimentation. The education field, particularly in higher education, reveals a strong interest in this subject. Therefore, higher education organizations have been creating online experimentation, namely, remote labs that provide to academic community technical and scientific knowledge and help to develop their experimental training. This dissertation is inserted in this context, includes the development and implementation of a remote control and monitoring solution for a level measurement system. The level measurement system – the workbench – is composed by two tanks in a closed loop water circuit, several level transducers and detectors, a flow transducer and two actuators. A computer with LabVIEW software controls, monitors and provides the system remotely. The developed solution is based on microcontrollers and web services (HTML5). Microcontrollers stand out for their versatility, autonomy, low cost and because they are able to replace a traditional computer for current low complexity applications. Furthermore, the microcontrollers are responsible for the transducers data acquisition and processing and for actuators control. The HTML5 is the standard tool for web page development. This tool permits to create complete, interactive and easily accessible interfaces via internet, allowing real time control and monitoring. The web interface allows the user to remotely interact with the developed system in two different operating modes: manual and automatic. In the manual mode, the user is free to interact with the system. In the automatic mode, after defining the set point, the system will follow a predefined procedure. Real-time monitoring is achieved through an IP camera and through an animation synchronized with the measured values. Key words: Remote Labs, Microcontrollers, Web Interface, Remote Monitoring. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” iv “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” v Agradecimentos Em primeiro lugar gostaria de expressar o meu agradecimento às minhas Orientadoras de dissertação – Professoras Maria Fátima Chouzal e Maria Teresa Restivo – por todos os conhecimentos transmitidos e por todo o apoio, dedicação e disponibilidade demonstrados ao longo da realização do presente trabalho. Agradeço a todos os colegas do Laboratório de Instrumentação para a Medição, em especial aos Engenheiros Tiago Andrade, Bruno Santos, Fernando Carneiro, Pedro Sousa e Rafael Tavares pelo apoio, disponibilidade e boa disposição demonstrados ao longo destes meses. Gostaria de agradecer também ao Professor Paulo Abreu por todo o conhecimento transmitido e aos Técnicos Joaquim Silva e António Ramalho pelo apoio técnico prestado. Agradeço ainda a todos os meus Amigos, que me acompanharam em todo o meu percurso académico, pela amizade, companheirismo e apoio incondicional. Em especial ao Marco Abreu, agradeço pelo espírito de entreajuda e companheirismo demonstrado ao longo de todo o curso e, em particular, durante o desenvolvimento da presente dissertação. Por último, agradeço à minha Família pela ajuda e pelo apoio incondicional; sem eles esta etapa da minha vida teria sido bem mais difícil. Um muito obrigado a todos! “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 2 A presente dissertação encontra-se estruturada em seis capítulos. O primeiro capítulo introduz conceitos gerais, contextualizando a temática da dissertação. Segue-se o segundo capítulo, onde é realizada uma revisão da literatura acerca dos conceitos-chave da dissertação. Nesse contexto, são também apresentadas diversas soluções para o desenvolvimento de sistemas de monitorização remota aplicáveis à banca de teste. No terceiro capítulo expõe-se uma análise e caracterização da banca de teste sobre a qual vai ser implementada a nova solução. Este capítulo inclui, naturalmente, o teste e a caracterização de todos os componentes. No quarto capítulo apresentam-se detalhadamente as fases do projeto eletrónico. Este inclui a escolha da arquitetura do sistema e o dimensionamento dos diversos componentes que compõem o circuito eletrónico. Destaca-se a implementação de diversas funcionalidades, como, por exemplo, o algoritmo de controlo. O quinto capítulo descreve a interface e a sua interação com o utilizador, sendo expostos todos os modos de funcionamento implementados. O documento termina com o sexto capítulo, onde se efetua uma síntese conclusiva, apontando-se algumas recomendações para estudos futuros. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 3 O controlo e a monitorização remota de sistemas é uma área atual e muito importante para a ciência e a engenharia. Nas últimas décadas, o progresso das tecnologias de informação tem permitido o desenvolvimento da experimentação online cada vez mais fiável e estável, proporcionando aos utilizadores conhecimento nas mais diversas áreas. A experimentação online tem aplicação na indústria, na investigação e na medicina. A sua utilização nestas áreas também contempla o treino e a formação contínua. Nas instituições de ensino superior têm vindo a ser criados laboratórios remotos, um tipo de experimentação online, que permitem familiarizar os estudantes com aspetos da tecnologia e do mundo real, e alargar a oportunidade de formação experimental. Na FEUP têm sido desenvolvidas múltiplas experiências no âmbito da experimentação online e, em particular, dos Laboratórios Remotos. O LIM, do Departamento de Engenharia Mecânica da FEUP, tem dedicado especial atenção à experimentação online e tem contribuído com a disponibilização de alguns recursos em “online experimentation@FEUP” (http://onlinelab.fe.up.pt/). O presente trabalho tem como objetivo a monitorização e atuação remotas de um sistema de medição de nível constituído por dois tanques em circuito fechado de água, instrumentados com diversos transdutores/detetores de nível. Neste capítulo serão apresentadas e analisadas diversas soluções existentes no mercado para comando e monitorização passíveis de serem implementadas na experimentação remota. 2.1 Laboratórios remotos e experimentação remota Os laboratórios remotos (LR) constituídos por uma ou mais experiências remotas são parte integrante da experimentação online [2]. A ontologia internacional [3] define LR como “laboratórios que permitem a realização de experiências reais a partir de um local remoto”, em particular, experiências reais controláveis e monitorizáveis via web. O acesso remoto é conseguido através de sotfware que permite a criação de uma interface gráfica e a sua a ligação via web ao hardware de interface com a(s) experiência(s) do LR. Desta forma os LR permitem que os utilizadores interajam com diversas experiências, oferecendo um grande potencial educativo como, por exemplo, no controlo e monitorização de processos [4, 5]. As instituições vocacionadas para a educação, maioritariamente as do ensino superior, têm demonstrado um acentuado interesse neste tipo de laboratórios. É uma realidade que o conhecimento das áreas da ciência e, em especial da engenharia, carece de uma forte componente prática. O uso de LR é um sinal de atualidade das escolas e oferece meios experimentais complementares podendo ser relevantes nas instituições em que existam carências experimentais ou onde a sua disponibilidade não seja tão grande quanto desejável. Atualmente, este tipo de tecnologia permite ao utilizador testar componentes (como motores, 2 Estudo de diferentes soluções de comando e monitorização aplicados à experimentação remota “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 4 componentes eletrónicos, etc.), programar controladores à distância e, entre outros, comandar robôs. Um laboratório “tradicional”, adequado à prática de experimentação, deve estar equipado com as ferramentas necessárias à experimentação. Contudo, muitas vezes, estes recursos não apresentam a flexibilidade desejável ou são mesmo limitados. A título exemplificativo, poderá existir apenas um set-up experimental para um grande número de alunos, com horários não flexíveis, uma vez que os laboratórios dificilmente se encontram disponíveis para além do horário de funcionamento das instituições. Como alternativa e resposta ao problema surgem os laboratórios remotos. Estes têm a vantagem de permitirem o acesso a uma experiência real, podendo ser acedidos durante qualquer altura do dia, através da internet. Os LR podem ajudar a atenuar algumas limitações, e geralmente são usados numa base de “blended learning”. De facto, estudos revelam que os laboratórios remotos são úteis enquanto complementares do ensino, mas não devem substituir de todo o contacto presencial com as experiências [4, 6]. Alguns autores sugerem, entre eles Barrios et al. [7], que um laboratório remoto apresenta uma arquitetura em 3 camadas, a Figura 2.1. Figura 2.1 - Arquitetura de 3 camadas para um laboratório remoto A primeira camada refere-se às aplicações e/ou sotfware que o utilizador necessita para aceder a uma determinada experiência no laboratório; a título exemplificativo cita-se a plataforma moodle. A segunda camada contempla toda a gestão do servidor do LR, como é o caso do booking. Assim, nesta camada, são definidas as restrições de número de utilizadores, tempo das sessões, horário de acesso às experiências, etc.. A terceira camada corresponde à experiência propriamente dita e contempla toda a solução, em termos de software e hardware, que permite disponibilizar a experiência remotamente, incluindo a interface com o utilizador. Nesta arquitetura o utilizador acede à plataforma online que contém a experiência – primeira camada. De seguida, o servidor permite ou não que o utilizador aceda à experiência – segunda camada. Por último, em caso de permissão, o utilizador é ligado à experiência, a qual disponibiliza uma interface remota para o comando da mesma – terceira camada [7]. De acordo com esta arquitetura, o projeto que se pretende desenvolver encontra-se na terceira camada que corresponde ao desenvolvimento de uma solução para o comando e monitorização remota de uma experiência e respetiva interface. De uma forma resumida, um laboratório remoto integra várias experiências remotas, que podem ser modificadas ou adicionadas ao longo do tempo. Estas devem ser facilmente utilizáveis, com o mínimo de requisitos para os utilizadores, facilmente acessíveis, em diversos “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 5 locais, a qualquer hora e por meio de dispositivos eletrónicos de natureza variada (computador, tablet, smartphone), devendo possuir ainda um sistema de identificação de utilizadores e de gestão da utilização das experiências [8, 9]. Os laboratórios remotos apresentam ainda dificuldades de implementação, devido a problemas tanto de ordem tecnológica como pedagógica. Ao nível tecnológico não existem soluções de software e hardware especificamente dedicados ao seu desenvolvimento. Assim, os aspetos pedagógicos que devem possuir, as questões tecnológicas, a manutenção, ou mesmo a criação dos set-ups exigem equipas multidisciplinares. No entanto, os laboratórios remotos constituem um desafio para o futuro, na medida da crescente necessidade de sistemas de monitorização e comando remotos [10]. 2.2 Soluções de desenvolvimento de experiências remotas Numa solução para experimentação remota, o hardware e o software assumem extrema importância e devem, por isso, ser adequados às necessidades e objetivos do sistema. A Informática e a Eletrónica possibilitam um vasto leque de soluções para os laboratórios remotos, que se englobam em dois grandes grupos: a solução baseada em software comercial e a baseada em software open source ou livre. Cada uma destas soluções segue uma arquitetura semelhante, ou seja, é necessário conjugar hardware e software para adquirir os diferentes sinais dos sensores/transdutores, comandar os diferentes atuadores e disponibilizar os dados para uma plataforma web, Figura 2.2 [11]. Figura 2.2 - Arquitetura genérica de um laboratório remoto [11] De uma forma genérica, uma experiência remota está dividida em duas grandes partes: a do servidor e a do utilizador, que, por sua vez, integram vários elementos de hardware e software, como ilustra a Figura 2.2. No lado do servidor (junto à experiência) existem quatro elementos: set-up sob controlo e instrumentação associada (transdutores, detetores, atuadores, etc.); o sistema de aquisição de dados (DAQ), capaz de adquirir a informação dos diferentes sensores/transdutores e de outros instrumentos de medição que integrem o sistema, e armazená-los num computador ou num dispositivo standalone; o controlador, capaz de processar os dados adquiridos pelo DAQ e atuar o sistema sob controlo; outros instrumentos, nomeadamente os que asseguram a comunicação entre os diversos elementos presentes e o servidor web, utilizando comunicação Ethernet. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 6 Relativamente ao utilizador, este pode aceder ao servidor web da experiência através da internet. O comando da experiência é realizado através da interface disponibilizada pelo servidor que irá possibilitar a interação do utilizador com a experiência. A interface pode ser desenvolvida recorrendo a diferentes ferramentas de software. Em suma, uma experiência remota é composta por duas grandes partes: hardware e software capaz de adquirir dados, comandar atuadores e comunicar com a web (utilizando comunicação Ethernet), que corresponde ao lado do servidor; e software capaz de gerir os dados e os diferentes componentes que compõem o sistema correspondendo à interface com o utilizador. 2.2.1 Soluções baseadas em software comercial As soluções baseadas em software comercial têm dominado o mercado, em matéria de desenvolvimento de experiências remotas. Destacam-se, entre as várias possibilidades existentes, os laboratórios baseados em LabVIEW e MATLAB/Simulink, como sotfware, e PLC (controlador lógico programável), enquanto hardware. Estas são vistas como bastante robustas, possuindo grandes potencialidades para desenvolvimento de sistemas de comando e monitorização remotos. No entanto, podem oferecer alguns entraves ao acesso por parte dos utilizadores. LabVIEW LabVIEW é um software desenvolvido pela National Instruments (NI) e esta disponibiliza uma vasta gama de hardware capaz de satisfazer uma grande diversidade de aplicações. Esta solução requer portanto hardware específico instalado num computador para aquisição e processamento de dados. O desenvolvimento de experiências remotas é conseguido usando o LabVIEW web server (permite o desenvolvimento da aplicação web) em conjunto com o LabVIEW web publisher tool (permite publicar a aplicação web desenvolvida convertendo-a para um endereço URL – Uniform Resource Locator – facilmente acessível). A linguagem de programação é gráfica e de fácil utilização. Oferece grandes potencialidades, para o desenvolvimento de interfaces, Figura 2.3, nas quais podem coexistir gráficos e todo o tipo de componentes de instrumentação virtual, permitindo construir interfaces completas e sugestivas – uma componente fundamental de um instrumento virtual. No entanto, esta solução necessita de um computador dedicado. Por último, é essencial uma licença anual. Figura 2.3 - Interface em LabVIEW “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 7 Uma arquitetura baseada em LabVIEW, apresenta várias exigências para o utilizador. A aplicação é acedida através da web (browser), mas requer a instalação do plug-in LabVIEW Run Time Engine. É de notar que as versões do LabVIEW do servidor e do plug-in do utilizador devem ser as mesmas, caso contrário poderão ocorrer problemas de compatibilidade. Por outro lado, o protocolo de comunicação pode ser bloqueado por políticas de firewall das instituições, por alguns sotfware antivírus e ainda torna as experiencias inacessíveis através de tablets e smartphones. Por fim, apresenta algumas incompatibilidades com diferentes browsers, mas esse problema tem vindo a ser corrigido. Para minimizar as desvantagens do lado do utilizador, podem ser usados os serviços web para desenvolvimento de interfaces, que são mais acessíveis a várias plataformas, sem problemas de compatibilidade e torna desnecessária a instalação do plug-in extra [4, 7, 11-13]. MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink é um software desenvolvido pela Mathworks sendo, hoje, uma ferramenta de programação e de cálculo poderosa. As soluções baseadas em MATLAB/Simulink têm sido muito utilizadas, sobretudo em aplicações que exigem controlo de sistemas e com algoritmos de controlo complexos. A solução requer um computador munido com este software aliado ao sistema de aquisição de dados (PLC, placas de aquisição, etc.). No caso de aplicações em experiências remotas, este software necessita de Real Time Workshop Toolbox para desenvolver a aplicação que permite a monitorização e o comando via web. A programação é simples, com uma linguagem essencialmente gráfica para o desenvolvimento das aplicações e da própria interface. Do lado do servidor, há que garantir a compatibilidade entre o software e o hardware. Contudo, atualmente, o MATLAB é já compatível com diversos tipos de placas de aquisição. Finalmente, este software necessita de uma licença anual. Uma arquitetura baseada em MATLAB apresenta várias exigências do lado do utilizador. Este necessita de um plug-in instalado no seu computador para aceder ao laboratório remoto, o que é desvantajoso pois necessita de software adicional; requer versões compatíveis do plug-in e do software, já que versões diferentes podem conduzir a erros; pode ainda ocorrer problemas com os diversos sistemas operativos e antivírus; torna as experiências inacessíveis através de tablets e smartphones. Contudo, o uso de interfaces que recorrem a serviços web permite minimizar algumas destas limitações, tal como no caso do LabVIEW [7, 10, 11]. Em suma, as duas ferramentas apresentadas (MATLAB e LabVIEW) são essencialmente utilizadas do lado do servidor, devido às suas grandes potencialidades, robustez, fiabilidade e facilidade de implementação que conferem ao sistema. Por outro lado, as desvantagens para o utilizador fazem com que se recorra frequentemente à necessidade de desenvolver as interfaces com recurso a serviços web [4, 7, 11-13]. PLC O PLC é um controlador de enormes potencialidades e de grande robustez vocacionado para ambientes industriais. Na indústria são muito utilizados sotfware SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), que asseguram comando e monitorização à distância usando PLC’s, tipicamente, como controladores locais. No caso de laboratórios remotos o PLC é uma possível escolha quando se pretende implementar controladores que simulam o tipo de necessidades e exigências industriais. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 8 Cada PLC possui o seu próprio software que também tem de ser adquirido. Estes dispositivos incorporam funcionalidades típicas de controladores e de sistemas de aquisição de dados, substituindo os computadores e as placas de aquisição e ainda são de fácil programação [11]. Os PLCs podem ser equipados com portas USB, Ethernet, permitindo a ligação deste a diferentes sistemas, designadamente a um computador, modem ou router e são sistemas modulares pois permitem a adição de novos módulos com diferentes funcionalidades (por exemplo entradas analógicas). Como limitações, este hardware é dispendioso, apresenta algumas incompatibilidades com outros dispositivos (trata-se de um hardware programado em software fechado) e ocupa demasiado espaço [10, 11]. 2.2.2 Soluções open source As soluções open source são baseadas em software livre, que não apresentam custo de licenças de utilização. Este tipo de software permite conceber soluções robustas e estáveis (quando comparados com as soluções comerciais), que permitem adquirir, processar e disponibilizar dados remotamente. Embora haja inúmeras soluções de desenvolvimento de laboratórios remotos baseadas em soluções open source, apenas serão expostas, por questões de ordem prática, as mais relevantes. As potencialidades destas ferramentas aumentaram exponencialmente nos últimos anos, de modo que se tornaram viáveis no desenvolvimento de projetos. Atualmente as ferramentas open source assumem um papel importante na implementação de sistemas de monitorização e comando remoto, possibilitando um vasto conjunto de soluções relevantes para o futuro desta área. Soluções de hardware para o servidor Do lado do servidor, o hardware é essencialmente constituído por um sistema responsável pela aquisição de sinal de sensores/transdutores e pelo comando de atuadores, possuindo para o efeito diversas entradas e saídas analógicas e digitais. Estes sistemas incluem sempre um módulo de comunicação, como Ethernet, série, USB, etc.. Desta forma, estas ferramentas são úteis no desenvolvimento de sistemas embebidos podendo substituir computadores pessoais e placas de aquisição de dados. Uma vantagem típica deste tipo de hardware é o tamanho reduzido que apresentam. Por outro lado, são soluções muito menos robustas quando comparadas com uma solução baseada num PLC. Existem três tipos de soluções baseadas em sistemas embebidos: PLD (Programmable Logic Devices), microcontroladores e computadores embebidos. PLD são circuitos integrados que podem ser reconfigurados pelo utilizador. Este hardware disponibiliza um grande conjunto de portas lógicas totalmente configuráveis às necessidades do utilizador, proporcionado uma elevada liberdade de programação. Apresenta como desvantagem uma programação complexa. Microcontroladores são circuitos integrados constituídos por um microprocessador, memória para armazenamento de dados e código e periféricos, como conversores analógicodigital. Os microcontroladores podem ser programados em linguagem C (linguagem que é standard na programação de microcontroladores) e não necessitam de sistema operativo, o que “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 9 os torna vantajosos no desenvolvimento de protótipos e para projetos na área de eletrónica. A principal desvantagem reside no facto de apresentarem memória e velocidade de processamento limitadas. Computadores embebidos são desenhados e programados para desempenhar tarefas específicas. Estes possuem sistema operativo, capacidades de memória e processamento similares às de um computador comum. Para além disto estão associados a periféricos que conferem as funcionalidades extras necessárias, sendo muito similares aos microcontroladores. Como desvantagens, necessitam de sistema operativo e consomem muita energia, quando comparados com microcontroladores [6, 11, 14]. Soluções de software para o utilizador As soluções de software open source para a conceção de interfaces para sistemas de monitorização e comando remoto têm vindo a ser muito utilizadas, devido às suas potencialidades e à boa compatibilidade com os sistemas operativos e dispositivos eletrónicos móveis. Atualmente, no desenvolvimento de interfaces é usual recorrer-se a serviços web. As principais ferramentas baseadas na web são: Java Applets, Adobe Flash, AJAX (Asynchronous Javascript and XML) e HTML (Hiper Text Makeup Language). Os autores Garcia-Zubia et al. [15] compararam estas ferramentas nos aspetos da universalidade, segurança, potencialidades e desenvolvimento. Java Applet é uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de aplicações web e animações, e tem sido usada no desenvolvimento de várias experiências remotas, devido à sua boa compatibilidade com sistemas operativos e software informático. Estas aplicações requerem um plug-in, Java Runtime Environment, que se traduz numa desvantagem. Os recentes browsers já possuem Java incorporado, o que facilita esta tarefa. Atualmente utilizase Java em conjunto com o HTML a fim de aumentar as potencialidades da interface. Adobe Flash é uma ferramenta de desenvolvimento de animações cuja principal vantagem consiste no desenho de aplicações gráficas. As suas potencialidades a nível gráfico tornam esta ferramenta muito atrativa em aplicações que necessitam animações mais complexas. Com recurso a esta ferramenta é possível obter aplicações web com modelos de simulação 3D, tal como evidencia a Figura 2.4, que podem ser especialmente úteis na criação de alguma instrumentação virtual de apoio à interface. No entanto, necessita de ser utilizada em conjunto com HTML ou AJAX para poder ser integrado numa página web. Figura 2.4 - Potenciallidades 3D do Adobe Flash [5] “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 10 AJAX é uma ferramenta de desenvolvimento web que incorpora outras tecnologias como o XHTML (eXtensible Hypertext Markup Language) e o CSS (Cascading Style Sheets), aumentando por essa via as potencialidades do HTML. A sua principal vantagem resulta na compatibilidade com qualquer browser usado atualmente e é acessível nos diversos dispositivos móveis existentes. Como desvantagem, salienta-se que o AJAX não suporta vídeo nem áudio, perdendo utilidade quando são necessários estes recursos multimédia. Para contornar esta limitação pode-se recorrer a imagens que vão sendo atualizadas rapidamente, dando assim a sensação de vídeo. HTML é a linguagem normalizada de qualquer plataforma web, o que se revela interessante em termos de compatibilidade. No entanto, tal como AJAX, não suporta áudio ou vídeo. É todavia possível combinar esta tecnologia com outras, por forma a obter uma aplicação web com mais funcionalidades. HTML é compatível com outras ferramentas como Adobe Flash, o que torna possível a reprodução de vídeo e som. Em 2014 surgiu a versão final do HTML5, uma versão melhorada do HTML. HTML5 é a nova grande ferramenta para desenvolvimento de aplicações web e tem sido muito utilizada desde então. Esta ferramenta incorpora Javascript, AJAX, XML e CSS, estando apta a criar páginas com interfaces bastante interativas e permite a publicação de vídeo e som, o que antes se afigurava uma limitação e exigia o recurso a outros plug-ins. Resumidamente, a linguagem HTML5 apresenta novas funcionalidades gráficas para os serviços web. Atendendo a que é compatível com qualquer browser e dispositivo, trata-se claramente de uma das melhores formas de conceber uma aplicação web para interface com o utilizador. Desde o seu lançamento esta ferramenta tornou-se numa das mais utilizada atualmente. No entanto, é importante referir que dependendo das necessidades do laboratório podem existir outras tecnologias mais indicadas. A título exemplificativo, no caso em que seja necessário uma elevada componente de multimédia, simulação e modelos 3D, vídeo e som é de considerar Adobe Flash, por ser especialmente indicado para integrar esse tipo de recursos [5, 13, 15, 16]. 2.2.3 Comparação entre as soluções open source e as soluções comerciais. Tendo por base as diferentes soluções apresentadas, baseadas em software e hardware comercial e em open source, procurar-se-á comparar a nível do hardware e software que requerem na perspetiva do servidor e de software para o utilizador. Em suma, no lado do servidor, as soluções comercias destacam-se de forma positiva pela facilidade de programação, maiores potencialidades de processamento, maior robustez e fiabilidade. As soluções open source revelam-se soluções de baixo custo, não requerem um computador pessoal na sua arquitetura, as suas pequenas dimensões apresentam atravancamento reduzido, possuem baixo consumo energético e utilizam software livre [6, 11, 14]. Por outro lado, as soluções comerciais possibilitam interfaces com o utilizador bastante completas e graficamente atrativas sendo facilmente programáveis. Já as soluções open source em serviços web destacam-se pela compatibilidade com os diferentes browsers e dispositivos. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 11 Na Tabela 2.1 é efetuada a comparação entre as ferramentas de desenvolvimento LabVIEW e HTML5 por serem as ferramentas do tipo comercial e open source, respetivamente, mais utilizadas no mercado para desenvolvimento de interfaces. Tabela 2.1- Comparação entre as ferramentas LabVIEW e HTML5 (Adaptado) [13] Critério Lab View Serviço Web HTML5 Prós Contras Prós Contras Programação Linguagem gráfica Linguagem própria Linguagem normalizada Extenso Acesso à web http webserver Protocolo próprio http webserver - Segurança Boa - Muito boa - Interface Rica - Página web Programação adicional Requisitos Plug-in gratuito Requer plug-in - - Compatibilidade Página HTML Restrições browser Muito boa - Da análise da tabela, conclui-se que as ferramentas open source baseadas em serviços web (nomeadamente HTML5) são competitivas face às ferramentas oferecidas por software comercial [13]. 2.3 Solução Escolhida Após o estudo e avaliação das diferentes soluções passíveis de desenvolvimento, o hardware para o controlo, comando e monitorização de um sistema de medição de nível e sua monitorização e atuação remotas, é desenvolvido com base em microcontroladores, e a interface com o utilizador utiliza serviço web (HTML5). Os microcontroladores apresentam as características necessárias para a implementação deste género de sistemas para a experimentação remota. Para além disso, o desenvolvimento desta solução permite aprofundar o conhecimento pessoal sobre esta tecnologia podendo testar e evidenciar as suas potencialidades e desempenho. HTML5 revelou ser uma boa solução. A arquitetura da solução pode ser observada na Figura 2.5. Figura 2.5 - Esquema da solução a implementar neste trabalho “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 18 integra um magnete permanente (em formato de anel) que desliza sobre o tubo acompanhando o nível de líquido. O seu princípio de funcionamento pode ser observado na Figura 3.7. A eletrónica alojada na cabeça do transdutor envia um impulso inicial de corrente que percorre o fio magnetoestrictivo. Quando este interseta o campo magnético criado pelo íman ocorre a magnetoestricção originando uma torção momentânea no fio. O sinal de torção propaga-se em direção à cabeça do transdutor, sendo convertido num sinal elétrico através de um sensor piezoelétrico (gera um sinal elétrico em resposta a uma deformação mecânica), que corresponde ao impulso de paragem. O intervalo de tempo entre o impulso de paragem e o inicial é usado para determinar o nível de líquido. Figura 3.7 - Esquema de funcionamento do transdutor magnetoestrictivo (adaptado)[18] Este transdutor de nível possui uma gama de medição de 300 milímetros, que corresponde ao comprimento do tubo, e o sinal de saída em corrente entre 4 e 20 mA, sendo por este motivo designado por transmissor de nível do tipo magnetoestrictivo. No Anexo C apresentam-se as principais características deste transdutor. Este tipo de transdutor evidencia um bom funcionamento em situações de humidade, presença de vapores e sólidos em suspensão, incluindo espuma, apresentando um boa exatidão e repetibilidade. A principal desvantagem deve-se ao facto de ser um transdutor que está em contacto com o líquido a medir, e portanto sujeito a efeitos de corrosão [18-20]. 3.2.4 Detetor por elétrodos condutores (Conductive Limit Switch) O detetor por elétrodos condutores (“Vegakon 66” da VEGA) 4 é constituído por elétrodos (varetas) de comprimentos diferentes, sendo o mais longo a referência, e correspondendo os restantes a diferentes níveis de deteção. Atualmente o detetor existente na banca apenas apresenta duas varetas, Figura 3.8. O princípio de funcionamento é baseado na condução elétrica realizada pelo líquido cujo nível se pretende medir. Neste caso, o circuito eletrónico formado pelos dois elétrodos, é fechado pela presença de um líquido condutor (neste caso água) entre os dois elétrodos. Quando 4 Vegakon 66 - http://www.vega-americas.com/downloads/BA/32650-EN.PDF “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 19 tal acontece o líquido condutor funciona como resistência elétrica que permite a passagem de corrente e por conseguinte a deteção de nível. Figura 3.8 - Princípio de funcionamento do detetor de nível por elétrodos condutores O sinal de saída é um sinal em tensão em que 0 V corresponde a “não deteção”, e Vcc à “deteção”. No Anexo C apresentam-se as principais características deste detetor. O contacto direto com o líquido e a necessidade de o líquido ser condutor elétrico são as principais desvantagens deste tipo de detetores. Em contrapartida, é um método de deteção de nível bastante simples. 3.2.5 Detetor por vibração (Vibrating Limit Switch) O detetor por vibração (“LVL-A2/A0” da Pepperl+Fuchstem) 5 possui a forma de um “garfo”, Figura 3.9. O dispositivo entra em vibração por efeito de um atuador piezoelétrico que o faz vibrar à sua frequência de ressonância. Na presença de líquido a frequência de vibração altera-se, detetando assim o nível de líquido. Figura 3.9 - Detetor de nível por vibração O sinal à saída é em tensão e pode ser de 0 V, não deteção, e Vcc, deteção. No Anexo C apresentam-se as principais características deste detetor. Este detetor possui a desvantagem de depender demasiado das características do líquido para funcionar corretamente. O líquido deve oferecer a resistência necessária para que o detetor vibre a uma menor frequência, ou seja há restrições a nível de densidade e viscosidade do líquido em que deve ser usado. 5 LVL-A2/A0 - http://files.pepperl-fuchs.com/selector_files/navi/productInfo/edb/tmdoc0632__eng.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 20 3.3 Caracterização dos transdutores e detetores de nível Os transdutores e detetores de nível presentes no sistema necessitam de ser ensaiados a fim de determinar a sua característica e também a sua gama de medição quando integrados no sistema. Através da equação da curva característica que traduz o nível de líquido do tanque em função da variável de saída pode-se concluir acerca da linearidade, sensibilidade e zona morta de cada transdutor. Nos detetores pretende-se determinar quais os níveis de atuação e desatuação e a sua histerese. 3.3.1 Transdutores Para os transdutores foi realizado um ensaio de caracterização que permite obter as equações características de cada transdutor. Para o efeito, foi utilizada como referência de medição uma régua graduada existente na banca com resolução de 1 milímetro, por se considerar suficiente para os objetivos propostos. De forma a garantir uma melhor uniformidade dos resultados ensaiaram-se os diferentes transdutores em simultâneo. O procedimento experimental consistiu em medir diretamente a saída de cada transdutor (nível de corrente) para um dado nível de água medido pela régua (referência). Os dados obtidos neste ensaio estão representados graficamente na Figura 3.10. Figura 3.10 - Dados recolhidos para a caracterização dos diferentes transdutores 6 Analisando o gráfico da Figura 3.10, observa-se que os transdutores por ultrassons e magnetoestrictivo apresentam uma zona morta bem definida. Enquanto o transdutor por ultrassons mede nível numa gama de 40 a 480 milímetros, o magnetoestrictivo efetua a medição de nível numa gama de 240 a 500 milímetros. Quanto ao transdutor de pressão diferencial este permite a medição de nível em quase toda a sua gama. No entanto, neste sistema de medição a zona morta do transdutor de pressão diferencial não é verificada uma vez que o nível mínimo imposto pela saliência do tubo de descarga (13 milímetros) é superior ao nível da zona morta do transdutor. Este facto indica que durante o funcionamento da banca o transdutor de pressão diferencial encontra-se na sua gama de trabalho. 6 “pressão” – transdutor de pressão diferencial; “magnet” – transdutor magnetoestrictivo; “ultrassom” – transdutor por ultrassons 240 500 40 480 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 Nível (mm) Corrente (mA) Dados para a caracterização dos transdutores pressão magnet ultrassom “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 21 Por forma a obter equação característica do sistema de medição é necessário considerar apenas os pontos pertencentes à gama de trabalho de cada transdutor. Posteriormente, procedeuse a uma aproximação linear dos pontos pelo método dos mínimos quadrados, obtendo-se as equações representadas na Figura 3.11. Figura 3.11 - Curva característica dos diferentes transdutores de nível Através da curva característica, Figura 3.11, e dos dados obtidos experimentalmente é possível calcular a não linearidade e a sensibilidade para cada transdutor, estando estes valores apresentados na Tabela 3.1. Tabela 3.1 - Linearidade e sensibilidade dos diferentes transdutores de nível Transdutor Não linearidade Sensibilidade (mA/mm) Calculada Catálogo Pressão diferencial ±0,383% ±0,100% 0,0158 Por ultrassons ±0,258% ±0,200% -0,0363 Magnetoestrictivo ±0,399% ±0,050% -0,0508 Como demonstra a Tabela 3.1 a não linearidade obtida pelo ensaio é superior aos dados fornecidos pelo fabricante uma vez que o equipamento utilizado durante o ensaio e o método de medição introduzem alguns erros. O facto do instrumento de referência ser uma régua graduada com resolução 1 milímetro e haver pequenas oscilações de nível de líquido conduzem a incertezas na medição, o que afeta diretamente a não linearidade obtida. Contudo, a não linearidade obtida é satisfatória e está de acordo com os objetivos propostos para este trabalho. Quando à sensibilidade verifica-se que o transdutor de pressão diferencial é o mais crítico uma vez que apresenta uma sensibilidade inferior aos restantes transdutores de nível. Este aspeto será relevante na escolha da resolução do sistema de aquisição de dados. 3.3.2 Detetores Para obter a característica dos detetores, foram realizados ensaios durante os quais foram anotados os níveis, tanto na subida como na descida, em que ocorre a mudança de estado. A Figura 3.12 mostra a característica dos detetores presentes no tanque superior deste sistema. y = 63,162x - 251,46 R² = 1 y = -19,666x + 637,47 R² = 0,9999 y = -27,529x + 586,64 R² = 1 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 Nível (mm) Corrente (mA) Característica dos transdutores de nível pressão magnet ultrassom “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 22 Figura 3.12 - Característica dos detetores por elétrodos condutores (esquerda) e por vibração (direita) Examinando os gráficos, verifica-se que o detetor por elétrodos condutores apresenta uma histerese de 3 milímetros, enquanto o detetor por vibração apresenta histerese de 4 milímetros. O detetor magnético para proteção da bomba apresenta uma histerese de 3 milímetros, Figura 3.13, para o nível de segurança de funcionamento da bomba. Figura 3.13 - Característica do detetor magnético para proteção da bomba 3.4 Caracterização do transdutor de caudal O transdutor de caudal ou caudalímetro (“Flow sensors – 15mm dia. pipe”) 7 é responsável por medir o caudal debitado pela bomba e funciona com base num sistema constituído por um emissor luminoso (LED) e um recetor (fototransístor). O líquido ao passar no tubo irá movimentar uma turbina que poderá bloquear a passagem de luz do emissor para o recetor, dando origem a dois níveis lógicos à saída. O caudal que passa pela turbina será diretamente proporcional à velocidade de rotação da mesma e à frequência de comutação do fototransístor. A característica do transdutor de caudal fornecida pelo fabricante, que relaciona o caudal com a frequência, está representada na Figura 3.14. 7 Flow sensors – http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/001b/0900766b8001bb47.pdf 0 5 10 15 20 25 30 38 41 44 47 50 53 Tensão (V) Nível de líquido (mm) Detetor por elétrodos condutores 0 5 10 15 20 25 30 435 439 443 447 451 455 Tensão (V) Nível de líquido (mm) Detetor por vibração “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 23 Figura 3.14 - Característica do transdutor de caudal fornecida pelo fabricante (adaptado) O transdutor de caudal apresenta uma gama de medição entre 1,5 e 30 l/min correspondendo respetivamente a uma frequência entre 30 e 600 Hz. Para além disso este transdutor apresenta uma característica linear. No Anexo C apresentam-se as principais características do transdutor de caudal. Em situações de baixo caudal, a viscosidade do fluído pode comprometer a medição de caudal. Nestas situações é importante manter a viscosidade do fluído constante e funcionar com o maior caudal possível. 3.5 Caracterização dos atuadores Este sistema possui dois atuadores: uma válvula de descarga e uma bomba de água. 3.5.1 Válvula de descarga A válvula de descarga (“2/2-way Solenoid Valve for gases and fluids” da Burkert) 8 é uma válvula on/off, de duas posições, normalmente fechada, e tem como função esvaziar o tanque superior quando atuada. O acionamento desta é elétrico e é comandada através do relé presente no armário eletrónico. No Anexo C apresentam-se as principais características da válvula de descarga. 3.5.2 Bomba de circulação de água A bomba de circulação de água submersível (“Submersible bilge pumps” da Jabsco) 9 bombeia água do tanque inferior para o tanque superior. Esta é acionada por um motor de corrente contínua. Na Tabela 3.2 apresentam-se as principais características deste equipamento (no Anexo D pode ser consultada uma versão mais detalhada). 8 2/2-way Solenoid Valve for gases and fluids - http://spcontrol.ru/files/burkert/290.pdf 9 Submersible bilge pumps - http://www.depcopump.com/datasheets/jabsco/30220-Series,%2030222- Series,%2030230-Series%202003.PDF “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 24 Tabela 3.2 - Principais características da bomba de circulação de água Parâmetro Valor Unidades Caudal nominal 28,33 (H=0m) 20.41 (H=1m) 14,83 (H=2m) l/min Alimentação 12 Vdc Como se pretende que a velocidade da bomba seja variável para que o caudal debitado pela mesma também o seja, é necessário obter a característica da bomba que traduza o caudal debitado em função da tensão aplicada aos terminais do motor. Para o efeito ensaiou-se a bomba com diferentes valores de alimentação e mediu-se o caudal através do transdutor de caudal, com base na frequência do sinal obtido à saída do transdutor. Posteriormente, procedeu-se a uma aproximação linear dos pontos pelo método dos mínimos quadrados, tendo-se obtido a característica da bomba evidenciada na Figura 3.15. Figura 3.15 - Característica da bomba de circulação de água A Figura 3.15 permite constatar que a gama de caudal debitado pela bomba é muito inferior à gama de medição do transdutor de caudal. Relativamente à característica da bomba, esta é aproximadamente linear e o seu conhecimento permite o controlo da bomba, como será abordado no capítulo 4. Atendendo que o transdutor de caudal limita o caudal mínimo a 1,5 l/min, a bomba não deve ser alimentada com tensão inferior a 7,5 Vdc, pelo que a sua gama de funcionamento deve estar entre os 7,5 e 12 Vdc. Uma vez que o sistema apresenta aproximadamente uma altura manométrica (H) de 1,5 m (diferença de altura entre a bomba e o ponto de descarga no final da tubagem, Anexo A) então, comparando o caudal máximo debitado pela bomba (aproximadamente 5,4 l/ min) com o caudal nominal para H= 1,5 m, aproximadamente 17 l/min, verifica-se uma clara discrepância entre estes dois valores. Esta diferença deve-se muito possivelmente às elevadas perdas de carga localizadas nos cotovelos de raio curto, existentes ao longo da tubagem que liga o tanque inferior ao tanque superior, Figura 3.16. y = 1,3947x - 8,7771 R² = 0,9934 0 1 2 3 4 5 6 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 Caudal (l/mim) Tensão (V) Característica da bomba de circulação de água “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 25 Figura 3.16 - Cotovelos de raio curto presentes na tubagem Testes realizados mostram que, com a substituição dos dois cotovelos na extremidade da tubagem por uma mangueira, consegue-se reduzir em cinco segundos (de 100 para 95 segundos) o tempo de enchimento de 100 milímetros de nível. Esta constatação permite concluir que se forem substituídos todos os cotovelos por curvas (que apresentam menor perda de carga) e/ou se reduzirem o número dos mesmos é possível melhorar a dinâmica do sistema no que respeita a este fator. Os dados obtidos na característica da bomba e testes práticos realizados com a mesma mostram que o sistema é demasiado lento. Esta baixa dinâmica tem origem em vários fatores: a potência da bomba é insuficiente para a banca, uma vez que o tanque superior apresenta elevada capacidade, aproximadamente 40 litros (dimensões 100x800x520 em milímetros) e o seu caudal nominal é demasiado baixo; e a tubagem do sistema apresenta elevadas perdas de carga localizadas. 3.6 Conclusão Neste capítulo foram apresentados os componentes que compõem o sistema, no tanque superior, no tanque inferior e no armário eletrónico. Destaca-se ainda a caracterização dos transdutores, detetores e da bomba de circulação de água, a fim de obter as respetivas curvas características que irão permitir a implementação da solução de monitorização, comando e controlo remoto. A caracterização dos transdutores foi realizada usando como referência uma régua graduada que é uma fonte de incerteza importante na obtenção da equação característica. No entanto, espera-se que os resultados obtidos não sejam comprometedores nos objetivos propostos para este trabalho. Pelos resultados obtidos, constata-se que a presença de perdas de carga locais elevadas (cotovelos de raio curto), a elevada capacidade do tanque superior, bem como a baixa potência da bomba limitam o desempenho do sistema hidráulico e consequentemente tornam o sistema pouco dinâmico. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 26 “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 27 Este trabalho pretende desenvolver uma solução para monitorizar e comandar remotamente o nível de água de um tanque. Face às soluções atualmente existentes, optou-se por um sistema baseado em microcontroladores. Para além de ser uma solução económica, os microcontroladores poderão ser suficientemente robustos para o sistema em causa, garantindo a devida fiabilidade. Neste capítulo são apresentados os requisitos que conduziram à escolha da solução para a arquitetura do sistema. É efetuada uma caracterização e análise detalhada dos componentes selecionados e das suas funções de forma a evidenciar as diferentes fases de desenvolvimento do novo sistema. Finalmente, estas etapas permitiram a realização de um protótipo da solução desenvolvida. 4.1 Requisitos do sistema De forma a definir a arquitetura do sistema é necessário ter em conta os seus requisitos. Globalmente, o sistema eletrónico tem de ser capaz de realizar três tarefas distintas:  Adquirir e processar os diferentes sinais provenientes dos transdutores e detetores de nível e do transdutor de caudal;  Comandar a bomba de circulação de água e a válvula de descarga;  Disponibilizar os dados obtidos num LCD, localmente, e numa página web (interface), remotamente. O sistema de medição de nível deve garantir uma resolução de 1 milímetro com qualquer um dos transdutores. Relativamente à bomba de circulação de água definiu-se que esta deve ter velocidade variável e que o caudal debitado pela mesma deve ser controlado com uma resolução de 0,1 l/min. O LCD deve indicar o valor do nível de água medido por cada transdutor, o valor do caudal e o estado de cada detetor. A interface remota deve conter botões para comando da válvula de descarga e da bomba, para além de apresentar os valores do nível de água medidos por cada transdutor, o estado de cada detetor e uma imagem obtida por uma câmara possibilitando a monitorização em tempo real. A interface deverá ainda possuir um modo de funcionamento automático que permite ao utilizador selecionar o nível de líquido pretendido. 4 Projeto e desenvolvimento do sistema eletrónico baseado em microcontroladores “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 34 Figura 4.3 - Esquema de ligação dos transdutores ao microcontrolador Do ponto de vista do microcontrolador, as equações das características do conjunto transdutor/conversor analógico-digital estão representadas na Figura 4.4. Figura 4.4 – Equações características do conjunto transdutor/conversor implementadas no microcontrolador 4.6.2 Sinal do Transdutor de caudal Como já foi referido anteriormente, o microcontrolador possui um módulo, “capture”, capaz de medir o período de impulsos consecutivos e, por conseguinte, o valor da frequência. Atendendo que o caudal máximo debitado pela bomba é aproximadamente 5,4 l/min e o mínimo 1,5 l/min e recorrendo à característica do transdutor de caudal isso corresponderá a 108 e 30 Hz, respetivamente. Assim, o módulo “capture” tem de ser configurado para medir frequência entre 30 e 108 Hz. De forma a medir o período este módulo recorre a um temporizador digital de 16 bit do microcontrolador. Dado que o oscilador externo possui uma frequência de 20 MHz é necessário escolher o pré scaler para que o temporizador consiga medir o período dos sinais (em toda a gama de medição) de entrada sem que ocorra overflow: 1 𝐹sinal=(𝑇𝑀𝑅+1)×𝑇𝑀𝑅𝑃𝑆 𝐹osc 4 ⁄ (4.10) Onde: Fsinal, é a frequência do sinal do transdutor de caudal Fosc, é a frequência do oscilador TMR, é o valor do período do sinal, TMRPS, é o valor do pré scaler do temporizador. y = 0,7916x - 251,46 R² = 1 y = -0,4005x + 637,47 R² = 0,9999 y = -0,5606x + 586,64 R² = 1 0 100 200 300 400 500 600 0200 400 600 800 1000 1200 Nível (mm) Saída do conversor analógico-digital Características do conjunto transdutor/detetor implementadas no microcontrolador pressão magnet ultrassom “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 35 A situação mais desfavorável ocorrerá para a frequência mais baixa (30Hz), o que conduz a um TMRPS superior a 2,54. Para que a gama de medição do transdutor de caudal se ajuste ao temporizador do microcontrolador, o valor mais próximo selecionável para o pré scaler é 4. Assim, a resolução do temporizador digital obtida é de: 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 =𝑇𝑀𝑅𝑃𝑆 𝐹osc 4 ⁄=4 200000004 ⁄=0,8 𝜇𝑠 ( 4.11) O módulo “capture” considera o período do sinal do transdutor de caudal como sendo a base de tempo. Durante esse tempo serão contados impulsos com período de 0,8 s. A relação entre o número de impulsos medidos e o caudal debitado pela bomba está expressa no gráfico da Figura 4.5. Figura 4.5 - Relação entre o caudal e o número de impulsos É de salientar que o transdutor de caudal possui todas as características que permitem a sua ligação direta ao microcontrolador, sendo desnecessário qualquer condicionamento de sinal. 4.6.3 Sinal dos detetores de nível Para adaptar o sinal de tensão proveniente dos detetores de nível (24 V) para o nível exigido pelo microcontrolador, 5 V, utilizaram-se acopladores óticos (“VO2631” da Vishay) 14 . Com o objetivo de minimizar o consumo de corrente e proteger os componentes eletrónicos, houve necessidade de limitar a corrente (tanto à entrada como à saída do acoplador ótico) através do uso de resistências. Tendo em conta as características fornecidas pelo fabricante, obtiveram-se os seguintes valores para as resistências: Entrada do acoplador: 𝑅1=𝑈𝑐𝑐−𝑈𝐿𝐸𝐷 𝐼⇒ (4.12) 14 VO2631 - http://www.vishay.com/docs/84732/6n137.pdf y = -0,0001x + 6,9 0 1 2 3 4 5 6 05000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Caudal (l/min) Número de impulsos Relação entre número de impulsos medidos e caudal “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 36 𝑅1𝑚𝑎𝑥 =24−1,4 5×10−3 =4520 Ω 𝑒 𝑅1𝑚𝑖𝑛 =24−1,4 15×10−3 =1507 Ω Considerando, de acordo com o fabricante, que a corrente mínima é 5 mA e a máxima 15 mA, a resistência escolhida deverá ser superior a 1507 Ω e inferior a 4520 Ω, pelo que se selecionou uma resistência (R1) de 3900 Ω. Saída do acoplador: Admitindo que para a saída do acoplador ótico a resistência máxima recomendada é 4000 Ω, selecionou-se uma resistência (R2) de 3900 Ω. Na Figura 4.6 encontra-se um esquema da montagem do detetor e do acoplador ótico. Figura 4.6 - Esquema de ligação de um detetor e acoplador ótico 4.7 Monitorização e comando Local O sistema de monitorização local foi desenvolvido com o propósito de permitir o teste do módulo de aquisição e atuação e facilitar operações de manutenção. Este sistema é constituído por um LCD (“Displaytech 162a”) 15 , duas botoneiras de atuação momentânea, dois sinalizadores luminosos (um verde e um vermelho) e um potenciómetro. O LCD disponibiliza duas linhas de 16 carateres que exibem o estado atual dos três detetores, estados lógicos “0” e “1”, o nível medido pelos três transdutores, em milímetros, bem como o valor do caudal, em litros por minuto, permitindo a monitorização local do sistema, Figura 4.7. Figura 4.7 – Organização da informação presente no LCD 15 Displaytech 162a - http://cdn.displaytech-us.com/sites/default/files/display-data-sheet/162A%20series-v21.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 37 Relativamente às botoneiras, uma delas permite ligar e desligar a bomba de circulação de água e a outra destina-se a comutar a válvula de descarga. Estas encontram-se ligadas ao microcontrolador com uma resistência em pull-down. Essa resistência possuí um valor de 10 kΩ, limitando a corrente à entrada do microcontrolador a 0,5 mA. O sinal luminoso verde (quando aceso) indica que a bomba está em funcionamento, o vermelho (quando aceso) informa que a válvula de descarga está atuada. Por sua vez o potenciómetro possibilita o controlo manual do caudal da bomba, variando o duty cycle do módulo PWM. 4.8 Comunicação A comunicação entre o módulo de aquisição e atuação e o módulo web é assegurada pelo módulo SSP dos microcontroladores. Este módulo permite dois protocolos de comunicação: SPI (serial peripheral interface) e I2C (Inter-Integrated Circuit). Neste trabalho a comunicação entre os dois módulos é efetuada através do protocolo SPI, numa arquitetura de rede de comunicação do tipo master/slave. Este protocolo permite comunicações entre um microcontrolador e outros elementos (podem ser microcontroladores ou não), em que só há um elemento master e todos os restantes são slaves. A Figura 4.8, mostra a ligação entre os dois microcontroladores e qual o sentido da mesma, de acordo com o protocolo SPI: entrada de dados (SDI – Serial Data Input; saída de dados (SDO – Serial Data Output); sinal de relógio (SCK – Serial Clock), sempre imposto pelo master define a velocidade da comunicação e os GND que têm de ser comuns. Figura 4.8 - Esquema de ligação da comunicação SPI Nesta comunicação ocorre sempre uma troca de dados. Em cada uma, o master envia dados e o slave deve responder sempre, mesmo que não seja necessário, tratando-se de uma comunicação em full duplex, Figura 4.9. Outro aspeto a ter em consideração é que a frequência do sinal de relógio deve ser compatível com a velocidade de processamento do slave de forma a evitar erros na transferência de dados. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 38 Figura 4.9 - Esquema de uma comunicação SPI (Adaptado) [21] A Figura 4.9 apresenta o esquema mais detalhado de uma comunicação SPI. Quando o master inicia a comunicação envia a informação que está no seu registo de deslocamento para o slave. Ao mesmo tempo, o slave envia para o master o que está no seu registo de deslocamento. Desta forma estamos perante uma comunicação síncrona. Depois de finalizada a troca de dados, a informação recebida por cada microcontrolador é enviada para o respetivo buffer de entrada. 4.8.1 Gestão das comunicações A gestão das comunicações permite assegurar o correto funcionamento de todo o sistema. Um aspeto fundamental nesta gestão é o número de “ciclos de comunicações” 16 que ocorrem por segundo. Este número não deve ser nem demasiado baixo, nem demasiado elevado. Se o número de ciclos de comunicações por segundo for baixo o tempo de resposta face às medições e aos comandos seria demasiado lento. Se o número de ciclos for elevado o módulo de aquisição e atuação pode não conseguir executar todo o programa entre ciclos consecutivos. Para estimar esse número de ciclos, considera-se que o caudal máximo debitado pela bomba é 5,40 l/min (5,40×106 mm3/min) e, como o tanque superior possui uma secção constante de 80000 mm2 (100 mm por 800 mm), a velocidade máxima de enchimento é 1,12×10−3 m/s. Como se pretende uma medição com resolução de pelo menos um milímetro, decidiu-se que o master inicia um ciclo de comunicações a cada meio segundo (o tanque superior enche aproximadamente 1,12/2=0,56 milímetros entre ciclos de comunicações), ou seja dois ciclos por segundo. De modo a garantir uma maior fiabilidade da comunicação, implementou-se um método simples de deteção de erros. Este consiste em fazer uma comunicação de verificação, no início de cada ciclo de comunicações. A Figura 4.10 mostra, de forma esquemática, o ciclo de comunicações entre o master e o slave. Assim sendo, se os bytes de verificação falharem, a comunicação é automaticamente interrompida, isto é, os dados enviados não correspondem aos dados recebidos. Caso o teste de verificação seja bem sucedido, significa que os microcontroladores estão a comunicar corretamente, presumindo-se que as restantes comunicações também terão êxito. 16 Ciclos de comunicações – é o conjunto de todas as comunicações entre o master e o slave em cada ciclo de funcionamento “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 39 Figura 4.10 - Esquema de um ciclo de comunicações 4.9 O algoritmo de controlo O algoritmo de controlo implementado permite o funcionamento do sistema no modo automático o qual poderá ser selecionado na interface do utilizador. Quando o modo automático é ativado o microcontrolador atua a bomba ou a válvula de descarga para que o nível medido pelo transdutor por ultrassons corresponda ao valor de referência (definido pelo utilizador). Este transdutor possui uma gama de medição que se ajusta à altura do tanque apresentando o dobro da sensibilidade do transdutor de pressão diferencial, sendo por isso a escolha para as operações de controlo. Dadas as características do sistema e após vários testes experimentais, definiu-se que o algoritmo de controlo entra em funcionamento quando o erro (diferença entre o nível de referência e o nível medido) for igual ou superior a 3 milímetros, em módulo. Desta forma será atenuada a instabilidade do algoritmo de controlo (evitando atuações e desatuações desnecessárias da válvula de descarga e da bomba) devido a pequenas oscilações nos valores medidos pelos transdutores de nível para as quais concorrem as próprias pequenas oscilações do nível de água no interior do tanque superior. Se o nível de referência for menor que o nível atual, a válvula de descarga é atuada de forma a fazer a descarga do tanque superior. Quando o nível de água iguala o nível de referência a “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 40 válvula desliga, concluindo o algoritmo de controlo. Assim, o controlo da descida de nível é assegurado apenas por um controlo on/off da válvula de descarga. Por outro lado, se o nível de referência for superior ao nível atual, a bomba é acionada de forma a garantir a igualdade entre o nível de referência e o nível medido. Assim, devido às limitações do sistema e dos seus componentes (a título exemplificativo, evitar que a bomba funcione na sua zona morta) optou-se pela implementação de um controlador híbrido baseado num controlador proporcional. Com este controlador pretende-se que o caudal, debitado pela bomba, seja, progressivamente reduzido para que a aproximação ao nível de referência seja o mais suave possível. Neste sistema a ação de controlo corresponde ao valor do registo que define o duty cycle do sinal de PWM que indiretamente define o caudal debitado pela bomba. Através de diversos testes e ensaios realizados com a bomba foi possível definir uma ação de controlo adequada para o sistema. A ação de controlo pretendida está representada na Figura 4.11. Figura 4.11 - Ação de controlo pretendida Como mostra a Figura 4.11, o controlador está na sua zona ativa quando o erro se encontra entre 1 e 6 milímetros. Este intervalo de erro foi otimizado através de vários ensaios realizados. Para além disto, a ação de controlo pretendida apresenta dois patamares de saturação. O patamar superior refere-se ao estado em que a bomba funciona no seu caudal máximo, tal ocorre para erro maior que 6 milímetros. Neste caso, o controlador assume o valor máximo da ação de controlo, 1023 (limitado pela resolução do módulo de PWM), correspondendo a um duty cycle de 100%. O patamar inferior corresponde à situação em que a bomba funciona com o mínimo caudal durante a execução do algoritmo de controlo. O algoritmo entra neste estado de funcionamento quando o erro é inferior a 1 milímetro. Neste caso, a ação de controlo assume o valor de 670 (valor obtido experimentalmente) que corresponde a um sinal de PWM com duty cycle de 65%. Este patamar permite garantir que a parte final do algoritmo de controlo é realizada com o caudal mínimo. Quando o nível medido iguala o nível de referência, a bomba é desligada e o algoritmo de controlo é concluído. No entanto, se após a conclusão for registado algum valor medido com 500 600 700 800 900 1000 1100 01234567 Ação de controlo Erro (mm) Ação de controlo pretendida “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 41 um erro igual ou superior a 3 milímetros (em módulo) em relação ao nível de referência, o algoritmo entra de novo em funcionamento. Com base nesta ação de controlo foi possível construir o diagrama de blocos do sistema de controlo, para a subida, Figura 4.12. Figura 4.12 - Diagrama de blocos do sistema controlado Para a implementação deste controlador é necessário calcular os parâmetros correspondentes ao ganho proporcional e compensação da zona morta. De forma a calcular esses parâmetros, considera-se a equação da reta da zona ativa da ação de controlo pretendida, Figura 4.11. Assim, a ação de controlo a implementar neste sistema segue uma lei do tipo: 𝑢1=𝑒×𝑘𝑝+ 𝑐 𝑐𝑜𝑚, 𝑒=ℎ𝑟𝑒𝑓−ℎ𝑚𝑒𝑑 (4.13) Onde: u1, é a ação de controlo, e, é o erro, c, é a compensação da zona morta, kp, é a ganho proporcional, href, é a referência de nível de água, hmed, é nível de água medido pelo transdutor por ultrassons. Com base no gráfico da Figura 4.11 é possível obter o kp, que corresponde ao declive da parte ativa do controlador. 𝑘𝑝=1023−670 6−1 =70,6 (4.14) Face ao resultado obtido e após testes experimentais, selecionou-se um kp de 70 que origina uma ação de controlo, u1, de: 𝑢1=70×𝑒+600 (4.15) A ação de controlo saturada, u, é dada por: 𝑢={1023, 𝑢1≥1023 𝑢1, 670≤𝑢1≤1023 670, 𝑢1≤670 (4.16) Através da realização de vários ensaios foi possível verificar que o controlador implementado consegue controlar nível com um erro de ± 1 milímetro em relação ao nível de referência, o que se considera bastante satisfatório. 4.10 Sistema implementado 4.10.1 Módulo de aquisição e atuação Tendo por base as montagens e os componentes referidos anteriormente, foi possível desenvolver o módulo de aquisição e atuação para este sistema. Na Figura 4.13, os retângulos “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 42 pintados representam os elementos externos que se ligam ao módulo e os restantes referem-se a elementos internos. Este módulo verifica todos os requisitos estabelecidos. Figura 4.13 - Esquema do módulo de aquisição e atuação Desenvolvimento da placa de circuito impresso As placas de circuito impresso (PCB - Printed Circuit Board) permitem materializar protótipos dos circuitos eletrónicos elaborados durante a fase de desenvolvimento. À conceção de PCBs estão subjacentes diversas etapas: desenho da placa em software CAD (Computer Aided Design), fabrico da placa de circuito impresso, soldagem dos diferentes componentes e teste. Os componentes utilizados na placa têm o encapsulamento PDIP (Plastic Dual In-line Package), pelo têm ser usados sockets para a fixação dos circuitos integrados à placa. A utilização de sockets permite a substituição rápida dos componentes por outros e facilita a tarefa de soldagem. No entanto, os PDIP possuem maior atravancamento que outros encapsulamentos, (como o SOIC - Small Outline Integrated Circuit). Atendendo a que na presente aplicação a dimensão da PCB não é um aspeto crítico, justifica-se portanto o uso de circuitos integrados com encapsulamento PDIP. No projeto da placa devem ser tidos cuidados na organização dos componentes de modo a reduzir ao máximo os problemas de ruído, relevantes na medição de grandezas provenientes de sinais analógicos. A Figura 4.14 representa a PCB do módulo de aquisição e atuação desenvolvido. Figura 4.14 - PCB desenvolvida (à esquerda vista de baixo e à direita vista de cima) “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 43 No anexo F é possível observar o desenho esquemático do circuito eletrónico do módulo de aquisição e atuação desenvolvido utilizando o software CAD Eagle 7.2.0, bem como a lista de material eletrónico utilizado, uma tabela com os pinos usados do microcontrolador, agrupados de acordo com as suas funções e ainda o desenho CAD da PCB. 4.10.2 Módulo Web O módulo web tem por base um circuito eletrónico especialmente desenhado para criar um servidor web, Figura 4.15, já desenvolvido para outras experiências remotas presentes no LIM, FEUP. Figura 4.15 - Placa servidor Web Os principais componentes desta placa são: o microcontrolador “PIC18F97J60” da Microchip [22], capaz de criar um servidor web através de comunicação Ethernet usando o protocolo de comunicação TCP/IP; o conetor RJ-45 que possibilita a ligação entre o modem e a placa através de um cabo de rede; e a memória externa, na qual é guardada a página web. No Anexo E estão presentes as principais características do microcontrolador presente neste módulo Durante a fase de programação, foi utilizado o sistema de desenvolvimento PICDEM.net2 17 da Microchip, que permitiu testar e desenvolver de forma simples a interface e o servidor web de forma progressiva. Este sistema contém uma série de componentes (LED´s, botoneiras, e potenciómetros) que permitiram simular a aquisição de sinais e o comando dos atuadores durante o desenvolvimento da página web. 4.11 Conclusão Neste capítulo é apresentada a arquitetura do sistema desenvolvido com base em microcontroladores sendo descritas todas as funções, e respetivos componentes, implementadas no módulo de aquisição e atuação de acordo com os requisitos do sistema. As características de baixa dinâmica do sistema possibilitaram a implementação de um algoritmo de controlo bastante simples que possibilita controlo de nível com um erro de ± 1 milímetro. O sistema desenvolvido com base em microcontroladores revela-se uma solução económica, de baixo consumo energético e de atravancamento reduzido apresentando um desempenho adequado às características da banca de teste. 17 PICDEM.net2 - http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51623d.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 50 5.3 Funcionalidades de segurança O sistema desenvolvido apresenta algumas funcionalidades de segurança, tais como: deteção de nível de água insuficiente no tanque inferior; sobre-enchimento do tanque superior e atualização e fecho da página web. A situação de água insuficiente no tanque inferior é sinalizada pelo detetor magnético, que evita o funcionamento da bomba em vazio no estado “não deteção”. Tal indica que a experiência necessita de manutenção, uma vez que a quantidade de água no tanque inferior não é suficiente. Desta forma, quando for detetado um nível de água insuficiente no tanque inferior o sistema interrompe de imediato o seu funcionamento, desligando todos os atuadores. Posteriormente, o utilizador é informado desta ocorrência e de que a experiência irá ficar temporariamente indisponível para manutenção, Figura 5.9. Nesta fase, a interface fica com os elementos de comando completamente bloqueados até que o técnico responsável pela experiência reinicie a mesma. Em simultâneo, o microcontrolador do módulo de aquisição e atuação, ao ser notificado do problema, irá automaticamente atuar a válvula de descarga que fará com que o tanque superior seja esvaziado. Quando este estiver vazio a válvula de descarga é desligada. Figura 5.9 - Procedimento de segurança Relativamente ao sobre-enchimento do tanque superior, este pode ocorrer quando o utilizador se esquece de desligar a bomba ou perde a ligação com o sistema. De forma a prevenir este acontecimento a fim de evitar possíveis danos no tanque e/ou nos seus equipamentos, utilizou-se o detetor por vibração como detetor de segurança. Desta forma, quando o detetor por vibração assume o estado de “deteção”, o controlador automaticamente desliga a bomba e aciona a válvula de descarga, esvaziando o tanque superior, Figura 5.10. Esta funcionalidade de segurança apenas previne o sobre enchimento do tanque, pelo que a interface continua completamente funcional. Caso esta funcionalidade de segurança falhe o sistema é protegido pela segurança básica do tubo ladrão. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 51 Figura 5.10 - Situação de sobre-enchimento A ação de atualização da página web pode fazer com que esta funcione indevidamente. Normalmente, quando tal acontece, a página é reposta no seu formato original, perdendo-se todas as informações do estado e modo de funcionamento do sistema. Da mesma forma, fechar a página com o sistema ainda em funcionamento pode fazer com que os atuadores permaneçam atuados mesmo quando é desnecessário. De modo a contornar estas situações definiu-se que, quando ocorre a atualização ou o fecho da página, o sistema assume o estado de repouso, desligando todos os atuadores. 5.4 Conclusão A programação de páginas web é essencialmente composta por uma combinação de várias ferramentas de desenvolvimento, das quais se destacam o HTML e o Javascript. Utilizando estas linguagens é possível criar interfaces dinâmicas e interativas que atualizam variáveis em tempo real. A interface contempla dois modos de comando: manual e automático. Para além disto, monitoriza o estado dos diferentes transdutores e detetores de nível que compõem o sistema através de uma animação que simula o comportamento em tempo real do sistema. Permite ainda a visualização de uma imagem do sistema real capturada pela câmara IP. O sistema desenvolvido incorpora várias funcionalidades de segurança que asseguram o correto funcionamento da interface e do sistema, prevenindo danos nos componentes que compõem a banca. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 52 “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 53 Neste trabalho foi desenvolvida uma nova solução capaz de monitorizar e controlar remotamente um sistema de medição de nível de água num tanque. A solução implementada, baseada em microcontroladores e em serviços web, mostra-se fiável, compacta, económica e de baixo consumo energético. Os microcontroladores utilizados revelaram-se adequados para o desenvolvimento de experiências remotas que requerem aquisição e processamento de dados nesta fase preliminar de ensaios e para criação de um servidor web com recurso a alguma eletrónica adicional. Relativamente aos serviços web (HTML5), estes já permitem o desenho de interfaces bastante atrativas, facilmente acessíveis e compatíveis com a grande globalidade dos browsers e dos dispositivos eletrónicos. A régua graduada existente utilizada como referência no ensaio de caracterização dos transdutores de nível introduz diferentes componentes de erros nas medições, o que pode ter condicionado a característica obtida para cada transdutor. Este facto adicionado aos erros inerentes ao funcionamento dos componentes eletrónicos utilizados justificam as pequenas diferenças entre os níveis medidos pelos diferentes transdutores de nível. No entanto, os resultados obtidos foram bastante satisfatórios. Os ensaios realizados permitiram verificar que a bomba é ineficiente visto que debita baixo caudal, o que contribui para a baixa dinâmica do sistema. Além disso, a existência de cotovelos de raio curto introduz elevadas perdas de carga ao longo da tubagem e o facto do tanque superior apresentar elevada capacidade (aproximadamente 40 litros), comprometem também a dinâmica do sistema. O algoritmo de controlo implementado para teste é muito simples (controlador híbrido baseado num proporcional para o enchimento do sistema (bomba) e on/off para a descarga (válvula) o que se traduz numa vantagem, visto que o controlador não exige muito processamento de cálculo ao microcontrolador. Estes equipamentos limitam, por isso, as possibilidades de controlo o que torna a banca menos interessante neste aspeto. Ao nível do projeto eletrónico desenvolvido, os resultados foram bastante satisfatórios no que se refere à medição de nível e ao comando da bomba. Salienta-se que testes realizados ao modo automático mostram que este garante um erro de ±1 milímetro em relação ao nível de referência. A possibilidade de comando e monitorização local do sistema é uma mais-valia para o projeto visto que permite operações de teste e sua manutenção. Por outro lado, qualquer utilizador tem acesso ao sistema de comando e a monitorização remota através de uma página web permitindo os comandos automático ou manual, e monitorização em tempo real da banca de teste. 6 Conclusões e trabalhos futuros “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 54 Relativamente à segurança este sistema possibilita a proteção da bomba do funcionamento em vazio que ocorre quando é detetado baixo nível de água no tanque inferior. Tal acontecimento interrompe de imediato o funcionamento da experiência, ficando esta temporariamente indisponível parra manutenção. Outra funcionalidade de segurança ocorre quando detetor por vibração assume o estado de “deteção”. Neste caso, a bomba é desligada e a válvula de descarga atuada para prevenir o sobre enchimento do tanque superior. Por último, este trabalho contribui com uma possível experiência a disponibilizar no “online experimentation @ FEUP”, laboratório remoto da FEUP. Esta possui um potencial didático importante na área da experimentação remota, uma vez que possibilita o teste de diferentes transdutores e detetores de nível permitindo aprofundar e adquirir conhecimentos e competências na área da instrumentação para a medição, da automatização de sistemas e da avaliação da solução de comando remoto e monitorização. Ao longo deste trabalho, determinados aspetos não foram considerados e poderão vir a ser alvo de possíveis investigações futuras. Assim, de seguida apresentam-se algumas das limitações do estudo efetuado e indicam-se perspetivas para melhoria da solução desenvolvida e/ou desempenho futuro do sistema. As sugestões que se seguem surgiram no âmbito de melhorar a baixa dinâmica do sistema possibilitando a implementação de algoritmos de controlo mais interessantes:  Construção ou aquisição de um novo tanque de dimensões reduzidas em relação ao atual;  Uma bomba mais adequada a este sistema no sentido de melhorar a dinâmica;  Avaliação cuidada do sistema hidráulico atual de forma a minimizar as perdas de carga ao longo da tubagem;  Utilização de uma válvula proporcional para a descarga do tanque superior com o intuito de permitir o controlo do caudal na descarga. Seguem-se agora algumas sugestões no âmbito de melhorar o projeto eletrónico e a interface:  Teste de outros microcontroladores para o sistema. Nomeadamente, avaliar se um conversor analógico-digital de 12 bit melhoraria de forma significativa a aquisição de sinal analógico;  Caracterizar os transdutores de nível usando como referência um instrumento de medição de melhor qualidade do que a régua graduada utilizada no ensaio e verificar a validade da curva característica;  Desenvolvimento de novas funcionalidades para a interface, nomeadamente a possibilidade de apresentar gráficos em tempo real com a evolução dos valores medidos por cada transdutor;  Permitir armazenar os dados de cada sessão experimental de forma a serem usados por outros sotfware de tratamento de dados como o “Microsoft Excel”. Espera-se que este trabalho motive futuros desenvolvimentos nesta área. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 55 [1] V. Pereira, "Desenvolvimento de um sistema experimental de medição e controlo de nível," Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto2005. [2] M. T. 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Kurson, "Development and application of remote laboratory for embedded systems design," in Remote Engineering 7 Referências e Bibliografia “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 56 and Virtual Instrumentation (REV), 2015 12th International Conference on, 2015, pp. 69-73. [15] J. Garcia-Zubia, P. Orduna, D. Lopez-de-Ipina, and G. R. Alves, "Addressing Software Impact in the Design of Remote Laboratories," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 56, pp. 4757-4767, 2009. [16] M. A. Prada, J. J. Fuertes, S. Alonso, S. García, and M. Domínguez, "Challenges and solutions in remote laboratories. Application to a remote laboratory of an electropneumatic classification cell," Computers & Education, vol. 85, pp. 180-190, 7// 2015. [17] Vocabolário Internacional de Metrologia. Portugal: Instituto Português da Qualidade, 2008. [18] K. Hambrice and H. Hopper. (2004, 2 Abril de 2015). A Dozen Ways to Measure Fluid Level and How They Work. 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[22] Microchip, "PIC18F97J60 Family," 2011. “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 57 ANEXO A: Esquema da banca de teste “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 58 “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 59 ANEXO B: Esquema do armário eletrónico Esquema do armário eletrónico “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 66 Principais características do transdutor magnetoestrictivo Parâmetro Valor Unidades Observações Gama de medição Até 300 mm Alimentação 15 ou 24 V Fio castanho (Vss) Fios branco e amarelo (GND) Sinal de saída 4 a 20 mA Fio verde Erro (linearidade) 0,05% FS Repetibilidade 0,002% FS Histerese 0,0254 mm Temperatura operacional 0 a 70 °C http://www.go-gddq.com/down/2011-10/11101319571745.pdf Principais características do detetor por elétrodos condutores Parâmetro Valor Unidades Observações Alimentação 10 a 55 V Fio castanho (VSS) Fio branco (GND) Sinal de saída 0 ou Vss V Fio verde Temperatura de operação -40 a 100 °C Pressão de funcionamento -100 a 600 kPa Atraso de comutação 0,5 a 20 s http://www.vega-americas.com/downloads/BA/32650-EN.PDF “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 67 Principais características do detetor por vibração Parâmetro Valor Unidades Observações Alimentação 18 a 30 V Fio castanho (VSS) Fio branco (GND) Saída de sinal 0 ou Vss V Fio verde Pressão de funcionamento ≤ 40 bar Densidade do fluído ≥ 0,6 g/cm3 Viscosidade do fluído ≤ 10 000 mPa.s Atraso de comutação 0,5 s http://files.pepperl-fuchs.com/selector_files/navi/productInfo/edb/tmdoc0632__eng.pdf Principais características do transdutor de caudal Parâmetros Valor Unidades Observações Gama 1,5 a 30 l/min Alimentação LED até 60 mA Fio verde (V+) Fio rosa (GND) Alimentação fototransistor 4,5 a 16 V Fio cinzento (Vcc) Fio castanho (GND) Saída 0,2 a Vcc V Fio amarelo Tempo de resposta Subida: 60 Descida: 6 ns Temperatura de funcionamento -40 a 70 °C http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/001b/0900766b8001bb47.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 68 Principais característica da válvula de descarga Parâmetro Valor Unidades Observações Alimentação 230 Vac Fio preto (Vss) Fio vermelho (GND) Gama de pressão 0 a 16 bar Tempo de resposta Abertura: 100 a 250 Fecho: 700 a 2000 ms Caudal 5 m3/h http://spcontrol.ru/files/burkert/290.pdf Principais características da bomba de circulação de água Parâmetro Valor Unidades Observações Caudal nominal 28,33 (H=0m) 20.41 (H=1m) 14,83 (H=2m) l/min À potência máxima Alimentação 12 Vcd Fio vermelho (V+) Fio preto (V-) Imax 2 A http://www.depcopump.com/datasheets/jabsco/30220-Series,%2030222- Series,%2030230-Series%202003.PDF “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 69 ANEXO D: Principais características dos microcontroladores presentes na solução Principais características do microcontrolador PIC18F4431 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39616d.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 70 Principais características do microcontrolador PIC18F97J60 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39762f.pdf “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 71 ANEXO E: Projeto do módulo de aquisição e atuação Desenho esquemático do módulo de aquisição e atuação “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 72 Lista de componentes eletrónicos Componente Quantidade Fabricante PIC18F4431 1 Microchip REF02 1 Texas Instruments UA7805 1 Texas Instruments TIP 122 1 Farchild 2N3904 1 ST VO2631 2 Vishay LCD Display 162a 1 Displaytech Shwict 2 Omron RTRIM3296W 1 Digi-Key LED 2 -- Cristal externo 20 MHz 1 -- Header (4) 1 -- Header (14) 1 -- Conector (4) 2 -- Conector (3) 2 -- Conector (2) 1 -- Conector (1) 1 -- Resistências de 240 Ω 2 -- Resistências de 390 Ω 1 -- Resistências de 1 kΩ 1 -- Resistências de 3,9 kΩ 8 -- Resistências de 5,6 kΩ 2 -- Resistências de 10 kΩ 3 -- Resistências de 27 kΩ 1 -- Condensadores cerâmicos 15 pF 2 -- Condensadores cerâmicos 0,1 uF 1 -- Condensadores cerâmicos 0,33 uF 1 -- Condensadores cerâmicos 1 uF 2 -- Condensadores eletrolíticos 10 uF 1 -- “Banca de teste de transdutores de nível e de soluções de monitorização remota” 73 Lista de pinos utilizados do microcontrolador do módulo de aquisição e atuação Nº Entradas analógicas Nº Entradas digitais Nº Saídas Digitais Nº LCD Nº Outros 2 T. Magnetostritivo 6 T. de caudal 26 SDO 35 RS 1 Masterclear 3 T. por Ultrassons 16 D. Elétrodos con. 29 LED 36 E 5 VREF+ 4 T. Pressão dif. 17 D. por Vibração 30 Válvula 37 D4 11 AVDD 9 Potenciómetro 18 D. magnético 34 PWM 38 D5 12 AVSS - - 19 Válvula_Btn - - 39 D6 13 OSC1 - - 20 Bomba _Btn - - 40 D7 14 OSC2 - - 23 SDI - - - - 31 VSS - - 24 SCK - - - - 32 VDD Projeto CAD do módulo de aquisição e atuação