Apêndice 1 – Protocolo HART

O protocolo de comunicação HART (Highway Adressable Remote Transducer) é o padrão global para envio e recebimento de informação digital entre dispositivos portáteis e sistemas de controle e monitoramento. Mais especificamente, HART é um protocolo de comunicação bidirecional que permite o acesso às informações de um instrumento à um servidor, que pode ser um software de controle ou até mesmo um dispositivo portátil, como um smartphone ou um laptop.

O protocolo HART usa o padrão Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) para realizar a superposição de sinais digitais em baixo nível sobre o sinal analógico de 4-20mA, sem causar interferência no sinal analógico. O emprego desse padrão possibilita uma comunicação bidirecional, entre o instrumento de medida e o controlador.

O padrão FSK permite que informação digital seja transmitida através de variações na frequência do sinal, que geralmente é um sinal analógico senoidal. Há dois estados binários: 0 e 1, que são representados por uma forma de onda analógica. A sequência de estados binários é convertida por um modem em um sinal FSK, que pode ser transmitido por linhas telefônicas, fibra óptica ou wireless. FSK também é conhecido como modulação em frequência (FM).

Figura x – Frequency Shift Keying (FSK)

O protocolo HART funciona com base no protocolo master/slave, de modo que um instrumento (slave) funciona passivamente, só fornecendo informação quando esta é requisitada pelo controlador (master). Isto permite que o protocolo HART possa ser utilizado tanto no modo ponto-a-ponto, com comunicação direta entre um o instrumento e o controlador, como no modo multidrop em que os instrumentos podem se comunicar entre si e, ao mesmo tempo, com o controlador.

Na implementação do sistema, os instrumentos de medida são os dispositivos slave, o PC atua como master primário e um smartphone atua como master secundário.

No intuito de garantir que qualquer dispositivo compatível com a tecnologia HART possa se comunicar corretamente e responder à um comando com a informação correta, os conjuntos e tipos de comandos são definidos nas especificações do protocolo HART e implementados nos dispositivos HART registrados.

O usuário final não necessita conhecer todos os comandos já que estes estão incluídos nas funções do software instalado no PC e/ou no aplicativo instalado em um dispositivo móvel. Deste modo, as informações medidas por um certo dispositivo se fazem disponíveis para o controlador de acordo com as especificações de cada dispositivo.

Existem três conjuntos de comandos no protocolo HART:

- Comandos universais: São comandos que todos os dispositivos devem reconhecer e suportar. Estes comandos dão acesso às informações úteis em condições normais de operação, como a leitura de valores primários em sensores, bem como como suas respectivas unidades;

- Comandos de uso comum: São comandos que dão acesso às funções implementadas na maioria dos dispositivos, mas não necessariamente em todos, como funções para diagnósticos;

- Comandos específicos do dispositivo: Representam funções que são únicas à cada dispositivo empregado, como aquelas referentes a calibração.

O protocolo fornece dois canais de comunicação simultâneos: o sinal analógico 4-20mA e um sinal digital. O primeiro sinal é usado para comunicar o valor principal medido por um instrumento, como a vazão no caso de um medidor de vazão, ou a altura da água em um tanque no caso de um sensor de nível. Qualquer informação adicional, incluindo o status do dispositivo, valores secundários medidos ou calculados pelo instrumento e diagnósticos, são transmitidos através do sinal digital superposto sobre o sinal analógico. Quando combinados, os dois canais de comunicação fornecem uma solução de comunicação robusta e de baixo custo, que é fácil de usar e configurar.

Figura x – Superposição dos canais de comunicação

O protocolo HART suporta até dois masters (primário e secundário). Desse modo, um controlador secundário, como um dispositivo portátil, pode se comunicar com o sistema sem interferir nas comunicações entre o controlador principal (um servidor, por exemplo), e os dispositivos.

Figura x – Comunicação ponto-a-ponto com controladores primário e secundário

Figura x – Comunicação multidrop com controladores primário e secundário

Na configuração multidrop é possível programar um modo de comunicação intermitente, em que um instrumento pode enviar uma resposta ao controlador automaticamente com uma determinada frequência, sendo portanto, uma ferramenta útil para a realização de diagnósticos do sistema e na automação de determinados processos.

Apêndice 2 – Protocolo WirelessHART

Conforme a necessidade de se adicionar novos processos de medição, faz-se necessário um método simples, confiável, seguro e barato que transmita os valores medidos sem a necessidade de se alterar a fiação existente, sendo necessário recorrer à tecnologia wireless.

WirelessHART é um protocolo de comunicação em redes para automação de processos. Este protocolo retira a necessidade do uso de fios do protocolo HART convencional (apêndice 1), sendo compatível com os dispositivos, comandos e ferramentas abrangidos por esse protocolo.

Cada rede WirelessHART inclui três elementos principais:

- Dispositivos de medida wireless, que podem ter a tecnologia WirelessHART embutida ou utilizarem um adaptador;- Gateways que são dispositivos que permitem a comunicação entre os instrumentos de medida e o controlador;- Gerenciador de rede que é responsável por configurar a rede, controlar os intervalos de comunicação entre os dispositivos e controladores e gerenciar as rotas de comunicação. O gerenciador de rede pode ser integrado no gateway ou no software responsável pelo controle do sistema.

Figura x – Esquematização da rede dispositivos pelo protocolo WirelessHART

Cada dispositivo na rede pode ser usado como um roteador para as mensagens de outros dispositivos. Sendo assim, não é necessário que um dispositivo se conecte diretamente com o gateway. Com isso, a capacidade da rede é expandida e há uma maior confiabilidade devido a redundância presente do sistema com diversas rotas de comunicação.

O gerenciador de rede determina as rotas redundantes de acordo com a latência, eficiência e confiabilidade dessas rotas. No intuito de assegurar que as rotas redundantes permanecerão abertas e sem obstruções, as mensagens alternam continuamente entre os caminhos redundantes. Deste modo, se uma mensagem não pode chegar em seu destino por um caminho, ela é automaticamente remanejada para um caminho alternativo, sem que se ocorra a perda de dados.

Como a rede é sem fio, é possível remanejar e adicionar novos instrumentos de medida com facilidade, sem que seja necessário interferir no funcionamento dos demais componentes do sistema.

Apêndice 3 – Válvula de controle proporcional de vazão (OMEGA PV14-SS)

i. Descrição

A válvula OMEGA PV14-SS é usada para automação de sistemas hídricos, atuando juntamente com um controlador e um medidor de vazão para controlar o fluxo de água através de um motor de passo.

ii. Princípio de funcionamento

A válvula eletronicamente controlada recebe um sinal de entrada (de 4-20mA) e, a partir deste sinal, controla a rotação de um motor de passo para determinar a abertura do canal por onde passa o líquido. É possível programar uma ação direta, onde a válvula permite uma maior vazão conforme a corrente do sinal aumente ou uma ação reversa, onde a vazão diminui conforme a corrente aumenta. A válvula também pode ser programada para diagnosticar uma falha no sistema e abrir ou fechar completamente a válvula quando a corrente do sinal fica abaixo de 3.5mA.

iii. Principais características operacionais

- Potência de operação: 12V (DC) @ 3A;- Entrada: sinal de 4-20mA (impedância de 250Ω);- Temperatura de operação: 0-49°C;- Pressão máxima: 120psi;- Atuador: Motor de passo DC, 200 passos/rev; - Velocidade: 45rpm.

Apêndice 4 – Medidor de vazão magnético indutivo para fluidos condutivos (KOBOLD DHM)

i. Descrição

O medidor de vazão eletromagnético KOBOLD DHM é utilizado para mensurar ou monitorar o fluxo de fluidos com ou sem concentração de sólidos, lodo ou pastas, bem como outros meios condutivos, minimizando a perda de pressão. A condutividade mínima deve ser de 5 µS/cm. Pressão, temperatura, densidade e viscosidade não afetam a medida de volume. Pequenas concentrações de partículas sólidas e bolsas de gás são medidas como parte do fluxo volumétrico, de modo que altas concentrações destes elementos resultarão em falhas ou medidas imprecisas.

ii. Princípio de funcionamento

De acordo com a lei eletromagnética de indução de Faraday, um campo elétrico E é produzido em um líquido condutivo que atravessa um campo magnético B com certa velocidade v, de acordo com a relação: E = v x B.Um fluido com velocidade v e fluxo Q fluindo por um tubo (1) e com um revestimento isolante (2) produz uma tensão UM nos dois eletrodos (4) perpendiculares a direção do fluxo e do campo magnético gerado pelas espiras (3). O módulo da tensão é proporcional à velocidade do fluido e, portanto, é proporcional também à vazão volumétrica.

Figura x – Esquematização do funcionamento do medidor de vazão

iii. Principais características operacionais

- Intervalo de medidas: 0.5 – 10 medidas/s;- Condutividade mínima: 5 µS/cm (líquidos em geral); 20 µS/cm (água

desmineralizada);- Precisão: ±0.3% da leitura. ± 0.01% x Qmax;- Temperatura de operação: 0 - 80°C (borracha); -20 - 150°C (PTFE);- Temperatura ambiente: -20 - 60°C (varia de acordo com a temperatura

ambiente);- Pressão máxima: 150lb.

Apêndice 5 – Transmissor ultrassônica de nível para líquidos (KOBOLD NUS-7)

iv. Descrição

O sensor de nível KOBOLD NUS-7 é um dispositivo ultrassônico para monitorar o nível de líquidos, tendo um transdutor e circuito de processamento integrados em um único encapsulamento.

v. Princípio de funcionamento

O sensor emite um sinal ultrassônico com frequência de 8Hz da base do transdutor. Esse sinal é refletido na superfície da água e retorna ao transdutor. O microprocessador embutido é responsável por medir o tempo entre a transmissão e a recepção do sinal, traduzindo esse tempo na distância entre o transmissor e a superfície da água. Esse princípio propicia uma boa precisão e torna desnecessário o contato do sensor com o líquido.

vi. Principais características operacionais

- Distância máxima até a superfície do líquido: 20 pés;- Precisão: ±0.3% da leitura ± 0.01% da escala;- Temperatura máxima: 80°C;- Pressão máxima: 40 psi.

Apêndice 6 – Monitor de capacidade e uso de baterias (SCHNEIDER CONEXT)

i. Descrição

O monitor de baterias SCHNEIDER CONEXT é um equipamento que permite monitorar a tensão, corrente, consumo e capacidade das baterias, sendo também capaz de estimar a quantidade de horas restantes de uso baseado nas estatísticas obtidas para o uso nas horas anteriores. Além disso, o monitor também pode controlar a temperatura das baterias. O monitor é conectado diretamente ao host, através de conexão RJ45, tornando possível o controle da demanda de energia dos equipamentos da residência e trabalhando com o controlador de carga para garantir que as bateiras não sobrecarreguem ou superaqueçam.

ii. Principais características operacionais

- Tensão de operação: 18 – 66V (DC);- Corrente de operação: 80mA @ V = 48V (DC), 150mA @ V=24V (DC);- Capacidade do sistema: 20 – 10000Ah;- Temperatura de operação: -20 – 50ºC.

Apêndice 7 – Controle de nível de água em cisternas e caixas d’água com controle PID

Decidiu-se utilizar controle PID nos sistemas hídricos da casa, isto é, nas cisternas e nas caixas d’água utilizadas na residência. O controle será empregado da seguinte maneira:

- Um medidor de vazão calcula o fluxo de água que entra no reservatório;

- Um sensor de nível dá a altura da água num determinado instante;- É definida uma altura de referência para o nível da água;- Os valores acima obtidos são alimentados ao sistema, de modo que se

possa controlar o funcionamento de uma bomba de água para que a água no reservatório se mantenha no nível de referência;

Primeiramente é necessário compreender o funcionamento do sistema à partir de um modelo matemático. Considerando um reservatório cilindro com área da base equivalente à A, em que entra um volume de água à uma taxa Qin e de qual é retirado um volume de água Qout, de modo que o nível de água do reservatório seja equivalente à h, como mostrado na figura abaixo.

Figura x – Representação esquemática do reservatório a ser considerado

A variação do volume de água V no reservatório é dada pela seguinte expressão:

dVdt

=Q¿−Qout

Como a área é constante, pode-se escrever:

Adhdt

=Q¿−Qout

Pela equação de Bernoulli:

P1+12ρ v1

2+ρgh1=P2+12ρ v2

2+ρgh2

Em que os pontos referentes aos índices 1 e 2 são aqueles localizados na superfície do líquido e na base do reservatório, respectivamente. Considerando, portanto, que as pressões são aproximadamente as mesmas (pressão atmosférica), e que a água na superfície do líquido encontra-se parada, obtém-se:

v2=√2gh1−h2=√2gh

Considerando que o cano por onde sai a água tem uma área de secção transversal equivalente à a, obtém-se então:

Qout=av2=a√2 gh

E, portanto:

Adhdt

+a√2gh=Q ¿

Que claramente não é uma relação linear. Entretanto, para valores de h próximos à altura total do reservatório, H, é possível utilizar uma expansão em série de Taylor para se obter a seguinte aproximação:

√h≈√H+ h−H2√H

De onde se tem que:

Aa √ 2Hg dh

dt+h=1

a √ 2Hg (Q¿−a√2 gH2 )

Que é a equação que modela o sistema. Nota-se que as áreas A e a, a altura do reservatório H, a aceleração da gravidade e a vazão de entrada Q in são todos constantes, de modo que a equação acima pode ser escrita como:

τdhdt

+h(t )=u(t)

Onde τ é a constante de tempo do sistema e u(t) é a entrada do tipo degrau unitário que, representa o valor da altura de referência que se deseja obter.

Aplicando a transformada de Laplace em ambos os lados da expressão acima obtém-se o seguinte:

τ [ sH (s )−h (0 ) ]+H (s)=U (s)

Onde:

H (s )≡ L h (t ) =∫−∞

∞

h (t ) e−st dt

É a transformada de Laplace da função h(t). (O mesmo vale para a função u(t)). Considerando condições iniciais nulas, é possível obter a função de transferência do sistema, isto é, a razão entre a transformada de Laplace da saída (H(s)) e da entrada (U(s)):

G (s )=H (s )U ( s )

= 1τs+1

A partir dessa função é possível modelar o subsistema que relaciona a altura da água com a altura de referência.

Um controle PID para controlar a função u(t) a partir do erro do e(t) entre a altura do líquido no reservatório h(t) e a altura desejada é dado pelos coeficientes da seguinte relação:

u (t )=K p e ( t )+K i∫0

t

e (τ )dτ+Kdde (t )dt

Onde Kp, Ki e Kd representam os ganhos proporcionais, integrais e derivativos, respectivamente. Estes coeficientes serão responsáveis por determinar a constante de tempo do sistema, devendo ser ajustados de acordo com a velocidade de resposta desejada.

Considerando o modelo acima descrito, obtém-se o seguinte diagrama de blocos:

Figura – Diagrama de blocos para o sistema de controle de nível de água em um reservatório

No intuito de se obter constantes de tempo equivalentes a 1s e 10s, os coeficientes do controle PD foram ajustados de acordo com a tabela:

τ (s) Kp Ki Kd tr (s) ts (s) Mp Estabilidade

1 19,2665 10,5916 -0,0843 0,77 5,06 1,11 Estável10 1,5674 0,31624 -0,0686 7,8 28,8 1,08 Estável

Tabela – Características do sistema para as constantes de tempo desejadas

Onde tr, é o tempo de subida, ou seja, o tempo necessário para que a resposta passe de 0% a 100% do valor de regime permanente, ts é o tempo de acomodação, que é o tempo necessário para que a resposta alcance valores em torno de 98% do valor de regime

permanente e Mp é a máxima sobre sinal, isto é, o valor máximo de pico da curva de resposta em relação ao valor em regime permanente. As respostas são obtidas visualmente na figura seguinte.

Figura – Respostas para as constantes de tempo de 1s e 10s

Apêndice 8 – Sistema para automação e controle da residência (APTHOUSE INTEGRADORA)

Faz-se necessária a criação de um sistema central que será responsável por controlar os subsistemas hídricos e de eletricidade da residência. Esse sistema compreenderá tanto a conexão e comunicação entre os sensores e atuadores de cada sistema, através do protocolo HART e de sinais analógicos, quanto a interface que permitirá que os usuários da casa possam consultar o status dos sistemas da casa, obtendo informações como a quantidade de água nas cisternas e caixas d’água, o consumo hídrico diário, a carga das baterias, o consumo elétrico, etc.

Para estas funções, foi necessário recorrer aos serviços da empresa APTHOUSE INTEGRADORA, que é uma empresa renomada no ramo de automação residencial e comercial e reconhecida pela AURESIDE (Associação Brasileira de Automação Residencial e Predial). O seguinte projeto foi proposto:

- Criação de uma host application para PC responsável por receber os sinais dos dispositivos habilitados com o protocolo HART;

- Esta host application pode ser uma página em HTML, que, mediante ao fornecimento de login e senha, permite que o usuário controle os sistemas da casa pela Internet;

- Os valores medidos pelos sensores são alimentados à um controlador de entradas e saídas, processados e utilizados para controlar as bombas e válvulas, de acordo com a necessidade, através de um sinal elétrico analógico;

- A conexão RJ-45 do monitor de baterias SCHNEIDER CONEXT será utilizada para alimentar o sistema com as informações referentes a capacidade das baterias, sendo possível também realizar os diagnósticos das mesmas;

A decisão de implementar o sistema em uma página HTML vem da necessidade de se poder controlar os sistemas da residência à partir de qualquer dispositivo com acesso à Internet¸ desse modo, desde que o servidor em que está armazenada a página HTML esteja funcionando normalmente, será possível verificar o status do sistema ainda que não se esteja presente na residência.