aquisição de dados de processo de um gasogênio à carvão...

Universidade Federal do Amazonas

Faculdade de Tecnologia

Centro de Desenvolvimento

Energético Amazônico

Aquisição de Dados de Processo de um Gasogênio à Carvão Vegetal para Geração de Energia Elétrica

Lucas Cordeiro

Relatório Final

Orientador: João Edgar Chaves Filho Co-Orientador: Omar Seye

Cordeiro Relatório_Final 2

Resumo

O projeto visa o desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados no processo de gaseificação em um gaseificador de leito fixo a carvão vegetal para acionamento do motor de combustão interna, visando a geração de força motriz, com potência no eixo do motor na faixa de 5 a 15 Hp. O gaseificador é do tipo co-corrente com injeção central de ar. Deste modo, o sistema monitora a unidade de gaseificação, sistema de purificação e resfriamento e sistema de conversão da energia final.

A arquitetura do software é baseada na infra-estrutura Model-View-Controller tendo o MySQL como base de dados. Deste modo, o software monitora as variáveis de processo tensão e corrente nos terminais do gerador síncrono trifásico assim como temperatura e pressão entre cada processo do sistema. Além disso, o sistema monitora a umidade relativa do ar. A partir dos dados mensurados pelos sensores, o software é capaz de processar, armazenar e extrair as informações de um banco de dados com o propósito de analisar o desempenho do equipamento.


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Versão Autor Data Status Alterações 0.1 Cordeiro 16.09.04 Em progresso Criando

1.0 Cordeiro 07.10.04 Concluído

0 Sumário

1. REQUISITOS DO SISTEMA ..................................................................................... 6

1.1. OBJETIVO GERAL .................................................................................................... 6 1.1.1 Critério Obrigatório ........................................................................................ 7 1.1.2 Limitações ao Critério ........................................................................................... 7

1.2. ÁREA DE OPERAÇÃO ............................................................................................... 7 1.2.1 Áreas de Aplicações ....................................................................................... 7 1.2.2 Grupo de Usuário ........................................................................................... 8

1.2.3 CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO .................................................................................. 8 1.3. AMBIENTE ............................................................................................................... 8

1.3.1 Software.......................................................................................................... 8 1.3.2 Hardware ........................................................................................................ 8 1.3.3 Interfaces do Sistema...................................................................................... 9

1.4. REQUISITOS FUNCIONAIS....................................................................................... 10 1.5. REQUISITOS DE HARDWARE .................................................................................. 11 1.6. REQUISITOS NÃO-FUNCIONAIS .............................................................................. 11 1.7. REQUISITOS PARA A INTERFACE COM O USUÁRIO.................................................. 12 1.8. REQUISITOS DE QUALIDADE .................................................................................. 12 1.9. CENÁRIO DE TESTE GLOBAL E CASOS DE TESTE ................................................... 12 1.10. AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO ................................................................... 13

1.10.1 Software........................................................................................................ 13 1.10.2 Hardware ...................................................................................................... 13 1.10.3 Orgware ........................................................................................................ 13

2. MODELO DO SISTEMA.......................................................................................... 14 2.1 MODELO DO SISTEMA DE SOFTWARE .................................................................... 14

2.1.1 Introdução..................................................................................................... 14 2.1.2 Descrição do Fluxo de Material e Processos do Sistema .................................... 14 2.1.3 Avaliação Paramétrica do Desempenho Operacional do Sistema de Gaseificação...................................................................................................................................... 15 2.1.4 Folha de Caso de Uso para o <Estabelece Conexão> ......................................... 17 2.1.5 Folha de Caso de uso para o <Visualiza Parâmetros> ................................. 17 2.1.6 Folha de Caso de uso para o <Visualização Textual>.................................. 18 2.1.7 Folha de Caso de uso para o <Visualização Gráfica>.................................. 18


2.1.8 Folha de Caso de uso para o <Visualiza Parâmetros Mensurados>............. 18 2.1.9 Folha de Caso de uso para o <Imprimi> ...................................................... 19 2.1.10 Folha de Caso de uso para o <Gráfico dos Parâmetros>.............................. 19 2.1.11 Diagrama de Caso de Uso ............................................................................ 20 2.1.12 Diagrama de Seqüência ................................................................................ 20 2.1.13 Conceitos da Interface Gráfica com o Usuário............................................. 22

2.2 MODELO DO SISTEMA DE HARDWARE ................................................................... 27 2.2.1 Diagrama em Blocos .................................................................................... 27 2.2.2 Descrição dos Blocos.................................................................................... 28 2.2.3 Bloco <Placa PCI 1710HG> ............................................................................... 28 2.2.4 Bloco <Módulo de Aquisição de Dados PLCD-8710>....................................... 28 2.2.5 Bloco <Circuito de Condicionamento do Sensor de Tensão>............................. 29 2.2.6 Bloco < Circuito de Condicionamento do Sensor de Corrente> ......................... 30 2.2.7 Bloco < Circuito de Condicionamento do Sensor de Temperatura>................... 31 2.2.8 Bloco < Circuito de Interface do Sensor de Umidade>....................................... 32 2.2.9 Bloco < Circuito de Interface do Sensor de Pressão> ......................................... 33 2.2.10 Bloco <Gaseificador à Carvão Vegetal>........................................................... 34

3. ARQUITETURA DO SISTEMA .............................................................................. 35 3.1 CONDIÇÕES DO AMBIENTE .................................................................................... 35 3.1.1 HARDWARE ....................................................................................................... 35 3.1.2 SOFTWARE......................................................................................................... 36 3.2 CONSIDERAÇÕES TEÓRICA .................................................................................... 38

3.2.1 Referências Bibliográficas............................................................................ 39 3.2.2 Gaseificador de leito fixo a carvão vegetal [3].................................................... 39 3.2.3 Sensores ............................................................................................................... 42 3.2.3 Sistema de Condicionamento de Sinal ................................................................ 43

3.2.4 FÓRMULAS E DERIVAÇÕES ................................................................................ 44 3.3 DECISÕES DE PROJETO........................................................................................... 45 3.4 DIAGRAMA DE ARQUITETURA DO PROJETO ........................................................... 45

3.4.1 Arquitetura de Hardware .............................................................................. 47 3.4.3 Arquitetura de Software ...................................................................................... 56

3.5 ESTRUTURA DE DADOS.......................................................................................... 59 3.5.1 Tabela ‘Param_testes’................................................................................... 59 3.5.2 Tabela ‘Param_eletricos’.............................................................................. 60 3.5.3 Tabela ‘Param_fisicos’ ................................................................................. 60 3.5.4 Diagrama de Entidade-Relacionamento do Sistema de Banco de Dados .... 62

3.6 DEFINIÇÕES DE INTERFACE.................................................................................... 63 3.6.1 PC Desktop ↔ Placa de Aquisição de Dados .............................................. 63 3.6.2 Placa de Aquisição de Dados ↔ Circuito de Interface 1 ............................. 63 3.6.3 Placa de Aquisição de Dados ↔ Circuito de Interface 2 ............................. 64 3.6.4 Placa de Aquisição de Dados ↔ Circuito de Interface 3 ............................. 64 3.6.5 Circuito de Interface 1 ↔ Gasogênio........................................................... 64 3.6.6 Circuito de Interface 2 ↔ Gasogênio........................................................... 64 3.6.7 Circuito de Interface 3 ↔ Gasogênio........................................................... 65

4. COMPONENTES DO SISTEMA............................................................................. 66


4.1 Componentes do Sistema de Hardware ............................................................ 66 4.1.1 Circuito 1 ...................................................................................................... 66 4.1.2 Circuito 2 ............................................................................................................. 68 4.1.3 Circuito 3 ............................................................................................................. 69

4.2 COMPONENTES DO SISTEMA DE SOFTWARE........................................................... 71 4.2.1 Componente ParametroTextual .................................................................... 71 4.2.2 Componente ParametroGrafico .................................................................... 72 4.2.3 Componente VisualizaDados ....................................................................... 73 4.2.4 Componente GerenciaDados ........................................................................ 74 4.2.5 Componente Sensores .................................................................................. 74 4.2.6 Componente Gasogenio................................................................................ 75

5. APÊNDICE A – LISTA DE FIGURAS.................................................................... 77

6. APÊNDICE B – LISTA DE TABELAS ................................................................... 78

7. APÊNDICE C – LISTA DE EQUAÇÕES ............................................................... 79

8. APÊNDICE D - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................... 80


1. Requisitos do Sistema 1.1. Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é desenvolver um sistema que seja capaz de monitorar um processo técnico, neste caso um sistema de geração de energia, tendo como fonte de insumo o carvão vegetal. O sistema possuirá sensores acoplados ao equipamento capazes de adquirir os parâmetros físicos ou as variáveis de processo (como por exemplo, parâmetros de temperatura, pressão, umidade e etc.). A partir dos dados mensurados pelos sensores, o software deverá ser capaz de processar, armazenar e extrair as informações com o propósito de analisar o desempenho do equipamento. A figura 1.1 ilustra o objetivo geral do projeto.

GasogênioCarvão Vegetal Energia Elétrica

Sens

or 3

Sens

or 2

Sens

or 1

Figura 1.1: Objetivo geral do projeto

O sistema deverá ser capaz de processar as informações em tempo real com o

intuito de apresentar tais informações para o usuário do sistema, ou seja, o tempo de aquisição dos sinais, processamento da informação e a entrega dos resultados deverão ocorrer em pontos específicos do tempo. Devido à natureza do sistema, podemos considerá-lo como sendo um sistema reativo ou dirigido a eventos. Isto significa que o sistema irá reagir conforme as mudanças nas variáveis de processo do sistema.

Todas as informações adquiridas do processo através dos sensores deverão ser armazenadas em um banco de dados e posteriormente visualizadas para análise. Essas informações armazenadas no banco de dados deverão ser enviadas pela internet para um monitoramento do sistema.


1.1.1 Critério Obrigatório Devido a constante evolução dos sistemas controlados por computador, torna-se necessário e obrigatório o desenvolvimento de sistemas que sejam capazes de atuar de forma autônoma no sistema controlado. Desta forma, será desenvolvido um sistema que seja capaz de realizar o monitoramento de um gasogênio gerador de energia elétrica que usa como combustível gases obtidos a partir da queima do carvão vegetal em um gaseificador de leito fixo, e possibilitar a visualização dos parâmetros físicos mensurados através da internet.

1.1.2 Limitações ao Critério 1. O sistema será desenvolvido na linguagem de programação C++, utilizando o ambiente

de desenvolvimento integrado (IDE – Integrated Development Environment) da Borland chamado de C++ Builder Enterprise Edition.

2. O sistema a ser desenvolvido estará limitado ao sistema operacional do Windows.

Devido aos drivers fornecido pelo fabricante. 3. O sistema a ser desenvolvido será de uso exclusivo do sistema de monitoramento do

gasogênio, isto significa que o sistema não poderá ser utilizado em outro a sistema de geração de energia.

1.2. Área de Operação

1.2.1 Áreas de Aplicações

O Centro de Desenvolvimento Energético do Amazonas (CDEAM) pretende desenvolver um conjunto de equipamentos que sejam capazes de produzir energia a partir de fontes renováveis. Desta forma, este projeto servirá como base para o desenvolvimento futuro de novas ferramentas que possibilitem o controle e monitoramento desses equipamentos e sejam capazes de visualizar os parâmetros físicos através da internet.

Os princípios e fundamentos que serão utilizados para o desenvolvimento deste sistema, servirão como aprendizado e experiência para o desenvolvimento de novos sistemas similares, aproveitando o conhecimento adquirido neste trabalho. Portanto, este projeto dará um ponta pé inicial para a construção de novos sistemas de controle e monitoramento para equipamentos de geração de energia a partir de fontes renováveis.


1.2.2 Grupo de Usuário

Todos os profissionais e estudantes envolvidos na área de fontes renováveis de energia e automação industrial podem ser os usuários deste trabalho. 1.2.3 Condições de Operação

Este software será desenvolvido utilizando o C++ Builder 6.0 Enterprise Edition sob o sistema operacional Microsoft Windows 2000. 1.3. Ambiente

1.3.1 Software

O software a ser desenvolvido usará os drivers que acompanham a placa de aquisição de sinais e controle da Advantech. O ActiveDAQ é uma coleção de controles ActiveX para realizar operações de I/O dentro de qualquer controle ActiveX, neste caso o C++ Builder. Operações de I/O podem ser facilmente realizadas através de propriedades, eventos e métodos. O pacote ActiveDAQ contém os seguintes componentes: • DAQDevice: Abre uma caixa de diálogo para o usuário com o propósito de selecionar

qual dispositivo deve ser operado. • DAQAI: Realiza operações de entradas analógicas simples e formas de ondas das

entradas analógicas. • DAQAO: Realiza operações de saída analógica e forma de onda de saída. • DAQDI: Realiza operações de entrada digital. • DAQDO: Realiza operações de saída digital. • DAQCounter: Realiza operações de contagem de eventos e freqüência. • DAQPulse: Realiza saída de pulsos. • DAQAlarm: Realiza configurações de alarme e checagem de alarme.

1.3.2 Hardware

O software será desenvolvido em um PC desktop e as comunicações com os sensores e atuadores acoplados ao sistema serão realizados através da placa de aquisição de dados e controle da Advantech chamada de PCI 1710HG. A advantech PCI 1710HG é uma placa de aquisição de dados poderosa para ser conectado ao PC desktop através do barramento PCI. Esta placa é caracterizada por um projeto de circuito único e funções


completas para aquisição de dados e controle, incluindo conversor A/D, conversor D/A, entrada digital, saída digital, contador e relógio.

A Advantech PCI 1710HG fornece ao usuário as funções de controle e medidas

mais solicitadas para o desenvolvimento de software de controle e monitoramento como: 1. Transferência de dados através do barramento PCI. 2. A utilização de 16 (dezesseis) canais para o conversor A/D. 3. 12-bit de precisão para o conversor A/D com uma taxa de amostragem de 100KHz. 4. Ganho programável para cada canal de entrada. 5. Buffer de memória baseado no método FIFO. 6. 2 (dois) canais de saída para o conversor D/A. 7. 16 (dezesseis) canais de entrada analógica. 8. 16 (dezesseis) canais de saída analógica. 9. Contador e relógio programável.

1.3.3 Interfaces do Sistema

O sistema de controle e aquisição de dados da Advantech já fornece todo os componentes de hardware e software necessários para o desenvolvimento do projeto. Deste modo, o software será o C++ Builder 6.0 Enterprise Edition, pelo fato de que todos os drivers referente ao manuseio dos componentes de hardware da placa PCI 1710HG já estão disponíveis para serem acessados através de propriedades, métodos e eventos. A figura 3.1 ilustra o processo de desenvolvimento do sistema através das ferramentas fornecidas pela Advantech.


Microsoft Visual C++ 6.0

Desenvolvimento de umsistema de controle e

monitoramento remoto de umgasogênio à carvão vegetal

Advantech PCI1710HG

Gasogênio àCarvão Vegetal

Sensores

Sensores

Figura 1.2: Interface do Sistema

A placa PCI 1710HG conectada ao PC desktop realizará a interface entre os

sensores e atuadores conectados no gasogênio. O usurário terá a possibilidade de visualizar através da internet todas as variáveis de processo envolvidas no sistema. No entanto, o mesmo não poderá atuar no sistema. 1.4. Requisitos Funcionais /F10/ Consumo específico de carvão vegetal (kg/kWh) /F11/ Para o cálculo do consumo específico, o usuário deveria fornecer a carga de carvão vegetal utilizado antes de cada teste. /F12/ As grandezas elétricas como tensão e corrente fornecido pelo gerador elétrico deveriam ser monitoradas com o propósito de utilizas-las no cálculo do consumo específico. /F20/ Cálculo da perda de carga no gaseificador e equipamentos periféricos. /F21/ Medições de pressão estática na entrada e saída dos componentes do sistema, tais como, gaseificador, ciclones, resfriador, etc, com o propósito de fornecer indicação de sua resistência ao fluxo dos gases, que por sua vez se relacionam com o desempenho operacional. /F30/ No processo de gaseificação é de grande auxilio a medição da temperatura para verificação do comportamento do fluído ao longo do processo.


/F31/ Medições de temperatura em pelo menos dois pontos do circuito: na saída do gaseificador e na entrada do filtro de pano com o propósito de fornecer a estabilidade do processo de gaseificação. /F32/ No que se refere à temperatura do gás na entrada do filtro de pano, deve ser observado que sua medição fornece uma orientação sobre o processo de filtragem do gás e prevenção quanto à danificação do elemento filtrante (pano de algodão). /F33/ Temperaturas de filtragem do gás abaixo de 50oC representam risco de condensação de vapor d’água no filtro, com elevação da perda da carga através do elemento filtrante e redução da potência do sistema. /F34/ Se a temperatura no filtro de pano, por outro lado, ultrapassar 100oC, ocorre o risco de enrijecimento das fibras do mesmo provocando a sua danificação. /F40/ Desenvolvimento de uma interface com usuário que permita a visualização dos dados adquiridos pelos sensores acoplados ao sistema. /F40/ Todas as informações adquiridas pelos sensores deveriam ser armazenadas em um banco de dados para análises de desempenho do equipamento. 1.5. Requisitos de Hardware /H10/ Desenvolvimento de um circuito de interface entre os sensores acoplados ao sistema e a placa de aquisição de dados e controle da Advantech. 1.6. Requisitos Não-Funcionais /N10/ A linguagem de programação c++ e o Microsoft Foundation Classes (MFC)

deveriam ser utilizados para o desenvolvimento do software. /N20/ A caixa de ferramenta do software deveria ser a mais flexível possível, para permitir

a integração futura de novas funcionalidades no software. Por conseguinte, uma boa documentação também é muito importante.

/N30/ Uma forma incorreta de uso através da interface com o usuário não deveria levar a

interrupções no software. /N40/ A introdução dos valores não permitidos na aplicação deveria originar o emprego de

tratamento de exceções para facilitar a introdução correta das informações solicitadas.


1.7. Requisitos para a Interface com o Usuário /F10/ /F20/ /F30/ A interface gráfica com o usuário deveria ser em português. 1.8. Requisitos de Qualidade Qualidade do Produto

Elevado Alto Normal sem relevância

Funcionalidade X Correctude X Segurança X Confiabilidade X Maturidade X Tolerância à falhas X Capacidade de Recuperação

X

Usabilidade X Compreensibilidade X Capacidade de Aprendizado

X

Operabilidade X Efficiência X Desempenho de Tempo

X

Comportamento de Consumo

X

Capacidade de Alteração

X

Possibilidade de Análise

X

Capacidade de Modificação

X

Portabilidade X 1.9. Cenário de Teste Global e Casos de Teste

O sistema deverá ser testado sob as condições normais de funcionamento, assim como as condições que acontecem com menor frequência. Desta forma, um protocolo de teste deverá ser criado com o propósito de verificar as leituras realizadas por cada sensor acoplado ao sistema.

Os sinais mensuradas pelos sensores deverão ser armazenadas em um banco de dados ao longo de um tempo especificado pelo usuário e resgatadas para que possam ser


analisadas. Desta forma, o protocolo de teste deverá conter casos de testes para que seja verificada a integridade de tais operacões, ou seja, o armazenamento e visualização dos dados.

As informações armazenada no banco de dados deverão ser enviadas pela internet para uma visualização (através do Internet Explorer, por exemplo) das variáveis de processo. Deste modo, o protocolo de teste deverá conter casos de teste para que seja possível verificar a integridades dos dados enviados pela internet. 1.10. Ambiente de Desenvolvimento

1.10.1 Software • Sistema Operacional: Microsoft Windows 2000. • C++ Builder Enterprise Edition • Os controles ActiveX para aquisição de dados e controle.

1.10.2 Hardware • Um PC desktop AMD Athlon com 128MB RAM. Um disco rígido de capacidade de 30 GB. • A placa Advantech PCI 1710HG.

1.10.3 Orgware • MS-Office XP; • MS-Project 4.1; • Visio 2000/5.0.


2. Modelo do Sistema 2.1 Modelo do Sistema de Software

2.1.1 Introdução

O projeto visa o desenvolvimento de um software para o monitoramento e aquisição de dados no processo de gaseificação em um gaseificador de leito fixo a carvão vegetal para acionamento do motor de combustão interna, visando a geração de força motriz, com potência no eixo do motor na faixa de 5 a 15 Hp. O motor acoplado a um gerador elétrico permitirá a geração de eletricidade, portanto, o software será desenvolvido para aquisição de parâmetros físicos e elétricos de modo a possibilitar a avaliação da geração de eletricidade. A figura 2.1 ilustra de forma simplificada o sistema a ser monitorado.

Gaseificador Motor Gerador

Sen

sore

s

Sen

sore

s

Sen

sore

s

CarvãoVegetal

EnergiaElétrica

Purificação eResfriamento

Sen

sore

s

Figura 2.1: Diagrama Simplificado

O gaseificador de leito fixo é do tipo co-corrente com injeção central de ar. O

processo deve ser visto como um sistema global consistindo da unidade de gaseificação, sistema de purificação e resfriamento e sistema de conversão da energia final, no caso um motor de combustão interna, acoplado a um gerador elétrico.

2.1.2 Descrição do Fluxo de Material e Processos do Sistema

O sistema de gaseificação consiste basicamente de três elementos: unidade de gaseificação, sistema de purificação e resfriamento e sistema de conversão de energia, no caso um motor de combustão interna. A figura 2.2 mostra os três elementos básicos expandidos com o propósito de visualizar o fluxo de material e processos do sistema.


Gaseificação Ciclone

Resfriadorde

ConvecçãoNatural

Carvão Vegetal

Filtro dePano

Filtro dePapel

Ventoinha dePartida Motor

Trabalho Mecânico

Figura 2.2: Diagrama Detalhado

A. Processo de Gaseificação

Neste processo os gases são formados pela queima de biomassa sólida com suprimento restrito do ar. Desta forma, é produzida uma mistura de gases pelo gaseificador. B. Sistema de Purificação e Resfriamento

O sistema de ciclone é responsável pelo recolhimento do pó arrastado pelos gases, com o propósito de separar a fração do pó de maior granulometria. O gás ao sair do ciclone passa por um trocador de calor tubular, de convecção natural, com o gás fluindo pelos tubos, antes de ser encaminhado ao filtro de pano. Ao sair do filtro de pano, o gás passa pelo filtro de segurança com elemento filtrante de papelão e a seguir é introduzido no motor. C. Motor de Combustão Interna

Antes da entrada do motor, tem-se um misturador ar-gás com temperatura na faixa de 40 a 50 ºC. Como a proporção ar-gás é aproximadamente 1:1 e a temperatura do ar secundário é cerca de 20 a 30 ºC, a mistura ar-gás entra no motor na faixa de 30 a 40ºC.

2.1.3 Avaliação Paramétrica do Desempenho Operacional do Sistema de Gaseificação

Nesta seção serão descritos em detalhes as variáveis de processo do sistema com o propósito de se obter uma avaliação do desempenho operacional do sistema de gaseificação. As principais variáveis de processo (incluindo parâmetros físicos e elétricos) a serem monitorados são:


A. Consumo especifico de carvão vegetal (kg/kWh) Para o cálculo do consumo específico, a carga de carvão vegetal será pesada antes

de cada teste como também será monitorada a geração de energia elétrica através do gerador elétrico, portanto, será necessário o desenvolvimento de uma interface que possibilite a coleta dos dados de consumo de carvão (kg), registrar a geração de energia (kWh) e calcular o consumo específico. Além disso, esta interface deverá permitir a visualização e o registro de grandezas elétricas como voltagem e amperagem. B. Perda de carga no gaseificador e equipamentos periféricos

Um parâmetro operacional de grande auxílio na avaliação de desempenho de gaseificadores é o referente às perdas de cargas através do sistema. Medições de pressão estática na entrada e saída dos componentes do sistema, tais como, gaseificador, ciclones, resfriador, etc, fornecem indicação de sua resistência ao fluxo dos gases, que por sua vez se relacionam com o desempenho operacional. Tomando como referencia: P1 – Pressão estática do gás na saída do gaseificador; P4 – Pressão estática do gás na saída do resfriador e, P5 – Pressão estática do gás na saída do filtro de pano, as perdas de cargas podem ser avaliadas como: P1 - Patm = perda de carga no gaseificador; P4 – P1 = Perda de carga no conjunto Ciclones + resfriador; P5 – P4 = Perda de carga no filtro de pano C. Temperatura do gás

No processo de gaseificação é de grande auxilio a medição da temperatura em pelo menos dois pontos no circuito: na saída do gaseificador e na entrada do filtro de pano. A temperatura do gás na saída do gaseificador fornece uma indicação da estabilidade do processo de gaseificação bem como orienta quanto às condições de trabalho na região da grelha.

A gaseificação em sistema co-corrente apresenta temperaturas elevadas para o gás de saída, podendo atingir cerca de 750 oC. No que se refere à temperatura do gás na entrada do filtro de pano, deve ser observado que sua medição fornece uma orientação sobre o processo de filtragem do gás e prevenção quanto a danificação do elemento filtrante (pano de algadão).


Temperaturas de filtragem do gás abaixo de 50oC representam risco de condensação de vapor d’água no filtro, com elevação da perda da carga através do elemento filtrante e redução da potencia do sistema. Se a temperatura no filtro de pano, por outro lado, ultrapassar 100oC, ocorre o risco de enrijecimento das fibras do mesmo provocando a sua danificação. Por isto e outras conseqüências, a evolução da temperatura do gás no decorrer de cada teste, em diferentes pontos do circuito, será constantemente registrada.

2.1.4 Folha de Caso de Uso para o <Estabelece Conexão> Use Case: Estabelece Conexão Objetivo: O usuário irá estabelecer uma conexão com o sistema de

monitoramento. Atores externos: Usuário Condições: O computador do usuário deverá estar conectado à internet. Descrição: O usuário irá estabelecer uma conexão com o sistema de

monitoramento através da internet. Desta forma, o usuário será capaz de visualizar remotamente o monitoramento do sistema e solicitar por leituras realizadas anteriormente.

Sequência Alternativas:

Nenhuma

2.1.5 Folha de Caso de uso para o <Visualiza Parâmetros> Use Case: Visualiza Parâmetros Objetivo: O usuário poderá visualizar tanto textualmente quanto graficamente

todas as variáveis de processo envolvidas no sistema. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema de monitoramento e os

sensores devem estar em pleno funcionamento. Descrição: Será iniciado o processo de visualização das variáveis de processos.

Será possível também parar o sistema de aquisição de dados a qualquer momento.


Nenhuma


2.1.6 Folha de Caso de uso para o <Visualização Textual> Use Case: Visualização Textual Objetivo: Visualizar de uma forma textual o sistema de monitoramento. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema de monitoramento e os

sensores devem estar em pleno funcionamento. Descrição: Será fornecido ao usuário uma forma textual de visualização do

sistema. Desta forma, todos os pontos de medição dos parâmetros físicos (pressão, temperatura e umidade) e elétricos (tensão e corrente) poderão ser visualizados pelo usuário.


Nenhuma

2.1.7 Folha de Caso de uso para o <Visualização Gráfica> Use Case: Visualização Gráfica Objetivo: Visualizar de uma forma mais simples e objetiva o sistema de

monitoramento. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema de monitoramento e os

sensores devem estar em pleno funcionamento. Descrição: Será fornecido ao usuário uma forma simples e objetiva de

visualização do sistema. Desta forma, todos os pontos de medição dos parâmetros físicos (pressão, temperatura e umidade) e elétricos (tensão e corrente) poderão ser visualizados na planta.


Nenhuma

2.1.8 Folha de Caso de uso para o <Visualiza Parâmetros Mensurados> Use Case: Visualiza Parâmetros Mensurados Objetivo: A visualização de todos os parâmetros físicos e elétricos armazenados

no banco de dados. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema. Descrição: O usuário poderá visualizar todos os parâmetros físicos e elétricos

armazenados no banco de dados. Desta forma, o usuário será capaz de analisar o desempenho do sistema.


Nenhuma


2.1.9 Folha de Caso de uso para o <Imprimi> Use Case: Imprimi Objetivo: Imprimir os dados selecionados pelo usuário. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema. Descrição: Todos os parâmetros físicos e elétricos poderão ser impressos para

análise de desempenho do sistema. Sequência Alternativas:

Nenhuma

2.1.10 Folha de Caso de uso para o <Gráfico dos Parâmetros> Use Case: Gráfico dos Parâmetros Objetivo: Traçar os gráficos dos parâmetros físicos e elétricos adquiridos pelos

sensores acoplados ao sistema. Atores externos: Usuário Condições: O usuário deverá estar conectado ao sistema de monitoramento Descrição: Será traçado o gráfico dos parâmetros físico e elétrico do sistema. Os

dados serão extraídos do banco de dados e os valores serão traçados em relação ao tempo. Desta forma, o usuário poderá visualizar todos os pontos de temperatura, por exemplo, em um único gráfico.


Nenhuma


2.1.11 Diagrama de Caso de Uso

Sistema de Monitoramento

Usuário

Estabelece Conexão

Visualização Textua

Visualiza Parametros Mensurado

Visualização dos Parametros

Visualização Gráfica

Imprimi Parametros

Gráfico dos Parametro

<<include>>

<<include>>

Figura 2.3: Diagrama de Caso de Uso

2.1.12 Diagrama de Seqüência

Nesta seção será descrito o diagrama de sequência dos casos de uso mais importante do sistema. Desta forma, serão criados os seguintes diagramas de sequência: Visualização dos Parâmetros e Visualiza Parâmetros Mensurados. Estes diagrama em sequência adicionam mais informações ao caso de uso e mostra o usuário envolvido na iteração, os objetos envolvidos no sistema e as operações que estão associadas com estes objetos. A.Visualização dos Parâmetros

O diagrama de sequência para a visulização dos parâmetros mostra todos os passos necessários para que seja realizada a leitura das variáveis de processo envolvidas no sistema.


DisplayGaseificadorControlador SensoresMódulo de Aquisição de Dado

Usuário

8: Valor de Temperatura Mensurado

6: Realiza Leitura

2: Estabelece Conexão

10: Exibe Leitura

4: Leitura do Canal

7: Retorna Leitura

9: Leitura Disponível

5: Mensura o sensor de Temperatura

3: Solicita Monitoramento

1: Solicita Conexão

Figura 2.4: Diagrama de Seqüência para Visualização dos Parâmetros

A figura 2.4 mostra que o usuário estabelece uma conexão com sistema de

monitoramento e depois disso solicita o monitoramento do sistema. Desta forma, os sensores acoplados ao sistema fornecem a leitura da variável de processo ao módulo de aquisição de dados e logo em seguida o valor mensurado é forncedios para o usuário do sistema. B. Visualiza Parâmetros Mensurados

O diagrama de sequência para a visualização dos parâmetros mensurados mostra todos os passos necessários para que seja realizada a visualização de todas as leituras armazenadas no banco de dados.


Usuário

Controlador DisplayValores Mensurados

2: Estabelece Conexão

6: Exibe Valores

4: Procura por Leituras

5: Retorna Leituas

1: Solicita Conexão

3: Solicita Valores

Figura 2.5: Diagrama de Seqüência para a Visualização dos Parâmetros Mensurados

A figura 2.5 mostra o usuário estabelecendo uma conexão e solicitando os valores

mensurados no banco de dados do sistema. Depois disso, os valores são pesquisados no banco de dados e retornados para que possam ser visualizados pelo usuário do sistema.

2.1.13 Conceitos da Interface Gráfica com o Usuário

A interface gráfica com o usário possibilita a manipulação e visualização das variáveis de processo do sistema. Desta forma, haverá uma interação entre o usuário do sistema e o computador responsável pelo monitoramento do processo. Esta seção descreve os conceitos de operação, elementos da interface com o usuário, estrutura e projetos das janelas. A.Conceitos de Operação

O objetivo principal desta interface gráfica com o usuário é fornecer uma visualização e entrada de parâmetros para o cálculo do rendimento da máquina. Deste modo, o usuário será capaz de extrair os dados mensurados pelos sensores de um banco de dados. A visualização dos parâmetros mensurados pelos sensores inicia a partir da entrada


de carvão vegetal no sistema. Depois disso, o usuário terá que definir um intervalo de amostragem dos dados para que seja utilizado como base do cálculo de rendimento da máquina.

Após o usuário ter fornecido a carga de carvão vegetal utilizado pelo sistema e o intervalo de amostragem dos dados, inicia-se o processo de coleta e armazenamento de dados do sistema. Haverá uma interface gráfica com usuário responsável pela visualização de tais dados. B. Elementos da Interface com Usuário Os elementos que serão utilizados para a interface gráfica com o usuário são os seguintes:

Button

⇒ Serão utilizados “Push Button” para selecionar o início e parada do sistema, assim como os dados armazenados no banco de dados.

⇒ Serão utilizados “Edit” para a aquisição da quantidade de carvão vegetal utilizado no sistema e para adquirir os dados armazenados no banco de dados.

100 ºC

0 ºC ⇒ Serão utilizados “Trackbar” para visualizar a leitura do sensor. A escala de cada “Trackbar” será ajustada conforme o intervalo de operação do sensor.

⇒ Serão utilizados “Grid” para a visualização dos dados mensurados pelos sensores. Desta forma, o usuário do sistema poderá verificar de forma mais concisa as variáveis de processo do sistema.

⇒ Serão utilizados “Progress Bar” para visualizar a leitura do sensor. A escala de cada “Progress Bar” será ajustada conforme o intervalo de operação do sensor.


C. Estrutura e Projeto de Janelas

Será descrito nesta seção as estrutras e projetos das jenaleas responsáveis pela interação com o usuário. As janelas estão divididas basicamente em três partes: Janela para monitoramento das variáveis de processo, janela para a visualição gráfica do processo e a janela responável pela visualização dos dados armazenados no banco de dados. C.1 Janela para Monitoramento das variáveis de processo

Sistema de Monitoramento Remoto de um Gasogênio à Carvão Vegetal

Iniciar Parar

Voltar

Carvão Vegetal Parâmetros ElétricosCarga [Kg]

V1:V2:

V3:

I1:I2:I3:

[V]

[V]

[V]

[I]

[I]

[I]

Parâmetros Físicos (I)

Intervalo de Tempo

Tempo [Amostra/s]

P1:P2:P3:

P4:P5:P6:

[psi]

[psi]

[psi]

[psi]

[psi]

[psi]

Parâmetros Físicos (II)

Gasogênio

T1: [ºC]

T2: [ºC]

T3: [ºC]

T4: [ºC]

T5: [ºC]

T6: [ºC]

Identificação

Indentificação do Teste:

Operador: Combustível:

Consumo EspecíficoConsumo: [Kg/Kwh]

10/05/2004 18:55:23

Figura 2.6: Monitoramento das variáveis de processo


C.2 Janela para a visualização gráfica simplificada do processo

Visualização Gráfica Simplificada do Processo

Gaseificador CicloneResfriador de

ConvecçãoNatural

Ventoinha dePartida do

GaseificadorMotor Gerador

P2 T1 P3 T2

P5 T4

P1 P4

T3V1 V2 V3

I1 I2 I3

Filtro dePano

T5 T6 P6

Voltar

Figura 2.7: Visualização gráfica simplificada do processo


C.3 Janela para a visualização dos dados armazenados no banco de dados

Visualização dos dados

Temperatura (ºC)Pressão (Atm)Corrente (I)Tensão (V)

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Gráficos

Figura 2.8: Visualização dos dados

C.4 Janela para a visualização gráfica dos dados armazenados no banco de dados

Figura 2.9: Visualização Gráfica dos Dados


2.2 Modelo do Sistema de Hardware

Nesta seção será descrito o sistema de hardware responsável pela aquisição dos sinais dos sensores. Como mencionado no documento a respeito da análise de requisito do sistema, foi adquirido uma placa de aquisição de dados e controle da Advantech. Deste modo, será desenvolvido neste projeto somente os circuitos de interface entre os sensores e a placa de aquisição de dados.

2.2.1 Diagrama em Blocos

AdvantechPlaca PCI 1710HG

Módulo de Aquisição deDados PLCD-8710

Sensor deTensão

Sensor deCorrente

Sensor deTemperatura

Sensor dePressão

Sensor deUmidade

Gaseificador à Carvão Vegetal

Circuito deCondicionamento

do ST


do SC


do STemp


do SP


do SU

Figura 2.10: Diagrama em blocos do sistema de hardware


2.2.2 Descrição dos Blocos

Nesta seção será descrito em detalhes a funcionalidade de cada bloco descrito na figura 2.10.

2.2.3 Bloco <Placa PCI 1710HG>

A placa PCI 1710HG é responsável pela comunicação entre o módulo de aquisição de dados e o PC desktop. Esta placa é caracterizada por um projeto de circuito único e funções completas para aquisição de dados e controle, incluindo conversões A/D, conversões D/A, entrada digital, saída digital, contador e relógio. A Advantech PCI 1710HG fornece ao usuário as funções de controle e medidas mais solicitadas para o desenvolvimento de software de controle e monitoramento. A figura 2.11 apresenta a placa PCI 1710HG.

Figura 2.11: PCI 1710-HG

2.2.4 Bloco <Módulo de Aquisição de Dados PLCD-8710>

Este módulo de aquisição de dados PLCD-8710 é responsável pela comunicação entre os circuitos de condicionamento de sinais e a placa PCI 1710HG. Portanto, todos os sensores serão conectados a este módulo através de seus circuitos de interface. Este módulo consiste de 68 pinos incluindo entrada e saída analógica, entrada e saída digital, pinos de alimentação de +5V e +12V, pinos de referência para as entradas e saídas analógica e digital e entrada e saída do contador.

Este módulo de aquisição de dados será acoplado no gasogênio para possibilitar a conexão dos sensores responsáveis pela medição das variáveis de processo. A figura 2.12 apresenta o módulo utilizado no projeto.


Figura 2.12: Módulo de Aquisição de Dados PLCD-8710

2.2.5 Bloco <Circuito de Condicionamento do Sensor de Tensão>

Será desenvolvido um circuito de condicionamento do sinal de tensão. Desta forma, o sinal produzido pelo sensor de tensão será amplificado para obter uma entrada de até 5,0 V no canal do conversor AD. Será utilizado no projeto o seguinte sensor de tensão:

Tabela 2.1: Características elétricas do sensor de tensão

Descrição Corrente nominal

no primário

Corrente no

primário

Corrente nominal no secundário

Taxa de Conversão

Tensão de Alimentação

Tensão no primário

LV 25-P 10 mA 0 .. ±14 mA

25 mA 2500 : 1000 ± 12 .. 15 V 10 .. 500V

Para a realização desta medida de tensão, uma corrente proporcional a tensão

mensurada pelo sensor deve passar através de um resistor externo instalado em série com o circuito primário do sensor. Como exemplo de aplicação, será calculado o valor do resistor R1 de forma a mensurar uma tensão de 220V no primário do sensor. A figura 2.13 mostra o diagrama de conexão do sensor de tensão.


LV 25-P

+HT

-HT

+

-

M

R1

+HT

-HT

+

-

0 VRm

Figura 2.13: Diagrama de conexão do sensor de tensão

Como mencionado na tabela 2.1, a corrente nominal do primário deve corresponder

a 10 mA. Desta forma, podemos calcular o valor do resistor R1 utilizando a corrente nominal do primário ou um valor que esteja dentro do intervalo da corrente de primário.

Ω=∴=

Ω=∴=

−

−

KRx

R

KRx

R

44105

220

221010

220

131

131

É importante lembrar que devemos levar em consideração a resistência do

enrolamento do primário (o qual deve ser muito menor que a resistência R1) e a isolação.

2.2.6 Bloco < Circuito de Condicionamento do Sensor de Corrente>

Será desenvolvido um circuito de condicionamento do sinal de corrente. Desta forma, o sinal produzido pelo sensor de corrente será amplificado para obter uma entrada de até 5,0 V no canal do conversor AD. Será utilizado no projeto o seguinte sensor de corrente:

Tabela 2.2: Características elétricas do sensor de corrente

Descrição Corrente nominal no primário

Corrente no primário

Corrente nominal no secundário

Taxa de Conversão

Tensão de Alimentação

LA 25-NP 25A 0 .. ±36 A 25 mA 1-2-3-4-5 : 1000

± 15 V


Conforme citado na tabela 2.2, podemos observar que este sensor de corrente possui 5 taxas de conversão distintas. Portanto, dependendo da conexão dos pinos de 1 a 10 do sensor serão selecionadas as taxas de conversão. A figura 2.14 mostra o diagrama de conexão do sensor de corrente.

LA 25-NP

1 - 5

6 - 10

+

-

M

+

-

0 VRm

in

out

Figura 2.14: Diagrama de conexão do sensor de corrente

É importante lembrar que a corrente no secundário será positiva caso a corrente do

primário flua dos terminais 1,2,3,4,5 para os terminais 10, 9, 8, 7, 6.

2.2.7 Bloco < Circuito de Condicionamento do Sensor de Temperatura>

Será desenvolvido um circuito de condicionamento do sinal de temperatura. O kit da Advantech acompanha um módulo de aquisição de dados conforme mencionado na seção 2.2.4 que possibilita a conexão dos sensores. Neste sentido, este módulo possui a compensação de junção fria (CJC – Compensantion Junction Cold) com o propósito de fornecer um sinal linear para o usuário. Desta forma, teremos a preocupação de projetar somente o circuito de condicionamento de sinal. A figura 2.15 apresenta o modelo de circuito do Termopar.

Tm

Tr

Tc

Vs

Vm

Figura 2.15: Modelo de circuito do termopar


Conforme mostrado na figura 2.15, o módulo de aquisição de dados PLCD-8710 irá

produir uma tensão de compensaçã o TC de forma a anular a tensão de referência TR. Desta forma, a tensão de saída do termopar será igual a tensão VM produzido na junção metálica do termpar. Será utilizado neste projeto o Termopar de isolação mineral tipo K, a tabela 2.3 descreve as características do sensor.

Tabela 2.3: Tabela de Referência da N.I.S.T1

Código ANSI Material Código de Cor Intervalo de operação

Sensitividade Média

K Cromo-Alumínio

Amarelo – Vermelho

-200ºC a 1250ºC 40.6µV/ºC

2.2.8 Bloco < Circuito de Interface do Sensor de Umidade>

Será utilizado um sensor de umidade com o propósito de se obter a umidade relativa do ambiente na qual o equipamento será instalado. O sensor de umidade é consituído basicamente de um dielétrico sensível a variações de umidade no ambiente. Desta maneira, seu princípio de funcionamento é baseado no capacitor, isto significa que haverá variações na capacitância que poderam ser mensuradas eletricamente. A tabela 2.4 apresenta as características elétricas do sensor de umidade que será utilizado no projeto.

Tabela 2.4: Características elétricas do sensor de umidade relativa

Descrição Umidade Relativa

Saída Temperatura Saída Alimentação

TW/UR 95MP

5 a 95% 4 a 20 mA -20 a +70ºC 4 a 20 mA 12 a 40 Vdc

A umidade relativa do ar é representada pela razão entre a pressão de ar instântanea

e a pressão do vapor de saturação da água. A resposta do sensor de umidade é aproximadamente linear. No entanto, quando se trabalha com amplas faixas de temperatura necessita-se utlizar uma técnica de linearização ou via software ou via circuito de condicionamento de sinal.

Utilizando o método de linearização via software, podemos encontrar a umidade relativa do ar através da equação 2.1:

1 N.I.S.T – National Institute of Standard and Technology


)16.0)(%0062.0( += RHVV SUPPLYOUT

Equação 2.1: Relação entre %RH do sensor e saída

Desta maneira, precisamos conhecer a tensão aplicada e de saída do sensor de

umidade. Além disso,será necessário corrigir o valor da umidade relativa calculado com a equação 2.1 com o propósito de se obter o verdadeiro valor. A equação 2.2 apresenta o valor de umidade relativa corrigido.

)00216.0053.1/()(% TRHRHVerdadeiro −=

Equação 2.2: Valor corrigido de %RH

2.2.9 Bloco < Circuito de Interface do Sensor de Pressão>

Serão utilizados sensores de pressão com o propósito de analisar a perda de carga do sistema. Todos os sensores de pressão são mensurados diferencialmente. Existem basicamente 3 (três) tipos de sensores de pressão: pressão absoluta, pressão gage e pressão diferencial. Neste projeto, serão utilizados os sensores de pressão diferencial. Os sensores de pressão diferencial mensuram a diferença de pressão entre dois pontos independentes do sistema. A tabela 2.5 apresenta as características elétricas do sensor de pressão utilizado no projeto.

Tabela 2.5: Características elétricas do sensor de pressão

Descrição Escala Saída Alimentação Transmissor de pressão TWPI

0 à 25 bar 4 à 20 [mA] 15 à 36 [Vcc]

Desta forma, será desenvolvido um circuito de condicionamento de sinal de acordo

com as características elétrica do sensor. Conforme mostra a tabela 2.4, temos uma pressão de entrada que varia de 0 à 25 bar, deste modo o sinal de saída do sensor deverá ser condicionado com o propósito de obtermos uma escala de 0 à 5 [V] na entrada do canal do conversor AD.

Será desenvolvido uma linearização via software dos valores obtidos pelo sensor. A equação de interface analógica é calculado de acordo com a sensibilidade do sistema e pode ser escrita da seguinte forma:


inPV

m∆∆

= 0

Equação 2.3: Sensibilidade do sistema

Sendo assim, podemos também considerar, caso exista, a tensão de offset do sensor.

O termo offset representa o valor de tensão quando não há diferença de pressão entre dois pontos do sistema. Desta maneira, a equação 2.4 pode ser escrita em termos de tensão da seguinte forma:

bPmV in +∆×=0

Equação 2.4: Tensão de saída do sensor

Deste modo, podemos utilizar a equação 2.4 para linearizar os valores obtidos pelo

sensor de pressão.

2.2.10 Bloco <Gaseificador à Carvão Vegetal>

O gaseificador à carvão vegetal representa o sistema que será monitorado. Deste modo, como descrito nas seções anteriores, haverá uma certa quantidade de sensores acoplados ao sistema com o propósito de se monitorar as variáveis de processo. O sistema de gaseificação deve ser visto como um sistema composto da unidade de gaseificação, sistema de purificação, resfriamento e o sistema de conversão de energia. Desda maneira, será monitorado cada um desses sistemas com o propósito de se obter o desempenho da máquina.


3. Arquitetura do Sistema 3.1 Condições do Ambiente

Este projeto tem como finalidade o desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados para um gaseificador de leito fixo a carvão vegetal utilizado como acionamento do motor de combustão interna, visando a geração de força motriz, com potência no eixo do motor na faixa de 5 a 15 Hp. Desta maneira, será descrito neste documento o projeto do sistema de hardware, como por exemplo, os circuitos de condicionamento de sinal e de interface e o projeto do sistema de software com os diagramas de classe e de componente. 3.1.1 Hardware

A placa 1710HG é um sistema de aquisição de dados multifuncional para o barramento PCI. Esta placa fornece as 5 (cinco) mais importantes funções de medida e controle, tais como: conversão A/D de 12 bits, conversão D/A, entrada digital, saída digital e relógio/contador. Além disso, existe um buffer implementado com o método FIFO que permite armazenar até 4K de amostragem do conversor A/D. A figura 3.1 amostra o diagrama em blocos da placa.

Figura 3.1: Diagrama em Blocos


A placa PCI 1710HG da Advantech é composta basicamente dos seguintes elementos:

• Possui 16 (dezesseis) entradas analógicas e 8 (oitos) diferencias; • Um conversor A/D de 12 bits, com até 100 KHz de taxa de amostragem; • Ganho programável para cada canal de entrada; • Buffer baseado no método FIFO com possibilidade de armazenamento de até 4K de amostragem; • Possui dois canais de saída analógica de 12 (doze) bits; • Possui 16 (dezesseis) entradas digitais e 16 (dezesseis) saídas digitais; • Contador programável.

3.1.2 Software

Como descrito no documento referente aos requisitos do usuário, a placa da Advantech PCI-1710HG já acompanha todos os drivers para o manuseio dos componentes de hardware. O ActiveDAQ é uma coleção de controles ActiveX para realizar operações de I/O. Nesta seção será descrito cada tipo de controle e suas propriedades, métodos e eventos mais usuais. • DAQDevice: Abre uma caixa de diálogo para o usuário com o propósito de selecionar

qual dispositivo deve ser operado. • DAQAI: Realiza operações de entradas analógicas simples ou medidas de

temperatura. • DAQAO: Realiza operações de saída analógica. • DAQDI: Realiza operações de entrada digital. • DAQDO: Realiza operações de saída digital. • DAQCounter: Realiza operações de contagem de eventos e freqüência. • DAQPulse: Realiza saída de pulsos. • DAQAlarm: Realiza configurações de alarme e checagem de alarme.

Cada controle do ActiveDAQ contém propriedades, métodos e eventos baseados no

tipo de operação e na capacidade dos dispositivos de I/O que apóiam o ActiveDAQ.Algumas das propriedades e métodos para cada controle são comuns para todos os controle da ActiveDAQ, como por exemplo DeviceNumber, DeviceName, OpenDevice, CloseDevice, ErrorCode e ErrorMessage. Outras propriedades são específicas ao controle e o tipo de operação que suporta.


Desta forma, será discutido um exemplo envolvendo algumas propriedades, eventos e métodos para realizar uma leitura de tensão pelo canal do conversor A/D. A figura 3.2 apresenta um formulário com todos os campos, labels e botões que serão utilizados neste exemplo. Sendo assim, serão implementados os métodos responsáveis pela seleção do dispositivo e pela leitura de tensão no canal do conversor A/D. É importante observar que os nomes dos componentes, assim como os comentários inseridos no código foram escritos na língua inglesa, pelo fato de que a linguagem de programação ser escrito em inglês.

Figura 3.2: Formulário de exemplo de uso do ActiveDAQ

O código abaixo descreve o método referente à seleção do dispositivo de hardware

instalado no PC desktop. Pode ser observado no código abaixo que o dispositivo de hardware é selecionado através do método SelectDevice. Deste modo, toda a aplicação que for desenvolvida deve ser iniciada com a escolha do dispositivo.

void __fastcall TForm1::SelectDeviceClick(TObject *Sender)

//Select the desired device

DAQDevice1->SelectDevice();

//The result is shown in the form edit

txtDeviceName->Text = DAQDevice1->DeviceName;

O código abaixo descreve o método referente à leitura de tensão no canal do conversor A/D. É importante observar o método no qual a leitura é efetuada. O controle de entrada analógica fornece dois métodos para executar leituras no canal, são eles: RawInput


e RealInput. O método RawInput retorna um valor binário e o RealInput retorna um valor de tensão. Ambos precisam como parâmetro o canal do conversor A/D.

void __fastcall TForm1::ReadClick(TObject *Sender)

//Set the DAQAI1 according to the selected device number

DAQAI1->DeviceNumber = DAQDevice1->DeviceNumber;

//It initializes the device according to the device number

DAQAI1->OpenDevice();

//It reads the analog input from the channel 0

txtAIValue->Text = FloatToStr(DAQAI1->RealInput(0));

//It closes the device

DAQAI1->CloseDevice();

3.2 Considerações Teórica

Os sistemas de aquisição de dados baseado em PC e placas plug-in são amplamente utilizados em laboratórios e aplicações industriais com o propósito de mensurar os sinais de tensão fornecidos pelos sensores. No entanto, o sinal fornecido por grande parte dos sensores do mundo real deve ser condicionado antes de ser adquirido pela placa de aquisição de dados. Desta forma, algumas funções de condicionamento de sinais tais como amplificação, filtragem, isolação elétrica e multiplexação tornam-se necessárias para o tratamento do sinal.

Além disso, diversos sensores solicitam uma excitação de corrente ou tensão, linearização ou alta amplificação para uma operação apropriada e precisa. Deste modo, grande parte dos sistemas de aquisição de dados baseado em PC incluem alguma forma de condicionamento de sinal em adição a placa plug-in DAQ e o computador pessoal [7]. A figura 3.3 ilustra um sistema de aquisição de dados baseado em PC com condicionamento de sinal.


Placa deAquisição de

Sinais


de SinaisSensores

- 1, 5

- 1

- 0 , 5

0

0 , 5

1

1, 5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Figura 3.3: SAD baseado em PC com condicionamento de sinais

Serão descritos nas próximas seções o princípio de funcionamento dos sensores que

serão utilizados no projeto, os sistemas de condicionamento de sinais para sistemas de aquisição de dados baseado em PC, assim como uma descrição mais detalhada sobre os elementos que compõem o sistema de gaseificação.

3.2.1 Referências Bibliográficas

Nesta seção será descrito com mais detalhes o gaseificador a carvão vegetal utilizado neste projeto. Sendo assim, podem ser especificados detalhadamente os processos e fluxo de material do sistema, assim como, a análise do desempenho do equipamento. Além disso, será dada uma abordagem teórica sobre sensores e as técnicas de condicionamento de sinal.

3.2.2 Gaseificador de leito fixo a carvão vegetal [9] A. Introdução

Como mencionado anteriormente, a gaseificação deve ser vista como um sistema composto de unidade de gaseificação, sistema de purificação, resfriamento e sistema conversor de energia final. Além da unidade de gaseificação, o sistema de purificação é necessário por que o gás gerado no processo de gaseificação tem impurezas (cinza e pó de carvão) que devem ser retirados em um circuito de limpeza adequado, de forma a proteger o motor sem diminuir seu desempenho. Os gases submetidos ao tratamento de limpeza devem, por sua vez, ser resfriados (para não produzir baixa excessiva de potência no motor). Finalmente, pode-se converter a energia produzida pelo gás em energia mecânica através do motor de combustão interna. B. Descrição detalhada do fluxo de material e processos

O processo de gaseificação é conduzido em um reator (gaseificador) onde gases combustíveis são formandos pela queima de biomassa sólida com suprimento restrito de ar (ilustrado na figura 3.4). Desta forma, o processo pode ser decomposto da seguinte forma:


Figura 3.4: Diagrama Esquemático de um gaseificador

• Zona de Combustão: As reações em alta temperatura entre o oxigênio do ar e o

combustível sólido ocorrem nesta região, formando dióxido de carbono e vapor d’água. Desta maneira, as seguintes reações são produzidas:

C + O2 → CO2 + calor Reações exotérmicas

2H2 + O2 → 2H2O + calor

Equação 3.1: Reações na zona de combustão

• Zona de Pirólise: Nesta região parte do calor produzido pelas reações, ocorridas na

zona de combustão, provocará a pirólise da biomassa (decomposição térmica) produzindo vapor d’água, metanol e alcatrão.

• Zona de Secagem: Parte do calor irá evaporar a água de umidade do combustível. • Zona de Redução: Quando o dióxido de carbono e vapor d’água vindos da zona de

combustão passarem sobre essa região (camada de carvão quente), serão reduzidos a monóxido de carbono e hidrogênio. Desta forma, serão produzidas as seguintes reações:

C + CO2 → 2CO Reações endotérmicas

C + H2O → H2 + CO

Equação 3.2: Reações na zona de redução


É importante observar que além destas reações outras podem tomar lugar na zona de redução: C + H2 → CH4

CO + 3H2 → CH4 + H2O C + 2H2O → CO2 + 2H2 CO + H2O → CO2 + H2

Equação 3.3: Reações adicionais na zona de redução

Esta zona de redução fica logo abaixo da zona de combustão o que força os

alcatrões produzidos na zona de pirólise passar através da zona quente de combustão, assim os alcatrões são queimados ou convertidos em hidrocarbonetos leves antes de deixar o gaseificador. O sistema de limpeza para o recolhimento do pó arrastado pelos gases é constituído de ciclones (para separação do pó de maior ganulometria) e filtros (para reter o pó de granulometria mais fina). É importante lembrar que os gases produzidos no gaseificador se constituem basicamente de uma mistura de gases : CO2 , CO, O2, H2, CH4, N2, H2O e CXHX.

Após a passagem pelo ciclone, o gás precisa ser resfriado antes de ser encaminhado ao filtro de pano, evitando assim a danificação do pano de algodão (a danificação ocorre em temperaturas maiores que 100° C). Em contrapartida, deve-se evitar que o gás seja muito resfriado podendo assim atingir o ponto de orvalho resultando em condensação, o que dificulta o processo de filtragem (o ponto de orvalho ocorre em temperaturas de 32° a 35°C). Portanto, o processo de filtragem precisa estar entre 50° e 80°C.

O motor só pode ser acionado após o gaseificador apresentar condições de fornecer o gás necessário (após 15 minutos de operação). Deste modo, a ventoinha servirá então, como um sistema alternativo de alimentação do ar de gaseificação até que o motor seja colocado em funcionamento. C. Análise do Desempenho do Equipamento

Para a avaliação do modelo do gasogênio, os principais fatores a serem analisados são os seguintes: qualidade do gás gerado, comportamento de carga e desempenho dos componentes da parte interna do gaseificador. Desta maneira, será descrito detalhadamente nesta seção cada um destes elementos. I. Qualidade do gás gerado: Quanto à qualidade do gás a ausência de alcatrões, pó e

composição química torna-se necessário. No modelo do gaseificador pretendido, o pó arrastado pelo gás é recolhido depois da saída do gaseificador através dos equipamentos de limpeza (ciclones e filtros). Os alcatrões que são extremamente prejudiciais aos


motores são eliminados no interior do próprio gaseificador (na região de redução como descrito na seção B).

II. Comportamento da Carga: Para o comportamento da carga é preciso analisar a permeabilidade de carga, tendência a engaiolamento e formação de escórias. Nesta avaliação o parâmetro mais importante é a granulometria da carga (neste caso o carvão vegetal). Se a granulometria é muito fina ocorre resistência da carga à passagem do gás prejudicando o processo de gasificação. Por outro lado, se a granulometria é elevada (com carga composta de pedaços de carvão vegetal) ocorre formação de espaços vazios no interior da carga o que também prejudica as reações gás-sólido.

Além disso, existe a tendência ao engaiolamento (partículas de carvão vegetal que se acomodam no interior do gaseificador impedindo o fluxo do material). O desempenho operacional do gaseificador mostra-se mais favorável quando operado com carga de carvão vegetal com granulomtria na faixa de 10 a 30 mm (granulometria elevada).

III. Desempenho dos Componentes da Parte Interna do Gaseificador: No acompanhamento

sistemático realizado por [3] verificou-se um ótimo estado das peças em concreto refratário, mostrando assim que o tipo de concreto especificado par a construção atende perfeitamente às condições térmicas e químicas presentes durante o processo. No protótipo atual utilizou-se grelha móvel, pelo fato de não haver a necessidade de se movimentar a grelha durante a operação, mas depois de cada dia de operação a grelha precisa ser movimentada para: remover uma quantidade suficiente do material que se acumulou sobre a mesma (pedaços finos de carvão e aglomerados de escória), uma retirada de cerca de 4 Kg resulta em um bom desempenho do gaseificador; e para promover uma acomodação do leito de carvão evitado assim regiões de “vazios” (logo abaixo do bico de injeção de ar).

3.2.3 Sensores

Sensores são dispositivos que tem por finalidade converter uma variável de processo físico, como por exemplo, temperatura, pressão, umidade, luz e assim por diante, em uma outra forma adequada para processamento. A maioria dos sensores converte fenômenos físicos em grandezas elétricas, como por exemplo, tensão ou corrente. As características dos sensores definem muitos requisitos do condicionamento de sinais de um sistema de aquisição de dados. A tabela 3.1 apresenta um resumo das características elétricas e requisitos de condicionamento dos sensores mais utilizados no projeto [7].


Tabela 3.1: Características elétricas e requisitos de CS dos transdutores

Sensor Características elétricas Requisitos de condicionamento de sinal

Termopar Saída de tensão baixa Sensibilidade baixa

Saída não-linear

Sensor de temperatura de referência (para

compensação de junção fria) Amplificação elevada

Linearização Dispositivo de saída de

corrente Saída em uma malha de corrente (4-20mA típico)

Resistor de precisão

3.2.3 Sistema de Condicionamento de Sinal

Como mencionado na seção 3.2 no item referente às considerações teóricas, temos basicamente 4 funções de condicionamento de sinais, são elas: amplificação, filtragem, isolação elétrica e multiplexação tornando-se em muitos casos necessárias para o tratamento do sinal. Deste modo, descreveremos nesta seção somente as funções que serão utilizadas no projeto, neste caso, as funções de amplificação e isolação elétrica. A. Amplificação

A amplificação de sinais torna-se necessário pelo fato de que a maioria dos sensores fornece na saída um sinal relativamente baixo, na ordem de mV ou µC. Deste modo, a amplificação do sinal pode ser feita próxima à fonte do sinal ou da placa de aquisição de sinais. Quando se amplifica o sinal próximo à fonte, podemos melhorar a medição e efetivamente reduzir os efeitos de ruído, tornando a leitura do sinal mais confiável. No entanto, se a amplificação for realizada próxima à placa de aquisição de sinais, haverá sérios problemas pelo fato de estarmos amplificando o ruído.

Como exemplo ilustrativo, podemos considerar o sensor de temperatura que utilizamos neste projeto. Se considerarmos que a fonte do sinal está distante 10m da placa de aquisição de dados e se as várias fonte de ruído no ambiente acoplam 200 µV ao sinal, podemos facilmente verificar o efeito que será produzido na leitura. Sabendo que o termopar tipo k possui uma média de sensibilidade de aproximadamente 40 µV/ºC, portanto obteremos uma leitura de temperatura do ruído de aproximadamente 4ºC.

Por outro lado, se amplificarmos o sinal próximo ao termopar com um ganho de 200, teremos um sinal do termopar que varia aproximadamente 8 mV/ºC. Portanto, o sinal viajando a mesma distância e o ruído presente no ambiente de aproximadamente 200 µV,


teremos apenas uma fração de um grau celsius do ruído na leitura de temperatura, resultando assim um efeito muito menor. B. Isolação Elétrica

Aterramento impróprio do sistema de aquisição de sinais é a causa mais comum de problemas envolvendo medição e danificação das placas de aquisição de dados [2]. Condicionamento de sinal isolado pode prevenir a maioria destes problemas através da passagem do sinal a partir da sua fonte até o dispositivo de medida, sem uma conexão física ou galvânica. Métodos comuns de isolação de circuitos incluem o uso de isoladores magnéticos, ópticos ou capacitivos.

Quando conectamos a referência do sensor ou de um outro equipamento a placa de aquisição de dados, veremos uma diferença de potencial na referência de ambas as entradas da placa de aquisição de dados e esta tensão é conhecida como tensão em modo comum [7]. Isoladores também fornecem uma função de segurança importante através da proteção contra surtos de alta tensão a partir de fontes como a rede de tensão, equipamentos de alta-tensão e etc. Quando estivermos trabalhando com estas tensões elevadas, condicionadores de sinal isolado produzem uma efetiva barreira entre o sistema de aquisição de dados e estes surtos de tensão.

3.2.4 Fórmulas e Derivações

O consumo específico do gaseificador de pequena potência a carvão vegetal, acionando motores de combustão interna situa-se na faixa de 1,0 a 1,5 Kg de carvão/KWh. Considerando-se para o poder calorífico do carvão vegetal um valor da ordem de 30 MJ/Kg temos: I. Cálculo da eficiência energética global (ηg) para 1,0 Kg de carvão/KWh

100×=GERADA

UTIL

EE

η

Equação 3.4: Eficiência energética global

Energia útil = Energia gerada = 1KWh = 3,6 MJ Energia de entrada = 1,0 Kg de carvão * 30,0 MJ/Kg de carvão = 30,0 MJ

%1210030

6,3=×=η

Equação 3.5: Eficiência energética correspondente a 1 Kg de carvão


II. Cálculo da eficiência energética global (ηg) para 1,5 Kg de carvão/KWh Energia útil = Energia gerada = 1KWh = 3.6 MJ Energia de entrada = 1,5 Kg de carvão * 30,0 MJ/Kg de carvão = 45,0 MJ

%810045

6,3=×=gη

Equação 3.6: Eficiência energética correspondente a 1,5 Kg de carvão

Estes valores nos mostram que o gaseificador a carvão vegetal com consumos específicos na faixa de 1,0 a 1,5 Kg de carvão/KWh apresentam eficiência energética global na faixa de 8,0 a 12,0%.

3.3 Decisões de Projeto

O sistema a ser projetado será decomposto de acordo com a arquitetura de 3 (três) camadas no método top-down. A primeira camada consiste da interface com o usuário, a segunda dos módulos funcionais que processam os dados e a terceira do sistema de gerenciamento de banco de dados que armazenam os dados solicitados pela segunda camada. A decisão para usar a arquitetura de 3 camadas foi feita de acordo com as seguintes razões: • É possível uma separação bem definida entre o controle de interface com o usuário e a

lógica da aplicação a partir da apresentação dos dados. Isto possibilita a mudança da interface com o usuário e a lógica da aplicação do sistema, independente de cada outra, assim como as interfaces entre as duas camadas não mudam. Se a interface com o usuário ou a lógica da aplicação mudam completamente, somente a interface com relação a outra camada precisam ser alteradas.

• Redefinição da estratégia de armazenamento não influenciará as outras camadas assim

como as mudanças estruturais (como por exemplo os atributos da tabela) dos dados. Caso isto aconteça, a lógica da aplicação e/ou a interface com o usuário precisam ser adaptadas.

3.4 Diagrama de Arquitetura do Projeto

Nesta seção será dado uma visão geral da arquitetura do sistema, assim como as

interfaces existentes entre cada módulo. Conforme já mencionado, o sistema compreende basicamente de um PC desktop, o qual possui uma placa PCI de aquisição de dados e o


software que será responsável pela sistema de monitoramento das variáveis de processo. Sendo assim, os sensores conectados ao sistema monitorado, neste caso o gasogênio, forncerão os dados de processo através dos circuitos de interface. Os circuitos de interface tem a finalidade de excitar os sensores para que sejam efetuadas as leituras, assim como fornece um nível de tensão adequado para o canal do conversor A/D.

PC Desktop 1

Circuito deInterface 1

Circuito deInterface 2

2

3Placa de

Aquisição deDados

Gasogênio6

5

Circuito deInterface 34 7

Figura 3.5: Arquitetura do sistema

Conforme mostrado na figura 3.5, pode ser observado as interfaces entre cada

módulo do sistema. Deste modo, a tabela 3.2 apresenta o tipo de interface entre cada módulo, assim como os tipos de dados que influem de um módulo a outro.

Tabela 3.2: Interfaces do sistema

Nr. Tipo de Interface Fluxo de dados 1 Sinal digital Dados do processo técnico 2 Sinal de tensão de 0 a 5 V Dados dos níveis de tensão e corrente do gerador

e umidade relativa do ambiente 3 Sinal de tensão de 0 a 5 V Dados de pressão referente a perda de carga do

sistema 4 Sinal de tensão de 0 a 5 V Dados de temperatura entre os processos 5 Sinal de tensão de 0 a 5 V e corrente

de 4 a 20mA Sinais de tensão dos sensores de corrente e

tensão conectados ao gerador e sinais de corrente do sensor de umidade

6 Sinal de corrente de 4 a 20 mA Sinais de corrente dos sensores de pressão que estão conectados em 6 (seis) pontos distintos do

sistema 7 Sinal de tensão na ordem de mV Sinais de tensão dos sensores de temperatura que

estão conectados em 6 (seis) pontos distintos


3.4.1 Arquitetura de Hardware

A figura 3.6 apresenta a arquitetura do sistema de hardware. Deste modo, pode ser observado que o projeto do sistema de hardware consiste na elaboração de 3 (três) circuitos de interface com a placa de aquisição de dados da Advantech. No circuito 1 serão conectados os sensores de tensão e corrente em cada fase do gerador elétrico acoplado ao gasogênio. No circuito 2 (dois) e 3 (três) os sensores de pressão e temperatura respectivamente estarão conectados em 6 (seis) pontos distintos do gaseificador.

Circuito 1

Circuito 2

Circuito 3

Sensores:- Tensão na Fase A- Tensão na Fase B- Tensão na Fase C- Corrente na Fase A- Corrente na Fase B- Corrente na Fase C

Sensores:- Pressão no Ponto 1- Pressão no Ponto 2- Pressão no Ponto 3- Pressão no Ponto 4- Pressão no Ponto 5- Pressão no Ponto 6- Sensor de Umidade

Sensores:- Temperatura no Ponto 1- Temperatura no Ponto 2- Temperatura no Ponto 3- Temperatura no Ponto 4- Temperatura no Ponto 5- Temperatura no Ponto 6

Placa deAquisição deDados PCI-

1710HG

Figura 3.6: Arquitetura do Sistema de Hardware

É importante ressaltar a decisão de divisão dos circuitos de interface. Com o

propósito de avaliar o desempenho do sistema de gaseificação, torna-se necessário o monitoramento do gerador conectado ao gaseificador. Deste modo, será elaborado um circuito de interface somente para os sensores de tensão e corrente, pelo fato de tais sensores estarem próximos da fonte (neste caso o gerador).

Com o intuito de monitorar os processos e o fluxo de material do sistema, torna-se necessário o monitoramento das variáveis de pressão e temperatura. Os sensores de pressão e temperatura estão conectados nos mesmos pontos do sistema. Porém, os sensores de temperatura requerem um circuito adicional para o condicionamento do sinal. Deste modo,


será desenvolvido um circuito para a interface dos sensores de pressão e um circuito para a interface dos sensores de temperatura. A. Sensor de Tensão

Serão utilizados 3 (três) sensores de tensão acoplados ao gasogênio. Desta forma, será monitorado o sinal de tensão em cada fase do gerador e conseqüentemente a potência fornecida pelo equipamento com a ajuda do sensor de corrente. Conforme descrito no documento referente ao modelo do sistema, o sensor de tensão utilizado no projeto necessita de uma fonte de alimentação de 15 V. Sendo assim, a figura 3.7 apresenta o projeto da fonte de alimentação fornecendo à carga a tensão desejada.

Figura 3.7: Fonte de Alimentação simétrica

Desta maneira, deverão ser calculados os valores dos resistores para que possa

ser mensurada uma tensão de 127 V. Como mencionado no documento referente ao modelo do sistema, a corrente nominal do primário deve corresponder a 10 mA. Desta forma, pode ser calculado o valor do resistor R1 utilizando a corrente nominal do primário e o valor do resistor Rm utilizando a corrente nominal do secundário de 25 mA.

Ω=∴=

Ω=∴=

−

−

20010255

501010

500

3

131

mm Rx

R

KRx

R

De posse dos valores das resistências, o diagrama de ligação do sensor de tensão

pode facilmente ser desenhado com o intuito de fornecer uma visão do sistema. Desta


forma, pode ser verificado na figura 3.8 que o lado do primário do sensor consiste basicamente da alimentação da rede e um resistor em série. Este resistor tem o propósito de fornecer uma corrente proporcional ao sinal de tensão mensurado. No lado do secundário tem-se um resistor de 200Ω com o propósito de fornece uma leitura de 0 a 5 V no canal do conversor A/D. É importante lembrar que este sensor de tensão requer uma alimentação de ±15V conforme mostrado na figura abaixo.

LV 25-P

+HT

-HT

+

-

M

12,7K

200R+

-15V127

Vac

Figura 3.8: Diagrama de ligação do sensor de tensão

B. Sensor de Corrente

Serão utilizados 3 (três) sensores de corrente acoplados ao gasogênio. Deste modo, pode ser verificado na figura 3.9 que o lado do primário do sensor de corrente consiste basicamente da alimentação da rede. No lado do secundário tem-se um resistor de 200Ω com o propósito de fornece uma leitura de 0 a 5 V no canal do conversor A/D. É importante lembrar que este sensor de tensão requer uma alimentação de ±15V conforme mostrado na figura abaixo.

LA 25-NP

1 - 5

6 - 10

+

-

M200R

in

out

15 V+

-

Figura 3.9: Diagrama de ligação do sensor de corrente

C. Sensor de Temperatura

Como descrito na seção 2.2 do documento referente ao modelo do sistema, onde é apresentando o diagrama em blocos do sistema de hardware, temos o termopar como sensor de temperatura representando um elemento com características não-linear. Desta forma, será desenvolvido nesta seção o circuito de condicionamento de sinal (CCS) e o software de


linearização para efetuar leituras de temperatura do sistema. A figura 3.10 ilustra o diagrama em blocos do sistema.

Termpoar tipo KCircuito de

Condicionamento de Sinal

Programa paralinearização

0 ºC 0 0 0 ºCTm

1000 ºC 41,276 mv

Vt

5 V

Vs

1000 ºC Figura 3.10: Diagrama em blocos do sistema para medição de temperatura

Serão descritos nas seções seguintes o projeto do circuito de condicionamento de

sinal, as equações da interface analógica e as equações que deverão ser introduzidas no software. É importante lembrar que todos esses procedimentos de cálculo para o termopar foram baseados na referência [2]. C.1 Projetando o circuito de condicionamento de sinal

O circuito de condicionamento de sinal deve amplificar o sinal VT mostrado na figura 3.10 com o propósito de fornecer a entrada do conversor A/D uma tensão para leitura na faixa de 0 à 5 V. Desta maneira, o nosso circuito terá um ganho de tensão de:

135,1210276,41

05=∴

−−

=∆∆

= GanhoVV

GanhoT

S

Equação 3.7: Ganho do amplificador operacional

Sendo assim, podemos escrever a equação do circuito da seguinte forma:

iS VV ×= 135,121

Equação 3.8: Equação do CCS

Escolhemos um amplificador não inversor, pelo fato de o mesmo não apresentar

defasamento no sinal de saída. Portanto, a equação do ganho em malha fechada do circuito é dado por:

1

1RR

VV

A f

i

Svf +==

Equação 3.9: Ganho de malha fechada do circuito não-inversor


Escolhendo arbitrariamente o valor do resistor R1 = 1 K Ω , podemos calcular o valor do resistor Rf para o ganho dado pela equação 3.11.

Ω=∴=∴=+ KRK

RK

Rf

ff 2,1212,1211

135,1211

1

Equação 3.10: Valor do resistor de realimentação

A figura 3.11 mostra o circuito condicionador de sinais com os resistores

conectados ao amplificador operacional. Pode ser observado nesta figura que existe um potenciômetro em série com o resistor de 1K Ω na entrada inversora. Este potenciômetro foi utilizado para que o ganho do circuito possa ser variado. Isto foi feito pelo fato de haver variações na temperatura ambiente do sistema causando assim variações no ganho do amplificador operacional.

PLCD-8710CJC

PLCD-8710Canal do A/D

PLCD-8710GND

+15V

-15V

Vi

Vs

Termopar tipo K

Figura 3.11: Termopar tipo K conectado ao CCS

C.2 Obtendo as equações de linearização

Nesta seção será descrito todos os procedimentos necessários para a obtenção das equações de linearização. Desta maneira, será construído um gráfico da tensão (Vi) produzida pelo termopar versus a temperatura (Tm), sendo que Tm terá um intervalo de 0 a


1000ºC e o gráfico será dividido em segmentos linear com incrementos de 200ºC. A figura 3.12 ilustra tal gráfico.

Característica do Termopar tipo K

41,276

24,905

8,138

33,275

16,397

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Tm (ºC)

Vt (m

V)

Termopar tipo k 0 8,138 16,397 24,905 33,275 41,276

0 200 400 600 800 100

Figura 3.12: Gráfico característico do termopar tipo k

É importante lembrar que o gráfico da figura 3.12 poderia ter sido dividido em mais

segmentos. Sendo assim, poderíamos aumentar a linearização da curva e obter valores mais precisos para as leituras de temperatura. Em contrapartida, seria aumentada a complexidade do sistema, pelo fato de que haveria mais equações de linearização, ocupando assim um maior espaço de memória e por conseguinte aumentaria o tempo de execução do programa computacional. A tabela 3.3 apresenta os dados para os cálculos da sensibilidade do termopar tipo K dividido em 5 (cinco) segmentos de reta.

Tabela 3.3: Sensibilidade do termopar tipo k dividido em 5 segmentos de reta

Segmento Temperatura em 6

1 e 65

VT (mV) ∆VT (mV) Sensibilidade (µV/ºC)

0 – 200ºC 33ºC 167ºC

1,326 6,821

5,495 41

200 – 400ºC 233ºC 367ºC

9,464 15,007

5,543 41,4

400 – 600ºC 433ºC 567ºC

17,794 23,501

5,707 42,6

600 – 800ºC 633ºC 26,306 5,611 41,9


767ºC 31,917 800 – 1000ºC 833ºC

967ºC 34,623 39,984

5,361 40

É importante observar a construção da tabela 3.3, onde a primeira coluna apresenta

todos os segmentos de reta do gráfico. A segunda coluna foi calculada com base em cada intervalo adotado, sendo que foram tomados 1/6 e 5/6 de cada segmento de reta da primeira coluna. Foi anotado na terceira coluna o valor de VT correspondente a cada temperatura da segunda coluna a partir da tabela do termopar tipo K que descreve a tensão termoelétrica (mV) em função da temperatura (ºC).

A quarta coluna apresenta a diferença ∆VT dos valores obtidos na terceira coluna. Finalmente, a quinta coluna apresenta a sensibilidade de cada segmento linear calculado com base em ∆VT/134ºC, onde o valor 134ºC representa o incremento de temperatura apresentado na segunda coluna. De posse da tabela 3.3, podemos escrever as equações de aproximação linear da interface analógica. Sendo assim, temos: 1º) Para 0ºC ≤ Tm < 200ºC

mVTCVV

CV

CTmVV

adeSensibilid mTM

T 027,0º

41º

41º33

326,1−

=∴=

−−

=µµ

Equação 3.11: Aproximação linear do primeiro segmento

2º) Para 200ºC ≤ Tm < 400ºC

mVTCV

VCV

CTmVV

adeSensibilid mTM

T 1822,0º

4,41º

4,41º233

464,9−

=∴=

−−

=µµ

Equação 3.12: Aproximação linear do segundo segmento


mVTCVV

CV

CTmVV

adeSensibilid mTM

T 6518,0º

6,42º

6,42º433

794,17−

=∴=

−−

=µµ

Equação 3.13: Aproximação linear do terceiro segmento



mVTCV

VCV

CTmVV

adeSensibilid mTM

T 2167,0º

9,41º

9,41º633

306,26−

=∴=

−−

=µµ

Equação 3.14: Aproximação linear do quarto segmento

5º) Para 800ºC ≤ Tm < 1000ºC

mVTCVV

CV

CTmVV

adeSensibilid mTM

T 623,2º

40º

40º800

623,34+

=∴=

−−

=µµ

Equação 3.15: Aproximação linear do quinto segmento

Deste modo, podem ser encontradas as equações de interface analógica

multiplicando as equações 3.12 a 3.16 pelo ganho de 121,2 do circuito de condicionamento de sinal. A tabela 3.4 apresenta as equações de interface analógica com os respectivos intervalos de temperatura e tensão fornecidos pelo circuito.

Tabela 3.4: Equação linear de interface analógica

Intervalo de operação Equação de aproximação de interface analógica Tm (ºC) V0 (V)

mVTC

mVV m 272,3º

969,40 −

=

0 – 200 0 – 0,986

mVTC

mVV m 082,22º

017,50 −

=

200 – 400 0,986 – 1,987

mVTC

mVV m 998,78º

163,50 −

=

400 – 600 1,987 – 3,018

mVTC

mVV m 264,26º

078,50 −

=

600 – 800 3,018 – 4,032

mVTC

mVV m 907,317º

848,40 +

=

800 – 1000 4,032 – 5,00

Sendo assim, as equações de programação para cada segmento podem ser

encontradas resolvendo as equações de interface analógica em função de Tm. De posse das equações de programação, o algoritmo responsável pela linearização dos dados de temperatura do termopar pode facilmente ser implementado usando uma linguagem de programação. A tabela 3.4 apresenta as equações para a escrita do programa de linearização para a interface analógica do termo par tipo K.


Tabela 3.5: Equações para o software de linearização

V0 (V) Tm (ºC) Segmento 0 – 0,986

CmV

mVVTm

º969,4

272,30 +=

0 – 200 ºC

0,986 – 1,987

CmV

mVVTm

º017,5

082,220 +=

200 – 400 ºC

1,987 – 3,018

CmV

mVVTm

º163,5

998,780 +=

400 – 600 ºC

3,018 – 4,032

CmV

mVVTm

º078,5

264,260 +=

600 – 800 ºC

4,032 – 5,00

CmV

mVVTm

º848,4

907,3170 −=

800 – 1000ºC

D. Sensor de Umidade Relativa

O sensor de umidade relativa que será usado neste projeto apresenta uma corrente de saída 4 a 20 mA conforme descrito no documento referente ao modelo do sistema. É importante lembrar que muitos sensores que são utilizados em controle de processo e aplicações de monitoramento apresentam em sua saída um sinal de corrente, geralmente na ordem de 4 a 20 mA ou 0 a 20mA. No entanto, deve ser usada uma fonte de alimentação para o sensor com o propósito de excitá-lo. Nesta seção será projetada a fonte de alimentação e o resistor que irá produzir um sinal de tensão para o canal do conversor A/D.

O sensor de umidade TW/UR 95MP da IOPE não permite operar a sonda, ou seja, a saída de umidade relativa alimenta somente o loop de umidade deixando de alimentar o loop de temperatura. No entanto, o loop de temperatura deverá ser fechado ao lado positivo da fonte de alimentação mesmo que não haja a necessodade de ser lido, pelo fato de que o sensor de umidade relativa necessita de compensação de temperatura do ambiente. A figura 4.9 apresenta o diagram a de ligação do sensor de umidade relativa.


250R15V

Figura 3.13: Diagrama de ligação do sensor de umidade relativa

Sendo assim, o sistema de aquisição de dados pode ser usado para mensurar a

tensão produzida pelo resistor mostrado na figura 3.13. O valor do resistor deverá converter a malha de corrente de 4 a 20 mA em um sinal de tensão que varia de 1.0 a 5.0V. Deste modo, será usado um resistor de 250 Ω.

3.4.3 Arquitetura de Software

A figura 3.14 apresenta a arquitetura do sistema de software. Conforme mencionado na seção 3 referente às decisões de projeto, o sistema foi decomposto em 3 (três) camadas através do método top-down. Deste modo, a primeira camada refere-se à interface com o usuário, a segunda camada aos módulos funcionais e a terceira camada ao sistema de gerenciamento de dados.

Desta forma, a camada referente à interface gráfica permite que o usuário interaja com sistema solicitando uma conexão, início do processo de aquisição dos parâmetros elétricos e físicos e consultas ao banco de dados do sistema. A camada referente à aplicação lógica será responsável pelo processamento da informação através dos módulos funcionais, ou seja, terá a função de converter os valores obtidos através dos sensores, conectar e desconectar o sistema de aquisição de dados da internet. A camada referente ao gerenciamento dos dados é responsável pela inserção, atualização e consulta aos dados do sistema.


Interface com oUsuário

Usuário

Lógica daAplicação

Solicita Conexão

Consulta Dados

Visualização dos Parâmetros

Inicia Aquisição

Resultados da C

onsulta

Variáveis de Processo

Resultado da C

onsulta

Consulta

Inicia Aquisição

Solicita C

onexão

Controle de Interfacecom o Usuário

Lógica da Aplicação

Gerenciamento deDados

Figura 3.14: Arquitetura do sistema de software

A. Diagrama de Classe

Nesta seção será apresentado o diagrama de classe do sistema de software. Deste modo, o sistema consiste de 6 classes, são elas: ParametroTextual, ParametroGrafico, VisualizaDados, Gasogenio, Sensores e Consulta. As três primeiras classes são referentes à interface gráfica com o usuário, ou seja, o usuário poderá interagir com o sistema de aquisição de dados e visualizar textualmente e graficamente as variáveis de processo. Existem 16 sensores conectados no gasogênio com o propósito de fornecer os dados


referentes a cada processo do sistema. A figura 3.15 mostra o diagrama de classe do sistema de software.

1

1

1 1..*

1

16

1

1

1

1

Sensores

-Temperatura:Float-Pressao:Float-Umidade:Float-Corrente:Float-Tensao:Float

+LeituraTemp:float+LeituraPressao:float+LeituraUmidade:floa+LeituraCorrente:floa+LeituraTensao:float

Consulta

-BuscaTeste:String

+PesquisaTeste:void+ImprimiTeste:void+fico:void GeraGr+Retorna:void

ParametroGrafico

-Pressao1:TProgressBar-Pressao2:TProgressBar-Pressao3:TProgressBar-Pressao4:TProgressBar-Pressao5:TProgressBar-Pressao6:TProgressBar-Temperatura1:TProgressBa-Temperatura2:TProgressBa-Temperatura3:TProgressBa-Temperatura4:TProgressBa-Temperatura5:TProgressBa-Temperatura6:TProgressBa-Tensao1:TTrackBar-Tensao2:TTrackBar-Tensao3:TTrackBar-Corrente1:TTrackBar-Corrente2:TTrackBar-Corrente3:TTrackBar-Volta:TBitBtn

ParametroTextual

-Identificacao:TGroupBox-CarvaoVegetal:TGroupBox-IntervaloTempo:TGroupBox-ConsumoEspecifico:TGroupBo-ParamEletricos:TGroupBox-ParamFisicos1:TGroupBox-ParamFisicos2:TGroupBox-Inicia:TBitBtn-Para:TBitBtn-Grafico:TBitBtn-Volta:TBitBtn-edtIdentificaTeste:TEdit-edtOperador:TEdit-edtCombustivel:TEdit-edtCarga:TEdit-edtTempo:TEdit

VisualizaDados

-ItemBusca:TEdit-Pesquisa:TBitBtn-Curvas:TBitBtn-Imprimi:TBitBtn-Volta:TBitBtn-Resultados:TDBGrid

Gasogenio

-IdentificaTeste:String-Operador:String-Combustivel:String-Carga:int-Tempo:int

+AdquiriDados:void+TerminaAquisicao:voi+VisualizaGrafico:void+Retorna:void

Figura 3.15: Diagrama de Classe


3.5 Estrutura de Dados

Nesta seção será apresentado o diagrama de entidade-relacionamento referente ao projeto de banco de dados do sistema de aquisição de dados. Deste modo, com o propósito de fornecer maiores detalhes descritivos a respeito das entidades, relacionamentos e atributos usados no modelo, será desenvolvido o dicionário de dados.

3.5.1 Tabela ‘Param_testes’

A tabela 3.6 apresenta o dicionário de dados para as entidades Param_teste. O dicionário de dados é simplesmente uma lista dos nomes que estão inclusos nos diferentes modelos do sistema. Desta forma, o dicionário de dados tem o propósito de definir a estrutura da informação que está sendo trocada e também permite validação se o modelo de dados é livre de redundâncias ou inconsistências

Tabela 3.6: Representação do dicionário de dados para a entidade “Param_teste”

Nome Descrição Tipo Data Param_teste Informação estruturada sobre os

parâmetros de teste do sistema de aquisição de dados

Entidade 23.07.2004

ID Chave primária Atributo 23.07.2004 ID_teste Chave estrangeira Atributo 23.07.2004 Operador Identificação da pessoa que realiza os

testes com o gasogênio Atributo 23.07.2004

Combustivel Tipo de combustível que será utilizado no gasogênio

Atributo 23.07.2004

Carga Quantidade total de carga em Kg Atributo 23.07.2004 Intervalo Intervalo de tempo em que será

coletado o sinal dos sensores Atributo 23.07.2004

Consumo Fornece o consumo específico do gasogênio em tempo real

Atributo 23.07.2004

Hora Hora atual do sistema na qual o teste será realizado.

Atributo 23.07.2004

Data Data atual do sistema na qual o teste será realizado.

Atributo 23.07.2004

É importante observar que cada teste efetuado com o gasogênio terá uma série de

parâmetros que deveram ser configurados. Deste modo, o usuário deve fornecer ao sistema a identificação do teste, o nome do operador, tipo de combustível, quantidade de carvão e o intervalo de tempo que serão coletados os sinais através dos sensores. A hora e data atual


do sistema serão registradas no início dos testes. O sistema fornecerá o consumo específico do gasogênio em tempo real com o propósito de avaliar o desempenho do sistema.

3.5.2 Tabela ‘Param_eletricos’

A tabela 3.7 apresenta o dicionário de dados para a entidade “Param_eletricos”. Conforme indicado na tabela, serão registrados os sinais de tensão e corrente do gerador em intervalos definidos no tempo.

Tabela 3.7: Representação do dicionário de dados para a entidade “Param_eletricos”

Nome Descrição Tipo Data Param_eletricos Informação estruturada sobre os

parâmetros elétricos do gerador. Entidade 23.07.2004

ID Chave primária Atributo Tensão_1 Representa a tensão na fase A do

gerador Atributo 23.07.2004

Tensão_2 Representa a tensão na fase B do gerador

Atributo 23.07.2004

Tensão_3 Representa a tensão na fase C do gerador

Atributo 23.07.2004

Corrente_1 Representa a corrente de linha na fase A do gerador

Atributo 23.07.2004

Corrente_2 Representa a corrente de linha na fase B do gerador

Atributo 23.07.2004

Corrente_3 Representa a corrente de linha na fase C do gerador

Atributo 23.07.2004

3.5.3 Tabela ‘Param_fisicos’

A tabela 3.8 apresenta o dicionário de dados para entidade “Param_fisicos”. Conforme indicado na tabela, serão registradas as variáveis de pressão e temperatura entre os diferentes processos do sistema.


Tabela 3.8:: Representação do dicionário de dados para a entidade “Param_fisicos”

Nome Descrição Tipo Data Param_fisicos Informação estruturada sobre os

parâmetros elétricos do gerador. Entidade 23.07.2004

ID Chave primária. Atributo 23.07.2004 Pressão_1 Representa a variável de pressão

entre o gaseificador e o ciclone. Atributo 23.07.2004

Pressão_2 Representa a variável de pressão entre o gaseificador e o ciclone.

Atributo 23.07.2004

Pressão_3 Representa a variável de pressão entre o ciclone e o resfriador de convecção natural.

Atributo 23.07.2004

Pressão_4 Representa a variável de pressão entre o resfriador de convecção natural e a ventoinha de partida do motor.

Atributo 23.07.2004

Pressão_5 Representa a variável de pressão entre a ventoinha de partida e o motor.

Atributo 23.07.2004

Pressao_6 Representa a variável de pressão entre o filtro de pano e o motor.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_1 Representa a variável de temperatura entre o gaseificador e o ciclone.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_2 Representa a variável de temperatura entre o ciclone e o resfriador de convecção natural.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_3 Representa a variável de temperatura entre o resfriador de convecção natural e a ventoinha de partida do motor.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_4 Representa a variável de temperatura entre a ventoinha de partida e o motor.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_5 Representa a variável de temperatura entre a ventoinha de partida e o filtro de pano.

Atributo 23.07.2004

Temperatura_6 Representa a variável de temperatura entre o filtro de pano e o motor.

Atributo 23.07.2004


3.5.4 Diagrama de Entidade-Relacionamento do Sistema de Banco de Dados

A figura 3.16 apresenta o diagrama Entidade-Relacionamento do sistema de banco

de dados. Pode ser observado que existem 3 entidades, são elas: Param_testes, Param_eletricos, Param_fisicos. Deste modo, a entidade Param_testes possui relacionamento 1:n com as entidades Param_eletricos e Param_fisicos.

1

nn

1

Param eletricos

-ID:int-Tensao_1:double-Tensao_2:double-Tensao_3:double-Corrente_1:double-Corrente_2:double-Corrente_3:double

Param teste

-ID:int-ID_teste:text-Operador:text-Combustivel:text-Carga:double-Intervalo:double-Consumo:double

Param fisicos

-ID:int-Pressao_1:double-Pressao_2:double-Pressao_3:double-Pressao_4:double-Pressao_5:double-Pressao_6:double-Temperatura_1:double-Temperatura_2:double-Temperatura_3:double-Temperatura_4:double-Temperatura_5:double-Temperatura_6:double

Figura 3.16: Diagrama de Entidade-Relacionamento


3.6 Definições de Interface

Nesta seção serão descritas as interfaces dos componentes do sistema. Existem basicamente 7 (sete) interfaces no sistema conforme mostrado na figura 3.5. Sendo assim, serão descritos os tipos de interface existente entre os módulos, o fluxo de dados e o relacionamento entre eles.

3.6.1 PC Desktop ↔ Placa de Aquisição de Dados

Esta interface define a aquisição dos dados do processo técnico. Desta forma, os valores de tensão que representam o estado das variáveis de processo serão lidos através dos canais do conversor A/D. Conforme descrito na seção 1.2 referente ao software que acompanha a placa de aquisição de dados, existem componentes de software que realizam as leituras através do canal do conversor A/D. Sendo assim, estes valores serão utilizados na aplicação de forma a fornecer ao usuário uma interpretação gráfica e textual das variáveis de processo.

3.6.2 Placa de Aquisição de Dados ↔ Circuito de Interface 1

Esta interface define a aquisição das variáveis de processo referente aos sensores de tensão, corrente e umidade. Os sensores de tensão e corrente são responsáveis pelo monitoramento do gerador elétrico acoplado ao sistema. Deste modo, pode-se monitorar a quantidade de energia elétrica que está sendo produzido para uma determinada quantidade de carvão vegetal. O sensor de umidade é responsável pela umidade relativa na qual o gasogênio se encontra.

Sendo assim, o circuito de interface 1 é responsável pela excitação dos sensores e pela comunicação dos elementos de campo, que neste caso é representado pelos sensores, e a placa de aquisição de dados que está conectada ao PC desktop. O circuito de interface 1 fornece um nível de tensão adequado para o canal do conversor A/D com o propósito de representar o estado das variáveis de processo. Desta maneira, o circuito de interface 1 fornecerá os dados de processo em uma faixa de tensão de 0 a 5 V. O software que estará instalado no PC desktop será responsável pela interpretação dos valores.



Esta interface define os dados de processo referente aos sensores de pressão conectados em 6 (seis) pontos distintos do sistema. Sendo assim, o circuito de interface 2 será responsável pela excitação dos sensores e pela comunicação dos elementos de campo, que neste caso é representado pelos sensores de pressão, e a placa de aquisição de dados. O circuito de interface 2 fornecerá um nível de tensão na faixa de 1 a 5 V a partir de uma malha de corrente de 4 a 20 mA, onde haverá um resistor de precisão fornecendo o nível de tensão adequado ao canal do conversor A/D.


Esta interface define a aquisição dos dados de processo referente aos sensores de temperatura conectados em 6 (seis) pontos distintos do sistema. O circuito de interface 3 é responsável pelo condicionamento de sinal fornecido pelo sensor termopar tipo K. Desta forma, haverá uma fonte de alimentação para o CCS que consiste basicamente de um amplificador operacional e alguns resistores que representam o ganho do circuito. Sendo assim, o circuito de interface 3 fornecerá um nível de tensão na faixa de 0 a 5 V. O software que estará instalado no PC desktop será responsável pela interpretação dos valores.

3.6.5 Circuito de Interface 1 ↔ Gasogênio

Esta interface é responsável pela transmissão de sinais entre o processo técnico e a placa de aquisição de dados. Cada sensor de tensão, corrente e umidade fornecem uma corrente que irá circular em um resistor de precisão com o propósito de obter uma leitura de tensão para o canal do conversor A/D. Desta forma, para cada sensor haverá um resistor de precisão no circuito de interface 1.


Esta interface é responsável pela transmissão de sinais entre o processo técnico e a placa de aquisição de dados. Cada sensor de pressão fornece uma corrente na ordem de 4 a 20 mA que irá circular em um resistor de precisão com o propósito de obter uma leitura de tensão para o canal do conversor A/D. Desta forma, para cada sensor haverá um resistor de precisão no circuito de interface 2.



Esta interface é responsável pela transmissão de sinais entre o processo técnico e a placa de aquisição de dados. Cada sensor de temperatura conectado ao gasogênio fornece um nível de tensão na ordem de mili volts. Deste modo, será necessário um circuito de condicionamento de sinal para cada sensor com o propósito de obter uma leitura de tensão na faixa de 0 a 5 V para o canal do conversor A/D. É importante lembrar que o CCS amplifica o sinal próximo à fonte com o intuito de evitar o aparecimento de ruídos na leitura.


4. Componentes do Sistema

4.1 Componentes do Sistema de Hardware

Conforme mencionado no item 1.2.1 referente á área de aplicação, o Centro de Desenvolvimento Energético Amazônico (CDEAM) pretende desenvolver um conjunto de ferramentas que sejam capazes de produzir energia a partir de fontes renováveis. Desta forma, o sistema desenvolvido neste projeto possibilitará o monitoramento de outros equipamentos de produção de energia.

O projeto de hardware foi desenvolvido em 3 (três) circuitos com o propósito de fornecer flexibilidade para o monitoramento de outros equipamentos que necessariamente não possuam as mesmas grandezas a serem mensuradas. Sendo assim, o objetivo desta seção é fornecer uma visão geral da funcionalidade e responsabilidade do sistema de hardware.

4.1.1 Circuito 1

O circuito 1 é responsável pelo monitoramento do gerador síncrono trifásico conectado no eixo do motor que opera na faixa de 5 a 15 HP. A placa possui 3 (sensores) de tensão e 3 (três) sensores de corrente com o propósito de monitorar os níveis de tensão, corrente de cada fase do gerador e a potência total fornecida à carga.Existe uma fonte de alimentação simétrica de ±15V para a alimentação dos sensores e terminais de entrada e saída da placa. Deste modo, o terminais de entrada são conectados nos terminais do gerador e os de saída nos conversor A/D da placa PCI 1710-HG da Advantech.


Figura 4.1: Diagrama esquemático do circuito 1

A. Lista de Componentes do Circuito 1

A tabela 4.1 apresenta a listagem de componentes usados no circuito 1, 2 e 3 referente a fonte de alimentação. A tabela 4.2 apresenta a listagem de componentes referente ao circuito 1. Os preços citados neste projeto foram consultados no mês 09/2004 pela empresa Eletroshop Infomática Comercial ([email protected]).

Tabela 4.1: Lista de componentes referente à fonte de alimentação de cada placa Qtde Descrição Preço

p/unid. Preço Total

6 Capacitor Eletrolítico 2200uF, 50V 1,44 8,646 Capacitor Eletrolítico 100uF, 50V 0,14 0,846 Capacitor de Tantalum 1uF, 50V 0,09 0,543 Ponte Retificadora, 36V/3ª 6 183 Borner 3 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 2,38 7,854

Subtotal 35,874


Tabela 4.2: Lista de componentes do circuito 1

Qtde Descrição Preço p/unid. Preço Total

6 Borner 2 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 1,72 11,3522 Borner 3 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 2,38 5,2361 Regulador de Tensão Positivo, 7815T 0,9 0,91 Regulador de Tensão Negativo, 7915T 0,9 0,96 Resistores de 50KΩ − 2.5W 0,47 3,826 Resistores de 200W - 1/8W 0,47 3,82

Subtotal 26,028

4.1.2 Circuito 2

O circuito 2 é responsável pelo monitoramento da pressão em 6 (seis) pontos distintos do sistema e da umidade relativa do ar. A placa consiste basicamente de resistores de precisão com o propósito de fornecer uma um nível de tensão na faixa de 1-5V para o canal do conversor A/D. Existe uma fonte de alimentação simétrica de ±24V para a alimentação dos sensores. A placa fornece terminais de entrada e saída para alimentar os sensores e fornecer o estado do sensor para o conversor A/D respectivamente. A figura 3.18 apresenta o diagrama esquemático do circuito 2.

Figura 4.2: Diagrama esquemático do circuito 2


A. Lista de Componentes do Circuito 2

A tabela 4.3 apresenta a listagem de componentes usados no circuito 2.

Tabela 4.3: Lista de componentes do circuito 2


7 Borner 2 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 1,72 14,043 Borner 3 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 2,38 8,141 Regulador de Tensão Positivo, 7824T 0,9 0,91 Regulador de Tensão Negativo, 7924T 0,9 0,97 Resistores de 250Ω - 1/8W 0,47 4,29

Subtotal 28,27

4.1.3 Circuito 3

O circuito 3 é responsável pelo monitoramento da temperatura em 6 (seis) pontos distintos do sistema. A placa consiste basicamente de resistores de precisão e amplificadores operacionais com o propósito de amplificar o sinal proveniente dos sensores de temperatura e fornecer um nível de tensão na faixa de 1-5V para o canal do conversor A/D. Existe uma fonte de alimentação simétrica de ±15V para a alimentação dos sensores. A placa fornece terminais de entrada e saída para a alimentação dos sensores e fornecimento do estado do sensor para o conversor A/D respectivamente. A figura 3.18 apresenta o diagrama esquemático do circuito 3.


Figura 4.3: Diagrama Esquemático do circuito 3

B. Lista de Componentes do Circuito 3

A tabela 4.4 apresenta a listagem de componentes usados no circuito 3.

Tabela 4.4: Lista de Componentes do circuito 3


1 Borner 2 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 1,72 2,727 Borner 3 pinos passo 3.5mm 6A Alt. 8.7mm e Larg. 6.5mm 2,38 18,661 Regulador de Tensão Positivo, 7815T 0,9 0,91 Regulador de Tensão Negativo, 7915T 0,9 0,96 Resistores de 1K - 1/8W 0,47 3,826 Resistores de 122K - 1/8W 0,47 3,827 Soquete 14 pinos 0,68 4,086 Amplificador Operacional OP-117 9 541 Multiplexador de 8 entradas 74LS151 3 3

Subtotal 91,9


4.2 Componentes do Sistema de Software

Conforme mencionado no item 3.3 referente à decisões de projeto, o sistema foi desenvolvido de acordo com a arquitetura de 3 (três) camadas no método top-down. A primeira camada consiste da interface com o usuário, a segunda dos módulos funcionais que processam os dados e a terceira do sistema de gerenciamento de banco de dados que armazenam os dados solicitados pela segunda camada. Deste modo, o objetivo desta seção é fornecer uma visão geral da funcionalidade e responsabilidade do sistema de software

4.2.1 Componente ParametroTextual

Esta classe é responsável pela visualização das informações adquiridas pelos sensores de tensão, corrente, temperatura, pressão e umidade relativa do ar. Desta forma, conforme mostrado na figura 2.6 referente ao capítulo requisitos do sistema, esta classe permitirá que o usuário entre com os dados de identificação do experimento e fornecerá também uma visualização textual das variáveis de processos.

Esta interface com o usuário foi implementada em uma classe Borland C++ com o nome ParametroTextual. Esta classe define os seguintes atributos e métodos: • private TGroupBox *Identification, *Charcoal, *TimeInterval,

*SpecificConsumption, *ElectricalParameters, *PhysicalParametersI

Estes atributos definem 6 (seis) Group Box para interface com o usuário com o propósito de separar por grupo a entrada de dados. • private TEdit *edtTestIdentification, *edtOperator, *edtSource, *edtLoad,

*edtTime

Estes atributos definem 5 (cinco) caixas de texto com o propósito de fornecer meios para o usuário entrar com os dados do experimento. • private TBitBtn *btStart, *btStop, *btGasogenio, *btVoltar

Estes atributos definem 4 (cinco) botões na interface gráfica com o usuário. • private TTimer *tmrRead, *tmrLED

Estes atributos definem (2) timers com o propósito de configurar o período de amostragem do sistema.


• private TDAQAI *DAQAI1

Este atributo define uma interface com o placa de aquisição e controle de dados da Advantech. public void __fastcall FormCreate(TObject *Sender);

Este método é responsável por inicializar os components da classe.

4.2.2 Componente ParametroGrafico

Esta classe é responsável por mostrar as variáveis de processo em uma forma gráfica. O usuário é capaz de visualizar todos os fluxos de informação e processo do gasogênio. Os sensores são posicionados de tal forma que eles representam a localização física no sistema. A figura 2.7 referente ao capítulo requisitos do sistema mostra a tela de interface com o usuário.

Este componente foi implementado em uma classe Borland C++ com o nome ParamGraph. Esta classe define os seguintes atributos e métodos: • private TProgressBar *P1, *P2, *P3, *P4, *P5, *P6, *T1, *T2, *T3, *T4, *T5, *T6

Estes atributos definem 12 (doze) barras de progresso com o propósito de visualizar de uma forma gráfica o estado dos sensores de temperatura e pressão. • private TTrackBar *V1, *V2, *V3, *I1, *I2, *I3

Estes atributos definem 6 (seis) Track Bar com o propósito de fornecer uma visualização gráfica dos ensors de tensão e corrente. • private Tshape *Gaseificador, *Ciclone, *Resfriador, *Ventoinha, *Motor,

*Gerador, *Filtro

Estes atributos definem 7 (sete) Shapes representado os componentes físicos do sistema gasogênio. • public void __fastcall ReturnClick(TObject *Sender);

Este método retorna a interface textual do sistema. A janela atual é fechada com o método Close() fornecido pelo Borland C++


• public void __fastcall FormCreate(TObject *Sender);

Este método é responsável por configurar os valores máximo e mínimo das barras de progresso e Track Bars.

4.2.3 Componente VisualizaDados

Esta classe é responsável por selecionar e mostrar os resultados do experimento em uma tabela de dados. Deste modo, o usuário deve fornecer o parâmetro de identificação do teste e o sistema localizará o experimento através de uma consulta SQL . O usuário pode também fornecer somente as iniciais de identificação do experimento. Sendo assim, esta classe define os atributos e métodos referentes à interface com o usuário. • private TEdit *edtSerachField

Este atributo define um edit na interface gráfica com o usuário. • private TBitBtn *btSearch, *btImprimir, *btGraph, *btReturn

Estes atributos definem 4 (quatro) botões na interface gráfica com o usuário. • public void __fastcall btReturnClick(TObject *Sender);

Este método é responsável por retornar a janela principal do sistema. Deste modo, os elementos de interface gráfica com o usuário devem ser limpados e a janela atual fechada. • public void __fastcall btGraphClick(TObject *Sender);

Este método abre o formulário responsável pela geração de gráficos do sistema. Deste modo, o usuário poderá selecionar as variáveis de processo que serão traçadas. • public void __fastcall FormCreate(TObject *Sender);

Este método é responsável por habilitar os botões da interface com o usuário no início do processo.


4.2.4 Componente GerenciaDados

Esta classe é responsável pelo gerenciamento do banco de dados que armazenam as informações solicitadas pela segunda camada do sistema, conforme mostrado na figura 3.14. Portanto, esta classe fornece métodos de consulta e armazenamento de dados usando o MySQL. Este componente foi implementado em uma classe Borland C++ com o nome GerenciaDados. • public void Record(void)

Este método é responsável por armazenar a identificação do teste, parâmetros elétricos (tensão e corrente) e físicos (pressão, temperatura e umidade relativa) do sistema de aquisição de dados. • public void Search (String Identification)

Este método seleciona o experimento realizado pelo usuário que está armazenado no banco de dados do sistema.

4.2.5 Componente Sensores

Este método pertence à segunda camada da aplicação, ou seja, pertence aos módulos funcionais que processam os dados. Deste modo, esta classe fornece métodos para adquirir e transforma o sinal proveniente dos sensores. Este componente foi implementado em uma classe Borland C++ com o nome Sensores. • public float TempRead(int Channel);

Este método adquire o sinal de temperatura proveniente dos sensores e transforma o valor em ºC. Como a temperatura é uma grandeza não linear, a leitura deve ser dividida em 5 (cinco) partes com o propósito de obter segmentos lineares. • public float PressureRead(int Channel);

Este método adquire o sinal de pressão proveniente dos sensores e transforma o valor em bar. É importante observar que o sensor de pressão fornece uma corrente de 4-20mA. Deste modo, haverá no canal do Conversor A/D uma tensão na faixa de 1-5V. O sensor de pressão usado no projeto possui uma resposta linear. Sendo assim, 1V representa 0 bar e 5V indica o fundo de escala 25bar. • public float HumidityRead(int Channel);


Este método adquire o sinal de umidade proveniente do sensor de Umidade Relativa. É importante observar que o sensor de umidade fornece uma corrente de 4 a 20mA. Deste modo, Deste modo, haverá no canal do Conversor A/D uma tensão na faixa de 1-5V. O sensor de humidade usado no projeto possui uma resposta linear. Sendo assim, 1V representa 0UR e 5V indica o fundo de escala 100UR. • public float CurrentRead(int Channel);

Este método é responsável pela aquisição e cálculo da corrente de fase do gerador síncrono trifásico do gasogênio. É importante ter em mente que o sensor de corrente fornece uma tensão de 0-5V na entrada do conversor A/D. A leitura é linear, isto significa que 0V representa uma corrente de linha no gerador de 0A e 5V uma corrente de 90.9A. • public float VoltageRead(int Channel);

Este método é responsável pela aquisição e cálculo da tensão de fase do gerador síncrono trifásico do gasogênio. É importante ter em mente que o sensor de tensão fornece uma tensão de 0-5V na entrada do conversor A/D. A leitura é linear, isto significa que 0V representa uma tensão nos terminais do gerador de 0V e 5V uma tensão de 220V. • public float Rendimento(void);

Este método calcula a performance do sistema. Deste modo, este método calcula a entrada e saída de energia do sistema e por conseguinte a performance.

4.2.6 Componente Gasogenio

Esta classe permite o usuário configurar os parâmetros para aquisição dos dados. Desta forma, o usuário pode configurar o tempo de amostragem, carga de carvão e etc. Esta classe pertence a segunda camada da aplicação, ou sejam, a camada que processa os dados. Este componente foi implementado em uma classe Borland C++ com o nome Gasogenio. • public void __fastcall btVoltarClick(TObject *Sender);

Este método retorna a janela principal do sistema. A janela atual é fechada e os labels e edits são limpos antes de retornar a janela principal. • public void __fastcall btGasogenioClick(TObject *Sender);

Este método é responsável por mostrar o fluxo de informação e processo do gasogênio. O usuário é capaz de visualizar todas as variáveis de processo do sistema de aquisição de dados.


• public void __fastcall btStartClick(TObject *Sender);

Este método é responsável por iniciar o processo de aquisição. Deste modo, os componentes de software da placa PCI 1710-HP devem ser iniciliazados assim como os timers. public void __fastcall btStopClick(TObject *Sender);

Este método finalize a aquisição das variáveis de processo. Os componentes da placa PCI 1710-HG devem também ser fechados.

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5. Apêndice A – Lista de Figuras FIGURA 1.1: OBJETIVO GERAL DO PROJETO ............................................................................. 6 FIGURA 1.2: INTERFACE DO SISTEMA .................................................................................... 10 FIGURA 2.1: DIAGRAMA SIMPLIFICADO................................................................................. 14 FIGURA 2.2: DIAGRAMA DETALHADO ................................................................................... 15 FIGURA 2.3: DIAGRAMA DE CASO DE USO............................................................................. 20 FIGURA 2.4: DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA PARA VISUALIZAÇÃO DOS PARÂMETROS ................ 21 FIGURA 2.5: DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA PARA A VISUALIZAÇÃO DOS PARÂMETROS

MENSURADOS................................................................................................................ 22 FIGURA 2.6: MONITORAMENTO DAS VARIÁVEIS DE PROCESSO .............................................. 24 FIGURA 2.7: VISUALIZAÇÃO GRÁFICA SIMPLIFICADA DO PROCESSO ...................................... 25 FIGURA 2.8: VISUALIZAÇÃO DOS DADOS ............................................................................... 26 FIGURA 2.9: VISUALIZAÇÃO GRÁFICA DOS DADOS ............................................................... 26 FIGURA 2.10: DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA DE HARDWARE........................................ 27 FIGURA 2.11: PCI 1710-HG .................................................................................................. 28 FIGURA 2.12: MÓDULO DE AQUISIÇÃO DE DADOS PLCD-8710 ............................................ 29 FIGURA 2.13: DIAGRAMA DE CONEXÃO DO SENSOR DE TENSÃO ............................................ 30 FIGURA 2.14: DIAGRAMA DE CONEXÃO DO SENSOR DE CORRENTE ........................................ 31 FIGURA 2.15: MODELO DE CIRCUITO DO TERMOPAR.............................................................. 31 FIGURA 3.1: DIAGRAMA EM BLOCOS..................................................................................... 35 FIGURA 3.2: FORMULÁRIO DE EXEMPLO DE USO DO ACTIVEDAQ......................................... 37 FIGURA 3.3: SAD BASEADO EM PC COM CONDICIONAMENTO DE SINAIS ............................... 39 FIGURA 3.4: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM GASEIFICADOR ............................................. 40 FIGURA 3.5: ARQUITETURA DO SISTEMA ............................................................................... 46 FIGURA 3.6: ARQUITETURA DO SISTEMA DE HARDWARE ...................................................... 47 FIGURA 3.7: FONTE DE ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA ................................................................ 48 FIGURA 3.8: DIAGRAMA DE LIGAÇÃO DO SENSOR DE TENSÃO................................................ 49 FIGURA 3.9: DIAGRAMA DE LIGAÇÃO DO SENSOR DE CORRENTE ........................................... 49 FIGURA 3.10: DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA.......... 50 FIGURA 3.11: TERMOPAR TIPO K CONECTADO AO CCS......................................................... 51 FIGURA 3.12: GRÁFICO CARACTERÍSTICO DO TERMOPAR TIPO K............................................ 52 FIGURA 3.13: DIAGRAMA DE LIGAÇÃO DO SENSOR DE UMIDADE RELATIVA .......................... 56 FIGURA 3.14: ARQUITETURA DO SISTEMA DE SOFTWARE....................................................... 57 FIGURA 3.15: DIAGRAMA DE CLASSE .................................................................................... 58 FIGURA 3.16: DIAGRAMA DE ENTIDADE-RELACIONAMENTO ................................................ 62 FIGURA 4.1: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO 1......................................................... 67 FIGURA 4.2: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO 2......................................................... 68 FIGURA 4.3: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO 3 ........................................................ 70


6. Apêndice B – Lista de Tabelas TABELA 2.1: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO SENSOR DE TENSÃO...................................... 29 TABELA 2.2: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO SENSOR DE CORRENTE ................................. 30 TABELA 2.3: TABELA DE REFERÊNCIA DA N.I.S.T................................................................. 32 TABELA 2.4: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO SENSOR DE UMIDADE RELATIVA................... 32 TABELA 2.5: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO SENSOR DE PRESSÃO .................................... 33 TABELA 3.1: CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E REQUISITOS DE CS DOS TRANSDUTORES......... 43 TABELA 3.2: INTERFACES DO SISTEMA .................................................................................. 46 TABELA 3.3: SENSIBILIDADE DO TERMOPAR TIPO K DIVIDIDO EM 5 SEGMENTOS DE RETA ..... 52 TABELA 3.4: EQUAÇÃO LINEAR DE INTERFACE ANALÓGICA .................................................. 54 TABELA 3.5: EQUAÇÕES PARA O SOFTWARE DE LINEARIZAÇÃO............................................. 55 TABELA 3.6: REPRESENTAÇÃO DO DICIONÁRIO DE DADOS PARA A ENTIDADE “PARAM_TESTE”

...................................................................................................................................... 59 TABELA 3.7: REPRESENTAÇÃO DO DICIONÁRIO DE DADOS PARA A ENTIDADE

“PARAM_ELETRICOS” ..................................................................................................... 60 TABELA 3.8:: REPRESENTAÇÃO DO DICIONÁRIO DE DADOS PARA A ENTIDADE

“PARAM_FISICOS” .......................................................................................................... 61 TABELA 4.1: LISTA DE COMPONENTES REFERENTE À FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE CADA PLACA

...................................................................................................................................... 67 TABELA 4.2: LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO 1........................................................... 68 TABELA 4.3: LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO 2........................................................... 69 TABELA 4.4: LISTA DE COMPONENTES DO CIRCUITO 3 .......................................................... 70


7. Apêndice C – Lista de Equações EQUAÇÃO 2.1: RELAÇÃO ENTRE %RH DO SENSOR E SAÍDA................................................... 33 EQUAÇÃO 2.2: VALOR CORRIGIDO DE %RH.......................................................................... 33 EQUAÇÃO 2.3: SENSIBILIDADE DO SISTEMA........................................................................... 34 EQUAÇÃO 2.4: TENSÃO DE SAÍDA DO SENSOR........................................................................ 34 EQUAÇÃO 3.1: REAÇÕES NA ZONA DE COMBUSTÃO............................................................... 40 EQUAÇÃO 3.2: REAÇÕES NA ZONA DE REDUÇÃO ................................................................... 40 EQUAÇÃO 3.3: REAÇÕES ADICIONAIS NA ZONA DE REDUÇÃO ................................................ 41 EQUAÇÃO 3.4: EFICIÊNCIA ENERGÉTICA GLOBAL .................................................................. 44 EQUAÇÃO 3.5: EFICIÊNCIA ENERGÉTICA CORRESPONDENTE A 1 KG DE CARVÃO................... 44 EQUAÇÃO 3.6: EFICIÊNCIA ENERGÉTICA CORRESPONDENTE A 1,5 KG DE CARVÃO................ 45 EQUAÇÃO 3.7: GANHO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL ..................................................... 50 EQUAÇÃO 3.8: EQUAÇÃO DO CCS......................................................................................... 50 EQUAÇÃO 3.9: GANHO DE MALHA FECHADA DO CIRCUITO NÃO-INVERSOR ........................... 50 EQUAÇÃO 3.10: VALOR DO RESISTOR DE REALIMENTAÇÃO................................................... 51 EQUAÇÃO 3.11: APROXIMAÇÃO LINEAR DO PRIMEIRO SEGMENTO......................................... 53 EQUAÇÃO 3.12: APROXIMAÇÃO LINEAR DO SEGUNDO SEGMENTO......................................... 53 EQUAÇÃO 3.13: APROXIMAÇÃO LINEAR DO TERCEIRO SEGMENTO ........................................ 53 EQUAÇÃO 3.14: APROXIMAÇÃO LINEAR DO QUARTO SEGMENTO........................................... 54 EQUAÇÃO 3.15: APROXIMAÇÃO LINEAR DO QUINTO SEGMENTO............................................ 54


8. Apêndice D - Referências Bibliográficas

[1] Lauber, Rudolf; Göhner, Peter (1999): Prozessautomatisierung I, 3. vollst. überarb. Aufl. - 1999, Springer-Verlag Berlin - Heidelberg - New York, 1999

[2] Göhner, Peter (2003): Lecture notes of Industrial Automation. IAS, Stuttgart.

[3] Göhner, Peter (2003): Lecture notes of Software Engineering for Real-Time Systems. IAS, Stuttgart.

[4] Deitel H.M, Deitel P. J (2001): C++ Como Programar. Bookman.

[5] Sommerville, I. (2001): Software Engineering. Harlow: Addison-Wesley.

[6] F. Fusco, M. Inverno (2004): A PC-Based Data Acquisition System Supervisor. CIRA (Italian Aerospace Research Center), Italy.

[7] National Instruments: Signal Conditioning Fundamentals for PC-Based Data Acquisition Systems. Disponível em www.es.oersted.dtu.dk/~kah/31650/Documents/DAQ/SignalConditioning.pdf [11 de Maio de 2004].

[8] Vishniac, I. J. B. (1999): Electromechanical Sensors and Actuators. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg - New York, 1999

[9]