JOÃO ROBERTO BRUNETTO LUIZ RICARDO RIBEIRO BARBOSARELATÓRIO 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 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................III LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... IV RESUMO......................................................................................................................... V 1. 2. INTRODUÇÃO ..........................................................................................................1 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 2.3.5 2.3.6 2.4 3. 4. Modelo Lógico de Dados..............................................................................39 Diagrama de Transição de Estados (DTE):..................................................41 Especificação dos Processos: ......................................................................43 Procedimentos de Integração dos Módulos ...................................................48 TESTES E RESULTADOS .....................................................................................51 CONCLUSÃO .........................................................................................................54 i 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................55 ii ... Diagrama de Transição de Estados do Software...............36 Figura 21................. DFD individual do evento número 8.. DFD detalhado do evento número 1..............33 Figura 15............................................................. Diagrama de Contexto do Software............ Diagrama de Pinos do PIC 16F876..............................50 iii ........................16 Figura 8...................34 Figura 17.... ................................. Diagrama Eletrônico Completo do Módulo de Hardware..............................9 Figura 5. DFD individual do evento número 1.. Gráfico referente a amostra 2........38 Figura 23..... Digrama eletrônico do CI INA129 (amplificador de instrumentação).......... Diagrama de Pinos de MAX232.............. ...........................30 Figura 14...........34 Figura 16....20 Figura 10.. .26 Figura 12..................................36 Figura 20.... .......37 Figura 22..............................11 Figura 6............... Diagrama de Pinos do Multiplexador CD4052BC..................................... DFD individual do evento número 4................................................. DFD individual do evento número 5.............35 Figura 19............... Circuito de seleção ou acionamento de atuadores.....27 Figura 13....................................40 Figura 25............. ........... ...................................................................... ..................................................... DFD detalhado do evento número 8.... ... ........ Fluxograma do programa do microcontrolador PIC 16F876.....................................................................LISTA DE FIGURAS Figura 1......... Digrama eletrônico do circuito de condicionamento de sinal.............. Termopar de junção simples........................................17 Figura 9................... ...4 Figura 2.......... ................................. Diagrama de Módulos Funcionais do sistema......................35 Figura 18.7 Figura 4....................... .......24 Figura 11.. DFD individual do evento número 3........................................39 Figura 24............................. DFD individual do evento número 2................................... . .................... ................ Diagrama eletrônico dos módulos integrados..................................43 Figura 26................. Diagrama de Entidade e Relacionamento do Software...................... .......... ...................................................................... ............5 Figura 3.......... DFD individual do evento número 7......................... DFD individual do evento número 6..... ........ Gráfico referente a amostra 1................................. ................11 Figura 7....... ... ..................... .. .......................10 Tabela 5..... ................................ Lista de Eventos do Software. Termopares e respectivas faixas de temperatura de operação........................8 Tabela 4......6 Tabela 3..... Tipos de termopares e respectivos metais... Valores para Seleção de Atuadores................................ . Amostras de Temperatura (ºC) X Tensão (Volts)........................................................................ Tabela de valores do resistor Rg e ganhos correspondentes............ Valores de seleção de sensores......... Tabela de Transição de Estados..23 Tabela 7............................31 Tabela 8... ...........................................LISTA DE TABELAS Tabela 1....................................................41 iv ...........16 Tabela 6.................6 Tabela 2......................... foi implementado um módulo denominado módulo da caldeira. alguns equipamentos e componentes não ideais. Para realização desta tarefa foram utilizadas algumas ferramentas e tecnologias disponíveis no mercado. ou outros componentes industriais é um processo freqüentemente observado nas mais variadas linhas de produção. de importante aplicação para obtenção de maior qualidade. responsável pela realização do controle da temperatura. Tal processo demanda muitos custos operacionais. o que torna o sistema uma ferramenta flexível. v . Para que se desse a realização deste projeto. A possibilidade de monitoração em tempo real do controle de temperatura diminui os riscos de operação quando comparados ao processo manual. velocidade de produção e lucratividade. baseado em microcontrolador. desenvolvido em linguagem orientada a objetos. composto por um protótipo em miniatura de caldeira industrial. a automação de processos vem se mostrando. O resultado obtido foi um sistema capaz de medir altas temperaturas.Resumo Nos sistemas de produção do setor industrial. além de oferecer riscos devido a erros de operação. circuitos de condicionamento de sinais baseados em amplificadores operacionais e atuadores de temperatura. principalmente para empresas de grande demanda. sensores de temperatura. Os parâmetros do processo são determinados pelo usuário. O sistema opera através de um módulo de hardware. caldeiras. O controle da temperatura seja de fornalhas. mas limitado por condições físicas 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. A interface com o usuário ou operador é realizada através de um módulo de software supervisório. ou seja. Falhas em equipamentos. quando mal controlada a temperatura. processos monitorados e automatizados se fazem tão importantes para indústrias de alta produtividade. erros de operação e desperdício de recursos é um fator comum e que. podem ocasionar grandes acidentes devido ao super aquecimento. em cervejarias e fábricas de papel e celulose. deve ter sua temperatura constantemente monitorada e seu controle deve ser preciso. quando em operação.1. Existem inúmeras formas de realizar tal tarefa e vários níveis de automação. Introdução No atual contexto do setor industrial são poucos os processos industriais que não apresentam alguma forma de automação ou monitoração de operação. Em processos industriais no qual a temperatura é uma variável envolvida na produção. em muitos casos. São inúmeras as linhas de produção nas quais se utilizam caldeiras industriais como forma de obtenção de calor e geração de vapor. por exemplo. 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. muito utilizadas em processos industriais. Um exemplo de modificação que se encaixa neste perfil é a automação da monitoração e controle de caldeiras industriais. pode diminuir a competitividade de uma empresa no mercado. A forte concorrência do mercado faz surgir a necessidade de uma linha de produção veloz. ocasiona perdas na velocidade e qualidade da produção [4]. Tais caldeiras são utilizadas. Neste projeto foi desenvolvido um sistema capaz de monitorar e controlar a temperatura em caldeiras industriais. Ainda. capaz de obter resultados ótimos sem desperdício de recursos. Esta ferramenta. Por este motivo. como caldeiras industriais. Tal sistema constitui uma opção de automatização 1 . Finalmente. Este documento está dividido em várias seções para o melhor entendimento e organização. Os parâmetros do processo são fornecidos pelo operador ou usuário do sistema através do software supervisório. tais como. são utilizadas diversas ferramentas para projeto. A primeira seção compõe esta breve introdução. apontando as principais dificuldades encontradas e indicando possíveis melhorias para projetos futuros e as referências bibliográficas utilizadas na elaboração do projeto. através do qual são fornecidas informações sobre o processo em tempo real. O sistema de controle de temperatura de caldeiras. Para isto. apresenta todos os resultados obtidos após a implementação do sistema. realiza o controle ON/OFF da temperatura. que objetiva posicionar o projeto num determinado contexto e identificar os assuntos relacionados ao mesmo que serão discutidos neste documento. através da realização de testes sobre suas funcionalidades básicas ou fundamentais. 2 . uma breve conclusão indicando se o trabalho atingiu os objetivos propostos. diagramas. Cada seção tem como função esclarecer algum ponto de relevante importância para o projeto. Na Seção 2. fluxogramas e técnicas de Engenharia de Software. Testes e Resultados. baseado na tecnologia de microcontroladores e monitoração por software supervisório. A seção 3. alterando o valor desta variável através de atuadores. são descritos todos os detalhes do desenvolvimento do sistema proposto.para o processo. na qual sua implantação não requer grande complexidade e não acarreta impacto no ambiente de produção. as seções 4 e 5 apresentam respectivamente. Detalhamento do Projeto. Tem como componente principal o microcontrolador PIC 16F876. • Módulo de Hardware ou Controle: Responsável pelo controle da temperatura da caldeira. são enviadas mensagens ao usuário. Todos estes módulos foram implementados e testados separadamente e posteriormente integrados permitindo que o sistema fosse testado de maneira completa. se encontram os sensores de temperatura. • Módulo de Software: O software do sistema será o responsável por realizar a interface deste com o usuário. juntamente com o circuito de condicionamento dos sinais dos sensores. responsáveis pela emissão de sinais elétricos equivalentes a temperatura da caldeira. 3 . informando o estado dos atuadores. responsáveis por agir diretamente na temperatura da caldeira.2. Com o auxílio desses sinais. o módulo de hardware receberá os sinais provenientes dos sensores. Detalhamento do Projeto Para o detalhamento do projeto. acoplados a caldeira. o sistema de controle de temperatura de caldeiras é separado em módulos funcionais. Além da plotagem de gráfico de medidas de temperatura. Ainda. este módulo determinará o estado dos atuadores do sistema. 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. A Figura 1 fornece uma visão geral da configuração do sistema e seus módulos funcionais e a maneira pela qual tais módulos são interligados. baseado em amplificadores de instrumentação. permitindo o acompanhamento do processo em tempo real. onde se encontra o objeto de controle ou protótipo de caldeira. são realizadas as medições da temperatura.1 Módulo da Caldeira: Neste módulo.MUX Sinal dos Sensores Ciondicionados Conversor A/D Caldeira Termopares MICROCONTROLADOR Condicionamento dos Sinais dos Sensores Interface Serial Comando aos Atuadores Atuadores Conversor de nível de tensão (RS232) Módulo da Caldeira Módulo de Hardware Parâmetros do Processo Microcomputador (Software Supervisório) Valores de Temperatura Medidos Módulo de Software Figura 1. Diagrama de Módulos Funcionais do sistema. Os sinais elétricos obtidos pelos sensores são amplificados 4 . através dos sensores de temperatura acoplados à caldeira. 2. 1. Este tipo de termopar é capaz de medir temperaturas entre –185 ºC e 400 ºC. Neste sistema é utilizado o termopar do tipo T. ou até mesmo CIs (circuitos integrados) específicos. O contato térmico chamado de junção pode ser feito por feito pela fusão ou solda de dois materiais diferentes.permitindo sua utilização no processo de controle. como o tempo de resposta e intervalo de temperatura de operação. fez-se necessária à utilização de transdutores de temperatura. foi escolhido o sensor de temperatura do tipo termopar. A Figura 2 mostra um termopar de uma simples junção. Um termopar é um simples sensor de temperatura que consiste de dois materiais diferentes em contato térmico. 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. Tendo em vista estes fatores. 2. 5 . Medidas de temperatura podem ser feitas utilizando-se diodos. sensores específicos. Figura 2.1 Sensores de Temperatura (Termopares): Para medir a temperatura da caldeira. transistores. A escolha do transdutor mais adequado deve obedecer a algumas diretrizes. Através de atuadores de aquecimento e refrigeração são executados os comandos resultantes do controle ON/OFF realizado pelo microcontrolador. no qual os materiais presentes são Cobre e Constantan. Termopar de junção simples. Termopares e respectivas faixas de temperatura de operação. Tabela 2. 6 .Na Tabela 1 encontram-se alguns tipos de termopares e seus respectivos metais. Tabela 1. A Tabela 2 apresenta a faixa de temperatura de operação de alguns termopares e a tensão de saída. Tipos de termopares e respectivos metais. Ainda. na ordem dos microVolts (10E6). o que resulta em um único amplificador de instrumentação. A melhor forma encontrada para amplificar os sinais dos sensores foi a utilização do amplificador de instrumentação INA129 da Texas Instruments. foi necessária amplificação destes sinais.2. A Figura 3 ilustra o Diagrama Eletrônico do INA129. o que torna difícil sua leitura e. Os acessórios condicionadores de sinal amplificam sinais de baixa amplitude para possibilitar uma medição precisa. Nota-se a configuração dos amplificadores internos. Tal amplificador pode fornecer ganhos de até 10000 vezes aumentando consideravelmente a amplitude do sinal. 7 .1. Digrama eletrônico do CI INA129 (amplificador de instrumentação). por conseqüência.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. Figura 3. da forma que são gerados os sinais provenientes dos sensores não seriam lidos corretamente pelo microcontrolador. Jacob Millman [1]. Os sinais elétricos gerados pelos sensores foram otimizados para a escala de entrada do microcontrolador. a análise de características. Como os sinais gerados são muito pequenos. FONTE: INA128/INA129 Instrumentation Amplifiers Datasheet.O ganho do circuito é determinado pelo resistor Rg entre os pinos 1 e 8. Tabela de valores do resistor Rg e ganhos correspondentes. Pode-se verificar para o termopar foi utilizado um cabeçote onde 8 . 49. utilizando-se desta forma uma resistência elétrica aproximadamente igual ao valor indicado na Tabela 3. o ganho escolhido na amplificação do sinal dos sensores foi de 1000 vezes. Texas Instruments. Comercialmente o mais próximo é o resistor de 47 Ohms. Tabela 3. Os valores de resistência elétrica e ganho correspondentes estão relacionados na Tabela 3.9 Ohms. No projeto. O diagrama eletrônico final do circuito de condicionamento de sinais está ilustrado na Figura 4. 2.3 Comportamento dos Sensores Termopares: Após a amplificação dos sinais. Algumas amostras foram obtidas em laboratório. A 9 . o que permitiu o ajuste de uma reta. Cobre (+) e Constantan (-).1. a linearidade das respostas (temperatura X tensão de saída).foram fixados os dois metais. Figura 4. pode-se analisar o comportamento dos termopares. Digrama eletrônico do circuito de condicionamento de sinal. a uma placa de metal responsável por fornecer a temperatura de referência da junção fria. ou seja. 0849 0.847 0.496 1.3 88.196 1.5 94. Utilizando-se estas amostras. Amostras de Temperatura (ºC) X Tensão (Volts).1 27 30.529 1.448 0.3 92.996 1.6 0.9 38.3 73.282 1.1 33.3 66.582 0.025 1.501 0.2024 0.6 78.2 50.1 37.3 80.9 75. Tabela 4.5 22.166 0.686 0.3722 0.2 58. Figura 5 e Figura 6.3114 0.9 45.3 75.1 34.8 48.4 27.3 97.0855 0.7 54.5 43.601 0.6 0.3 25.704 1.2 47.783 0.2216 0.3 97.4 64.398 0.765 1.431 1.053 1.4 84.5 51.605 1.5 57.941 0.2 31.623 0.4 29.1 53 55.231 1.534 0.9 78.821 10 .115 1.3 97. foram gerados os gráficos correspondentes.1248 0.6 90.0906 0.5 83.7 69 72.4 66.649 1.428 1.044 1.96 1.832 0.9 24.38 1.8 96.5 22.1 60.707 0.9 62.3 25. Amostra 1 Amostra 2 Temperatura (ºC) Tensão (Volts) Temperatura (ºC) Tensão (Volts) 19.2 36.715 1.75 20.532 1.112 1.Tabela 4 consiste em duas diferentes amostras adquiridas em laboratório.8 41.43 1.112 1.14 1.6 81.737 1.47 1.769 0.728 0.5 63.913 0.2914 0.379 1.315 1.3 75.5 23.871 0.6 70. 6 0. Gráfico referente à amostra 2.4 0.2 0 0 20 40 60 Temperatura (ºC) 80 100 120 Tensão (Volts) Figura 5.4 1.8 0.2 0 0 20 40 60 Temperatura (ºC) 80 100 120 Tensão (Volts) Figura 6.6 1.2 1 0.8 1.6 0.8 0. 11 . Temperatura X Tensão 2 1.4 1.6 1.4 0.Temperatura X Tensão 2 1.2 1 0.8 1. Gráfico referente à amostra 1. Tal fato tornou difícil a canalização do vapor. já que vapor muitas vezes não se distribui uniformemente.5 ∑Y = 55. Ou seja. foi ajustada uma reta baseada nas amostras retiradas dos sensores. Com o intuito de obter-se uma função de transferência para o sensor termopar. a tensão de saída do amplificador de instrumentação variando de maneira proporcional à temperatura.Verificou-se uma resposta próxima da linear. fatores como correntes de ar e variações de temperatura ambiente tornaram as amostras imperfeitas. consiste num protótipo em miniatura. Apenas em alguns pontos pôde-se verificar a não linearidade. Como dito anteriormente.1168 ∑X² = 212819. a caldeira. Para tal foram utilizados 57 valores ou amostras e a técnica de regressão linear descrita a seguir: Considerou-se N = 57. o objeto gerador de calor. onde N = número de amostras Y = Tensão (Volts) X = Temperatura (ºC) Calculou-se. evidenciando. grandes variações de temperaturas medidas. então. ou seja. os somatórios necessários ∑X = 3251.82 ∑XY = 3845. Outro fator causador de imperfeições nas medidas adquiridas em laboratório é a falta de um recurso ideal de canalização do vapor gerado pela caldeira.83254 12 . aproveitando o fato que este apresentou uma resposta quase que linear. em determinados momentos. já que o sensor termopar em geral apresenta alta sensibilidade. Tal fato se deve a condições não ideais de medição. 4971371443 + 0.1168 = a.4971371443) / 0.0256661901353 (1) (2) 13 .X O sistema utiliza os somatórios calculados no passo anterior: ∑Y = aN + b∑X ∑XY = a∑X + b∑X² ou seja.82 a = -0. Esta equação apresenta-se no seguinte fomato: Y = a + b.3251.5 + 212819.3251.0256661901353 .4971371443 b = 0. 55.0256661901353 Desta forma. obteve-se as equações Y = -0.A técnica de regressão linear descreve um sistema com a função de calcular os coeficientes da equação de uma reta.57 + b. X e X = (Y + 0.83254 = a.5 3845. 1. fizeram-se necessários dois elementos capazes de alterar esta variável do sistema: um realizando o aquecimento. os atuadores do sistema poderão demonstrar o funcionamento do mesmo e provar sua eficiência. Para uma caldeira industrial existem várias opções de atuadores. tornando o software supervisório unicamente uma ferramenta de interface com o usuário. O controle sobre processos de aquecimento e refrigeração em escala real demandaria adaptações sobre instalações de caldeiras industrias já existentes e maiores incentivos monetários.2 Módulo de Hardware ou Controlador: O Sistema de Controle de Temperatura de Caldeiras. Para o aquecimento da caldeira é utilizado um aquecedor resistivo. No caso de aquecimento. mergulhado a água no interior da caldeira resulta em seu aquecimento. Já para a refrigeração o método mais comum é a circulação de água. Esta é utilizada apenas em casos de emergência. Foi utilizado um cooler de alimentação de 12 Volts DC. Tal aquecedor é alimentado com 110 Volts AC. gerando vapor. Já o atuador de refrigeração consiste em uma ventilação forçada. Tal aquecedor. o mesmo pode ser realizado por queima de combustível e energia elétrica (resistência elétrica). atuadores em pequena escala.4 Atuadores: Para possibilitar o controle da temperatura da caldeira. O microcontrolador PIC 16F876 é o encarregado de realizar o controle em tempo real da temperatura. Contudo. Os atuadores serão os responsáveis por realizar tal tarefa. No projeto serão utilizados. 14 . e outro a refrigeração. para efeito de simulação. por ser um sistema de controle em tempo real.2. 2. mesmo em escala reduzida. necessita de um controlador capaz de desempenhar esta função. Esta medida deixa o controle independente do PC e reduz significativamente os riscos de falhas. 1. tem por objetivo detectar falhas no funcionamento do componente. • Circuito de Seleção de Atuadores: responsável por interpretar os sinais de comando aos atuadores provenientes do microcontrolador. tal módulo pode ser subdividido em quatro circuitos principais.2. visto na Figura 7. • 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. a aquisição do valor emitido por cada sensor de temperatura. O multiplexador utilizado no projeto é o CD4052BC da Fairchild Semiconductors.2. 2. Este componente é um multiplexador/demultiplexador analógico dual de 4 canais ( 4/1 ) 15 . para permitir a aquisição de mais de um sinal por parte do microcontrolador. depende de outros elementos também presentes no módulo de hardware. Tal componente permite que o microcontrolador realize. para o correto desempenho de suas funções. • Microcontrolador PIC16F876: pode ser considerado o “cérebro” do sistema. é utilizado um multiplexador analógico. • Dispositivo de Segurança ou Detecção de Falhas (Watchdog WTD): recurso do Microcontrolador. em seqüência e num determinado intervalo de tempo.O controlador do sistema.1 Multiplexação Analógica Como dito na Seção 2. serão multiplexados de forma a permitir sua transferência ao microcontrolador por um único canal. pois é onde todas as informações são analisadas e onde são realizadas as tomadas de decisões necessárias. Desta maneira. já amplificados. descritos a seguir: • Multiplexação analógica: neste circuito os sinais analógicos do sensor. Todos os sinais provenientes dos sensores são aplicados no multiplexador. Tabela 5. Valores de seleção de sensores. referentes a quatro sensores de temperatura. como em [7] CD4052BC Dual 4-Channel Analog Multiplexer/Demultiplexer Datasheet. Bit 1 0 0 1 1 Bit 0 0 1 0 1 Sensor Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 16 . Figura 7. Diagrama de Pinos do Multiplexador CD4052BC. de acordo com a Tabela 5. O microcontrolador realiza a seleção do sinal desejado através dos 2 bits de seleção presentes no multiplexador.com duas entradas de seleção digital (A e B). Através deste componente torna-se possível a realização da aquisição de quatro diferentes sinais. utilizando apenas um canal de conversão A/D (Analog – To – Digital Converter) do Microcontrolador. o microcontrolador trabalha com os sinais analógicos provenientes dos sensores acoplados à caldeira. Como visto na Tabela 5. A estes bits são atribuídos valores definidos pelo microcontrolador. Esta 17 . presentes no multiplexador. Na Figura 8. de modo a obedecer a uma seqüência de aquisição dos sinais. Diagrama de Pinos do PIC 16F876.2. Para a realização do controle da temperatura da caldeira. pode ser visto o diagrama de pinos do microcontrolador da Microchip. o microcontrolador é a peça chave do sistema.2. Seguindo uma seqüência. Figura 8. Tais sinais serão obtidos pelo PIC 16F876 através do Multiplexador Analógico. os sinais dos sensores são adquiridos uma a um através deste canal. responsável pelo controle da temperatura. Para possibilitar os cálculos necessários.2 Microcontrolador PIC16F876: Como dito no início desta seção. o qual possibilita a aquisição de mais de um sinal por um único canal. os sinais adquiridos são convertidos da forma analógica para a forma digital. para cada sensor existe um valor para os Bits de seleção de sensor. através dos pinos Rb0 e Rb1. outro recurso disponível no microcontrolador da Microchip. bem como do valor correspondente ao estado dos atuadores. é necessária a utilização do módulo MSSP (Master Synchronous Serial Port ou Porta Serial Síncrona Master). o PIC 16F876 realiza os cálculos necessários obedecendo aos sinais de entrada (sinais dos sensores e parâmetros fornecidos pelo usuário). além das funções descritas. O microcontrolador PIC 16F876. pelo módulo MSSP do microcontrolador. resultantes do processo de controle. Os sinais de saída do controlador são os comando aos atuadores (refrigeração e aquecimento). Deve-se ressaltar que o os sinais adquiridos são armazenados. permitindo ao microcontrolador a realização do controle baseado nestas informações.1. Para os cálculos de controle estes sinais devem ser convertidos para o valor correspondente na escala Celsius de temperatura. 18 .tarefa é realizada no microcontrolador pelo Módulo de Conversão Analógico-Digital (A/D). como a recepção dos parâmetros do processo. O sinal digital é emitido serialmente pelo módulo de software. como visto no datasheet [5]. é responsável pela emissão serial dos valores de temperatura em cada um dos sensores. Ambos os parâmetros são fornecidos pelo usuário por intermédio do software supervisório. Esta conversão é feita utilizando-se a equação (2) obtida através da análise de comportamento do sensor termopar (Seção 2.3). Outros parâmetros fornecidos ao microcontrolador são a temperatura requisitada e a temperatura de emergência. O sinal equivalente a maior das quatro temperaturas medidas é utilizado como parâmetro de controle. visto por Michael Predko [8]. o sistema regula a temperatura da caldeira para que permaneça igual ou próxima à requisitada pelo usuário. um dos recursos disponíveis no PIC 16F876. de modo a garantir a segurança. Ou seja. Como todo controlador. Para a recepção deste sinal. Tal transmissão é realizada. Na Figura 9 pode-se observar o fluxograma do microcontrolador e sua interação com os demais componentes do Módulo de Hardware. ou seja. Após as inicializações e configurações necessárias. fazendo-se necessária à utilização do MSSP (Módulo de Interface com a Porta Serial). O primeiro. Devem ser determinadas. especificados pelo usuário por intermédio do software supervisório. Através do fluxograma pôde-se descrever o programa responsável por realizar as funções atribuídas ao microcontrolador. devem ser armazenados. Estas configurações são realizadas através dos registradores correspondentes a cada módulo. os pinos de input e output. é responsável pela inicialização das variáveis e demais configurações necessárias para o funcionamento do Microcontrolador. quais serão as entradas e saídas do componente. e o bloco de controle. São eles: módulo conversor analógico-digital (A/D Converter). módulo de interface com a porta serial (MSSP) e Timers. através da atribuição de valores aos registradores TRISA. Ainda neste bloco. Os valores especificados pelo usuário serão transmitidos pelo módulo de software de forma serial. como foi nomeado. os valores da Temperatura Requisitada (Tr) e da Temperatura de Emergência (Te). 19 . TRISB e TRISC do PIC 16F876. destacados na Figura 9: o bloco de inicialização do programa. O programa constitui-se de dois blocos principais. devem-se configurar os módulos funcionais do microcontrolador que serão utilizados. INÍCIO Recebidos Parâmetros do Processo Sim Configura Registradores (Timers.De) Não Figura 9. Fluxograma do programa do microcontrolador PIC 16F876. 20 . MSSP) Sim Armazena Temperatura de Emergência (Te) Não FIM (RESET) RESET Não Inicializa Variáveis com Valores Padrão Armazena Temperatura Requisitada (Tr) Configura Inputs e Outputs (Pinos de Entradas e Saídas) Calcula Desvios de Temperatura(Dr e De) para Tr e Te X =1 Multiplexador Conversor de Nível (Porta Serial RS232) Temperatura Medida (T[X]) Temperatura de Emergência (Te) Temperatura Requisitada (Tr) Módulo MSSP (Interface com Porta Serial) X=X+1 Emite Valor de Seleção para Sensor X Armazena Temperatura Medida em T[X] Emite Valor de T[X] E Estado de Atuadores (Sa) Não X=4 Sim Valor para Seleção do Sensor X Módulo de Conversão Analógico-Digital Temperatura Medida pelo Sensor X Circuito Seletor de Atuador Valor de Seleção de Atuador (Sa) Calcula Maior Temperatura (Tm) Sim Sim Sa =1 Tm > Te Não Sa = 2 Não Tm < Tr Emite Valor de Seleção de Atuador (Sa) Sa = 0 Sim Tm > (Tr + Dr) E Tm < (Te . A/d Converter. São eles o multiplexador. obtendo como resposta a Temperatura Medida T[X] correspondente ao sensor X. O multiplexador. Através dos valores de desvio cria-se uma “janela” ou faixa de temperatura na qual o estado dos atuadores não pode ser alterado. o circuito de seleção dos atuadores.A partir das temperaturas requisitada e de emergência são calculados os desvios Dr e De. 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). Para melhor visualização destas trocas de informações. os módulos de conversão analógico-digital e de interface com a porta serial. devido a oscilações de temperatura. quando X = 2 os pinos de seleção do multiplexador recebem do microcontrolador o valor 2 ou ‘10’ na forma binária. Contudo. Sua representação externa deve-se a melhor organização do fluxograma. Por exemplo. Sua primeira tarefa é realizar a aquisição das temperaturas medidas pelos quatro sensores do sistema. e o conversor de nível de tensão para porta serial. respectivamente. emite ao microcontrolador um sinal analógico correspondente a Temperatura Medida no sensor 2. Tais desvios são utilizados para impedir que os atuadores sejam acionados e desativados repetitivamente. O bloco de controle. estão ilustrados neste fluxograma os componentes e circuitos externos que interagem com o microcontrolador. como ilustrado no fluxograma da Figura 9. Todos os valores recebidos e emitidos pelo microcontrolador através de seus inputs e outputs são representados no fluxograma por setas tracejadas. é responsável pelo controle da temperatura. apesar de representados fora da área destacada em vermelho. 21 . como nomeado. 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. então. não são elementos externos e sim recursos internos do microcontrolador. são desativados nas seguintes situações: • Atuador de Refrigeração: o Maior Temperatura (Tm) inferior a Temperatura de Emergência (Te) subtraída do desvio De. Através destes o microcontrolador pode acionar ou 22 . Não há propósito em realizar o aquecimento e a refrigeração simultânea. completando o ciclo de controle (sinais de entrada -> controlador -> sinais de saída). mas apenas a Tm é utilizada nos testes de controle. representa dois bits ou pinos do microcontrolador. T[2] (sensor 2). em nenhum momento do processo ambos os atuadores serão acionados. • Atuador de Aquecimento: o Maior Temperatura (Tm) inferior a Temperatura Requisitada (Tr). T[3] (sensor 3) e Tm[4] (sensor 4). O estado dos atuadores indicado por Sa. Os testes de controle são responsáveis por gerar uma resposta aos atuadores do sistema de acordo com as medidas adquiridas da caldeira. RC1 e RC0. depois de acionados. • Atuador de Aquecimento: o Maior Temperatura (Tm) superior a Temperatura Requisitada somada do desvio Dr. Ambos atuadores.Após a aquisição das medidas T[1] (sensor 1). A ação de um dos atuadores será necessária nas seguintes situações: • Atuador de Refrigeração: o Maior Temperatura (Tm) ultrapassa a Temperatura de Emergência (Te). Todas as medidas são transmitidas ao módulo de software. estas são utilizadas para o cálculo da maior temperatura Tm . Obviamente. Para informação do estado do controlador. já que o controle da temperatura da caldeira não estará sendo realizado pelo microcontrolador. A Tabela 6 relaciona os valores dos pinos RC0 e RC1 e o respectivo estado dos atuadores. Este oscilador RC é separado do oscilador RC do pino OSC1/CLKIN. responsável por desativar o funcionamento do microcontrolador. Tabela 6. Valores para Seleção de Atuadores. Sa Decimal 0 1 2 0 0 1 Binário 0 1 0 Atuadores Aquecimento Inativo Inativo Ativo Refrigeração Inativo Ativo Inativo O módulo de Hardware deverá apresentar uma chave externa de acesso ao operador. 23 .desativar um atuador. representa que o controlador encontra-se no estado de espera. RESET. ao ser acionada causará o desligamento dos atuadores do sistema.3 Dispositivo de Segurança ou Detecção de Falhas (Watchdog Timer WTD): Apesar de ser um recurso do microcontrolador. 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. Tal chave. o módulo de hardware possui um LED externo.2. Caso esteja piscando significa que o controlador encontra-se em processo de controle.2. 2. tal dispositivo é comentado separadamente por exercer uma função de extrema importância no sistema. como descrito na Seção 2.5. Caso este se encontre aceso constante. PIC16F87X datasheet [5]. mesmo se o clock nos pinos OSC1/CLKIN e OSC2/CLKOUT do dispositivo estiver parado.2. Figura 10. a utilização de uma ferramenta ou componente eletrônico capaz de realizar as conversões dos níveis de tensão é necessária.4 Transmissão Serial (Conversor de Nível): Para tornar possível a troca de sinais ou informações entre o microcontrolador e o PC. porém o WDT Reset não é executado no caso de time-out. 2.Isto significa que o WDT funciona. só assim a comunicação poderá ser realizada. 24 . Ao alimentar o microcontrolador o Watchdog Timer começa a funcionar instantaneamente. Um circuito integrado projetado especialmente para executar este trabalho é o MAX232. Durante operação normal. O nível do sinal num PC é de -10V para o nível lógico um e +10V para nível lógico zero. Para isto aconteça o WDT deve ser habilitado através da atribuição do nível lógico ‘1’ (5 V) ao bit WDTE (Watchdog Timer Enabled). Diagrama de Pinos de MAX232. Como os níveis lógicos num microcontrolador são de +5V para o nível lógico um e 0V para o nível lógico zero. faz-se necessário o ajuste de nível dos sinais. um estouro de tempo (time-out) no WDT gera um RESET de dispositivo (Watchdog Timer Reset). Como visto no Diagrama de Pinos. e sua integração com o restante dos componentes do Módulo de Hardware. Valores para Seleção de Atuadores. 25 . Os valores de seleção provenientes dos pinos RC0 e RC1 do microcontrolador podem ser vistos na Tabela 6.2. o MAX232 é um conversor de nível de dois canais de recepção e dois de transmissão.5 Circuito de Seleção de Atuador: O circuito de seleção de atuadores desempenha a função de interpretar o valor de seleção de atuadores Sa. o circuito correspondente é comutado. ou acionado a ventilação para a refrigeração. acionando o relé. ilustrado na Figura 10. emitido pelo microcontrolador como resposta do ciclo de controle. A Figura 11 ilustra o circuito de seleção ou acionamento de atuadores. Isto é realizado através de sinais lógicos ‘1’ (ligado) e ‘0’ (desligado). O circuito é baseado em transistores BD137. 2. no caso do aquecimento. Cada canal receptor converte os sinais provenientes da porta serial para o nível 5V TTL/CMOS. Na Figura 12. como em [6]. Quando o nível lógico é ‘1’ ou 5 Volts num dos pinos do microcontrolador. Cada canal transmissor converte as entradas em nível TTL/CMOS para níveis compatíveis a porta serial do PC. sua configuração de pinos (inputs/outputs). pode-se observar o componente MAX232. 26 .Figura 11. Circuito de seleção ou acionamento de atuadores. 2.2. Diagrama Eletrônico Completo do Módulo de Hardware.6 Diagrama Eletrônico Completo Figura 12. 27 . em tempo real. • • Gráfico da Temperatura em função do Tempo: Gráfico plotado em tempo real utilizando as medidas de temperatura recebidas do módulo de hardware. 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. no caso o microcontrolador.3 Módulo do Software Supervisório: Como todo sistema automatizado. realiza os cálculos necessários para atuar sobre a temperatura da caldeira monitorada. É baseado nestas informações que o controlador do sistema. • • Quadro de estado de atuadores: exibirá ao usuário. o usuário poderá analisar em qualquer momento os dados de um processo. o “15:17h >> Atuador de Refrigeração Ativado !” . O software supervisório é a ferramenta a suprir esta necessidade. Tal objetivo é alcançado através das funcionalidades do software. Para a aquisição destas informações existe a necessidade de um mecanismo que realize a interface do sistema com o usuário. Caixa de Diálogo: nesta caixa são exibidas todas as mensagens pelas quais o sistema manterá o usuário informado sobre seu funcionamento e atual estado. Através dele o usuário pode manter-se atualizado sobre o atual estado do sistema e configurar o mesmo de acordo com suas necessidades. 28 . o estado dos atuadores.2. Relatórios e Gráficos: através destes recursos. Exemplos de Mensagem: o “14:00h >> Iniciado processo P00034 !” . o Sistema de Controle de Temperatura de Caldeiras funciona de acordo com informações pré-configuradas pelo usuário. 29 .O desenvolvimento deste módulo foi realizado através de linguagem de programação orientada a objetos de maneira a facilitar a estruturação dos dados. Tais métodos são apresentados por [2] PRESSMAN. 2. São eles: Digrama de Contexto e Lista de Eventos para a modelagem ambiental e. visto na Figura 13.. que ilustra as relações entre software e demais entidades externas.3.1 Diagrama de Contexto: Para melhor posicionar o módulo de software no sistema de controle de temperatura de caldeiras. Este diagrama é utilizado na confecção da Lista de Eventos. Diagrama de Fluxo de Dados (DFD). foi desenvolvido um Diagrama de Contexto. 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. No caso. Roger S. O emprego destes métodos facilita em muito o entendimento do software e auxiliou os projetistas na implementação. Modelo Lógico de Dados e Especificação de Processos. Para o projeto deste módulo foram utilizados alguns métodos ou ferramentas muito conhecidas entre os profissionais da área da Engenharia de Software. a linguagem utilizada foi a C++. Diagrama de Transição de Estados (DTE). Diagrama de Contexto do Software. Diagrama de Contexto do Software. Para cada evento tem-se um estímulo. vista na Tabela 7. 2. estão representados os principais eventos do software.Pedido de Novo Processo Pedido de Finalização de Processo Pedido de remoção de cadastro de usuário do sistema Pedido de Gráfico de Desempenho Pedido de alteração de cadastro de usuário do sistema Pedido de Relatório de Monitoração Pedido de cadastro de novo usuário no sistema Comando de Parada de Processo e Desligamento de Atuadores Parâmetros do Processo USUÁRIO Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Gráfico de Temperatura X Tempo Relatório de Monitoração Gráfico de Desempenho Mensagem na Caixa de Diálogo Mensagem de confirmação de alteração de cadastro Mensagem de Confirmação de remoção de cadastro Mensagem de Confirmação de cadastro SOFTWARE SUPERVISÓRIO HARDWARE Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Mensagem de Confirmação de Finalização Figura 13. uma ação e uma resposta.3.2 Lista de Eventos: Na Lista de Eventos do Software. 30 . Fluxo de Dados Usuário requisita 2 alteração de cadastro de usuário do sistema Usuário requisita 3 remoção de cadastro de usuário do sistema Usuário 4 requisita Relatório do Processo 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 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 Pedido de Relatório do Processo Emitir Relatório do Processo • Relatório do Processo Fluxo de Dados 31 . • Mensagens na Caixa de Diálogo. Nº Nome do Evento Estímulo Ação • Resposta Medidas de Temperatura e Estado de Tipo Usuário 1 requisita novo processo Pedido de Novo Processo Atuadores. Iniciar Novo Processo • Gráfico de Temperatura X Tempo. Lista de Eventos do Software.Tabela 7. Usuário 8 requisita finalização do processo Pedido de finalização do processo • Finalizar Processo • Mensagem de Confirmação de Finalização. Console de Monitoração Formatado. Fluxo de Dados É hora de emitir 7 relatório do processo tempo igual ao determinado para emissão de relatório Emitir Relatório do processo • Relatório do Processo Temporal • Comando de desligamento de Atuadores.Usuário requisita 5 cadastro de novo usuário no sistema Usuário 6 requisita Gráfico de Desempenho Pedido de cadastro de novo usuário no sistema Pedido de Gráfico de Desempenho Intervalo de Cadastrar novo usuário no sistema • Mensagem de confirmação de cadastro Fluxo de Dados Gerar Gráfico de Desempenho • Gráfico de Desempenho. Fluxo de Dados 32 . 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. Pedido de Novo Processo Módulo de Hardware Usuário Parâmetros do Processo Gráfico de Temperatura X Tempo Mensagem à Caixa de Diálogo Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores 1 Iniciar Novo Processo Número do Último Processo Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Dados do Processo Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Medidas Monitoração Figura 14. DFD individual do evento número 1. 33 Evento número 2: USUÁRIO REQUISITA ALTERAÇÃO DE CADASTRO DE USUÁRIO DO SISTEMA. Pedido de alteração de cadastro de usuário do sistema Usuário Mensagem de confirmação de alteração de cadastro 2 Alterar cadastro de usuário do sistema Dados do usuário do sistema Usuários Figura 15. DFD individual do evento número 2. Evento número 3: USUÁRIO REQUISITA REMOÇÃO DE CADASTRO DE USUÁRIO DO SISTEMA. Pedido de remoção de cadastro de usuário do sistema Usuário Mensagem de confirmação de remoção de cadastro 3 Remover cadastro de usuário do sistema Dados do usuário do sistema Usuários Figura 16. DFD individual do evento número 3. 34 Evento número 4: USUÁRIO REQUISITA RELATÓRIO DO PROCESSO. Usuário Pedido de Relatório do Processo Medidas Medidas e Estado de Atuadores Relatório do Processo 4 Emitir Relatório do Processo Dados do usuário do sistema Usuários Monitoração Dados de Processo Figura 17. DFD individual do evento número 4. Evento número 5: USUÁRIO REQUISITA CADASTRO DE NOVO USUÁRIO NO SISTEMA. Usuário Pedido de cadastro de novo usuário no sistema Mensagem de confirmação de cadastro 5 Cadastrar novo usuário no sistema Dados do usuário do sistema Usuários Figura 18. DFD individual do evento número 5. 35 Evento número 6: USUÁRIO REQUISITA GRÁFICO DE DESEMPENHO. DFD individual do evento número 7. Pedido de Gráfico de Desempenho Usuário Medidas Gráfico de Desempenho 6 Gerar Gráfico de Desempenho Medidas de Temperatura Dados do Processo Monitoração Figura 19. Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO. 36 . DFD individual do evento número 6. Usuário Relatório do Processo Medidas Mensagem na caixa de diálogo 7 Dados do usuário do sistema Emitir Relatório do Processo Dados do Processo Medidas e Estado de Atuadores Usuários Intervalo de tempo determinado para emissão de relatório Monitoração Figura 20. Usuário Pedido de finalização de Processo Mensagem de Confirmação de Finalização 8 Finalizar Processo Comando de desligamento de Atuadores Dados do Processo Monitoração Módulo de Hardware Figura 21. 37 . DFD individual do evento número 8.Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FIM DA MONITORAÇÃO E CONTROLE. DFD detalhado do evento número 1.3.4 Gráfico de Temperatura X Tempo Fomatar Console de Mensagem à Caixa de Diálogo monitoração Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Medidas de Temperatura 1.2 Enviar parâmetros do processo Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Monitoração 1.2. Usuário Pedido de novo processo 1.1 Gravar dados do processo Dados do Processo Dados do Processo 1.2 DFD Detalhado de Resposta aos Eventos Evento número 1: USUÁRIO REQUISITA NOVO PROCESSO.3 e Estado de Atuadores Gravar Medidas Medidas de Temperatura e Estado de Medidas de Temperatura e Estado de Atuadores Atuadores Parâmetros do Processo Módulo de Hardware Figura 22. 38 .3. Este modelo representa o software sob o aspecto de dados. Ainda. O software é composto por dois depósitos. tais como. número do processo.3.3 Emitir Mensagem de Confirmação de Finalização Dados do Processo Pedido de finalização 8. O segundo armazena as medidas de temperatura ao longo do processo. bem como o estado dos atuadores durante todo esse período.2 Gravar Dados do Processo Confirmação de desligamento de Atuadores Comando de desligamento de Atuadores Dados do Processo Monitoração Módulo de Hardware Figura 23. Usuário Mensagem de Confirmação de Finalização 8. 39 . armazena os parâmetros do processo (temperatura de emergência e temperatura requisitada). O primeiro é responsável pelo armazenamento dos dados gerais de um processo. data e hora de início. bem como o relacionamento entre elas. DFD detalhado do evento número 8. São eles: Monitoração e Medidas.4 Modelo Lógico de Dados No Modelo Lógico de Dados estão especificados cada um dos Depósitos de Dados ou Tabelas do banco de dados.1 do Processo Emitir Comando de desligamento de Atuadores 8.Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FINALIZAÇÃO DO PROCESSO. 2. etc. Ainda.Cada depósito possui uma relação de atributos e cada atributo representa uma característica de sua entidade.. Observa-se que o atributo acompanhado do símbolo “@” representa uma chave. Diagrama de Entidade e Relacionamento do Software. Diagrama de Entidade e Relacionamento do Software. 40 . que para cada usuário do sistema (Depósito Usuários) pode existir um ou mais processos cadastrados. atributo utilizado para relacionar os depósitos. ou seja. 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. De acordo com a Figura 24. pode-se afirmar que para cada Processo de Monitoração e Controle (Depósito Monitoração) pode existir uma ou diversas medidas (Depósito Medidas). O Diagrama de Entidade-Relacionamento representa as entidades do software e a relação entre elas. o estado de operação permanece o mesmo.5 Diagrama de Transição de Estados (DTE): Para elaboração do DTE foram atribuídos ao módulo estados de operação. Tabela 8. mas o controle de temperatura da caldeira não está sendo executado. 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. Isto é facilmente compreendido. Em espera e Em processo. após tal execução. Em muitos casos. O primeiro refere-se ao momento em que o usuário pode utilizar alguns recursos do software supervisório. Tabela de Transição de Estados. Estado Atual Inativo Condição Usuário requisita novo processo Usuário requisita novo processo Usuário requisita Relatório do Processo É hora de emitir relatório do processo Ação Iniciar Novo Processo Iniciar Novo Processo Emitir Relatório do Processo Emitir Relatório do Processo Estado Futuro Em processo Em processo Em processo Em processo Em processo Em processo Em processo 41 . já que foram definidos sete eventos de software e apenas três estados de operação. Ou seja. O último refere-se ao momento em que o controle está sendo executado.2. após o acontecimento de um evento. 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.3. O acontecimento de um evento e a execução de uma ação correspondente não significa obrigatoriamente a mudança de estado de operação. Na Tabela 8 são definidas as transições de estados de operação. de acordo com um evento do software uma ação será executada e. Usuário requisita Em processo Gráfico de Desempenho Usuário requisita Em processo finalização do processo Inativo Usuária requisita Relatório de Processo Usuário requisita Inativo alteração de cadastro de usuário do sistema Usuário requisita Inativo remoção de cadastro de usuário do sistema Usuário requisita Inativo cadastro de novo usuário no sistema Usuário requisita Inativo Gráfico de Desempenho Gerar Gráfico de Desempenho Em processo Finalizar Processo Emitir Relatório de Processo Alterar cadastro de usuário do sistema Inativo Inativo Inativo Remover cadastro de usuário do sistema Inativo Cadastrar novo usuário no sistema Inativo Gerar Gráfico de Desempenho Inativo Baseado na Tabela de Transição de Estados pôde-se elaborar o Diagrama de Transição de Estados. As transições de estados são representadas por setas entre os estados de operação. visto na Figura 25. 42 . Os eventos são representados em traços. sendo a cada transição atribuído um determinado evento. sendo posicionado acima do traço o nome do evento e abaixo do traço a ação correspondente. Tal diagrama representa os estados de operação do sistema em retângulos. Processo 1.3. INICIALIZAR Processo 1. INICIALIZAR variáveis) SE pedido de novo processo ENTÃO LER parâmetros do processo 43 .1 (ABRIR arquivos.6 Especificação dos Processos: Evento número 1: USUÁRIO REQUISITA NOVO PROCESSO. Diagrama de Transição de Estados do Software.Usuário requisita Relatório de Processo Emitir Relatório de Processo Usuário requisita remoção de cadastro de usuário do sistema Remover cadastro de usuário do sistema Usuário requisita alteração de cadastro de usuário do sistema Alterar cdastro de usuário do sistema INATIVO Usuário requisita cadastro de novo usuário no sistema Cadastrar novo usuário no sistema Usuário requisita Gráfico de Desempenho Gerar Gráfico de Desempenho Usuário requisita novo processo Iniciar novo processo Usuário requisita finalização do processo Finalizar Processo Usuário requisita novo processo Iniciar novo processo EM PROCESSO Usuário requisita Gráfico de Desempenho Gerar Gráfico de Desempenho É hora de emitir relatório do processo Emitir Relatório de Processo Usuário requisita Relatório do Processo Emitir Relatório do Processo Figura 25. 2.1: Gravar dados do processo. 3: Gravar medidas de temperatura e estado de atuadores.3 (ABRIR arquivos.4 (ABRIR arquivos.2: Enviar parâmetros do processo. INICIALIZAR variáveis) LER medidas de temperatura e estado de atuadores GRAVAR medidas de temperatura e estado de atuadores FIMSE FIM Processo 1. INICIALIZAR Processo 1. INICIALIZAR Processo 1. INICIALIZAR Processo 1.2 (ABRIR arquivos.4: Formatar console de monitoração.GRAVAR dados do processo ENVIAR quadro de opções de monitoração FIMSE FIM Processo 1. INICIALIZAR variáveis) LER dados do processo ENVIAR parâmetros do processo FIMSE FIM Processo 1. INICIALIZAR variáveis) LER medidas de temperatura e estado de atuadores EMITIR Gráfico de Temperatura X Tempo EMITIR mensagens à caixa de diálogo EMITIR medidas de temperatura e estado de atuadores FIMSE FIM 44 . INICIALIZAR variáveis) SE pedido de remoção de cadastro de usuário do sistema ENTÃO REMOVER dados de usuário do sistema FIMSE FIM Evento número 4: USUÁRIO REQUISITA RELATÓRIO DO PROCESSO.Evento número 2: USUÁRIO REQUISITA ALTERAÇÃO DE CADASTRO DE USUÁRIO DO SISTEMA. INICIALIZAR Processo 2 (ABRIR arquivos. Processo 2: Alterar cadastro de usuário do sistema. INICIALIZAR Processo 4 (ABRIR arquivos. Processo 3: Remover cadastro de usuário do sistema. INICIALIZAR variáveis) SE pedido de relatório do processo ENTÃO LER dados de monitoração de Monitoração 45 . 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. INICIALIZAR Processo 3 (ABRIR arquivos. Processo 4: Emitir Relatório de Monitoração. INICIALIZAR variáveis) SE pedido de cadastro de novo usuário no sistema ENTÃO GRAVAR dados de usuário do sistema FIMSE FIM Evento número 6: USUÁRIO REQUISITA GRÁFICO DE DESEMPENHO. Processo 5: Cadastrar novo usuário no sistema.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 6: Gerar Gráfico de Desempenho. INICIALIZAR variáveis) SE pedido de gráfico de desempenho ENTÃO LER dados de monitoração de Monitoração LER dados de medidas de Medidas EMITIR gráfico de desempenho FIMSE FIM 46 . INICIALIZAR Processo 6 (ABRIR arquivos. INICIALIZAR Processo 5 (ABRIR arquivos. Processo 7: Emitir relatório do processo. INICIALIZAR variáveis) SE tempo de processo = instante de tempo determinado para emissão de relatório ENTÃO LER dados de monitoração de Monitoração LER dados de medidas de Medidas EMITIR gráfico de desempenho FIMSE FIM Evento número 8: USUÁRIO REQUISITA FINALIZAÇÃO DO PROCESSO. Processo 8. INICIALIZAR variáveis) SE pedido de finalização de processo ENTÃO EMITIR comando de desligamento de atuadores FIMSE FIM Processo 8. INICIALIZAR Processo 7 (ABRIR arquivos. INICIALIZAR variáveis) SE confirmação de desligamento de atuadores ENTÃO GRAVAR dados do processo FIMSE FIM 47 .1: Emitir comando de desligamento de atuadores.Evento número 7: É HORA DE EMITIR RELATÓRIO DO PROCESSO. INICIALIZAR Processo 8.1 (ABRIR arquivos.2: Gravar Dados do Processo INICIALIZAR Processo 8.2 (ABRIR arquivos. 4 Procedimentos de Integração dos Módulos Depois de implementados os módulos de sistema foram realizados os procedimentos de integração. provenientes do módulo da caldeira. INICIALIZAR variáveis) LER dados do processo EMITIR mensagem de confirmação de finalização FIM 2. os sinais de saída dos amplificadores de intrumentação INA129. Para integração do módulo de software com o restante do sistema. O microcontrolador transmite os medidas de temperatura por intermédio do MAX232 (conversor de nível de tensão). os quatro sinais dos sensores são multiplexados e transmitidos ao microcontrolador. O primeiro passo foi aplicar os sinais condicionados dos sensores de temperatura.3: Emitir mensagem de confirmação de finalização. ou seja. sendo o cabo serial conectado a este componente. como indicado na Figura 12. Realizado este passo. deve-se conectar um cabo serial deste ao módulo de hardware. 48 .Processo 8.3 (ABRIR arquivos. Os valores são transmitidos de acordo com a seleção feita pelo microcontrolador. Tais sinais. são aplicados um em cada canal de entrada do multiplexador analógico CD4052BC. de modo a permitir o funcionamento do sistema de forma completa. INICIALIZAR Processo 8. do módulo de hardware. após iniciado um processo. 49 . 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.Conectado o cabo serial. Diagrama eletrônico dos módulos integrados. Diagrama eletrônico dos módulos integrados. 50 .Figura 26. tais temperaturas tornaram-se inalcançáveis para o protótipo desenvolvido. porta de comunicação serial). analisando suas funcionalidades. dois dos quatro sensores de temperatura foram danificados ao longo do desenvolvimento do projeto. o objetivo era o desenvolvimento de um sistema capaz de realizar o controle de temperatura de uma caldeira desenvolvida em escala reduzida. Testes e Resultados Concluídas todas as etapas de desenvolvimento e integração do sistema. Como proposto no início do projeto. Software supervisório encontra-se corretamente configurado (fonte de dados ODBC. O sistema é capaz de realizar a aquisição de quatro valores diferentes de temperatura.3. Porém. Além disso. Módulo de Hardware alimentado. impossibilitava o acoplamento de mais de dois sensores para aquisição das medidas devido à falta de área. sendo financeiramente inviável a aquisição duas peças adicionais. Para a realização dos testes foram simuladas temperaturas de até 98ºC (temperatura de ebulição da água). 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. Módulo de caldeira alimentado (atuador de aquecimento e refrigeração) com sensores de temperatura conectados ao circuito de condicionamento de sinais. Temperaturas de caldeiras industriais chegam a valores muito superiores. 51 . Deve-se adiantar que apenas dois sensores de termopares foram utilizados na realização dos testes. estando o microcontrolador não resetado. devido a limitações como a ausência de pressurização na caldeira e a métodos de aquecimento não ideais. fez-se necessária a realização de uma série de testes. utilizada no projeto. Porém. a caldeira em escala reduzida. o processo de controle. edição de opções. emissão de relatórios e gráficos de desempenho e demais funcionalidades deste módulo apresentaram o resultado esperado. Condições inadequadas de aquisição de medidas tornaram o processo instável. foi utilizado um termômetro digital acoplado a caldeira. Após alcançar uma temperatura mais elevada. cadastro de novos usuários. • O processo de controle foi iniciado corretamente. notou-se uma variação considerável de temperatura para valores mais elevados o que prejudica muito. Através dos displays posicionados no console de monitoração.• Existir água no interior da caldeira. Verificada a correta instalação do sistema. criação de novos processos. Para tal constatação. 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. durante a utilização de tais funções. nenhum problema foi constatado e as operações foram realizadas com sucesso. senão impede. foram iniciados os testes e analisados os resultados como descrito a seguir: • Operações no software supervisório. as medidas apresentadas mostraram-se coerentes. Ainda. tais como logon de usuário. Ou seja. os parâmetros do processo foram corretamente enviados pelo supervisório ao módulo de hardware ou módulo de controle. • Um problema foi constatado no decorrer do processo de aquecimento da caldeira. oscilações tornam-se evidentes. 52 . ou seja. mostrou-se estável. provou-se o correto funcionamento das funções de controle programadas no microcontrolador. exibindo corretamente as mensagens de status do processo. ambos são ativados no momento correto. 53 . 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. ao longo do processo. • Finalizado o processo. transmitidos anteriormente.• Os atuadores de aquecimento e refrigeração. • O software supervisório. ou seja. os estados de atuadores e as medidas de temperatura com plotagem de gráfico de performance em tempo real. de acordo com os parâmetros do processo. Desta maneira. permitindo a entrada de corrente de ar frio pelo orifício de refrigeração.4. considerando o sistema proposto no início do projeto e os recursos disponíveis para implementação. Isto fica evidenciado a temperaturas mais elevadas. O microcontrolador supriu de maneira satisfatória as funções de controle. Todavia. 54 . A miniatura de caldeira industrial confeccionada artesanalmente tornou possível o desenvolvimento e realizações de testes sobre o sistema. apresentou desempenho ótimo. Ainda. tal objeto de controle foi uma limitação física que impossibilitou o funcionamento ótimo do sistema. Uma característica importante presente no sistema. e que se mostra adequada para a função. apesar de possibilitar o trabalho. é a aplicação da tecnologia de microcontroladores em substituição a tecnologia de CLPs. quando são observadas oscilações nos valores de temperatura medida durante o processo. principalmente no que diz respeito ao objeto de controle. conseguiu atingir o objetivo de desenvolvimento de um sistema baseado em microcontrolador. a dificuldade de posicionamento dos sensores termopares. Conclusão O projeto chegou ao fim apresentando resultados satisfatórios. sendo eficientemente integrado com o módulo do software supervisório. 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. considera-se que o sistema. usualmente utilizada em soluções de automação industrial. por sua vez. Este. Com estas medidas torna-se possível a obtenção de melhores resultados. A ausência de pressurização dificulta a aquisição de medidas pelos sensores de temperatura. também ocasiona oscilações nas medidas. apesar de não ter alcançado resultados ótimos. Por fim. requisitando corretamente processos ao módulo de hardware e oferecendo diversas outras funcionalidades. [6] MAX232 Dual EIA-232 Drivers/Receivers Datasheet.national. 55 . 1997. The Microchip Worldwide Site. HALKIAS. Software Engineering: A Practioner's Approach. Programming and customizing the PIC microcontroller. Caldeiras e Vasos de Pressão.com. Acessado em 12/05/2003. [8] PREDKO. São Paulo: McGraw Hill. [2] PRESSMAN. São Paulo: McGraw. [1] Referências Bibliográficas MILLMAN. 2. Acessado em 14/04/2003. Michael. Texas Instruments. [5] Microcontrollers PIC16F87X Datasheet.fairchildsemi. São Paulo.com. 1998. New York: McGraw-Hill. National Instruments. [4] TEC Caldeiras e Sistemas Ltda. Artigo Técnico.com.texasinstruments. Disponível em http://www. Fairchild Semiconductors. Acessado em 21/05/2003. [7] CD4052BC Dual 4-Channel Analog Multiplexer/Demultiplexer Datasheet. Eletrônica: Dispositivos e Circuitos. Disponível em http://www.ed. [3] Signal Conditioning Fundamentals for Computer-Based Measurement Systems.5.com. Jacob. 4 ed. 1981. Disponível em http://www. Christos C. Disponível em http://www. Roger S.Hill. Acessado em 15/07/2003.microchip. 1996.
Report "Sistema de Controle de Temperatura de Caldeira"