INTEGRAÇÃO DE SINAIS UNIDADE 4

Prévia do material em texto

<p>Integração de Sistemas</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Prof. Esp. Márcio Belloni</p><p>Revisão Textual:</p><p>Prof. Me. Luciano Vieira Francisco</p><p>Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Interfaces e High-Definition</p><p>Multimedia Interface (HDMI)</p><p>• Estudar os diversos sistemas de interface e High-Definition Multimedia Interface (HDMI),</p><p>além da visualização dos sistemas integrados.</p><p>OBJETIVO DE APRENDIZADO</p><p>• Introdução às Interfaces;</p><p>• Criando o High-Definition Multimedia Interface (HDMI) no Ambiente Scada;</p><p>• Incluindo o ATMega em seus Projetos.</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Introdução às Interfaces</p><p>Sistema Supervisory Control and Data Aquisition (Scada)</p><p>Os sistemas Scada – controle supervisório e de aquisição de dados – realizam fun-</p><p>ções que incluem a supervisão e o controle de processos locais ou remotos em tempo</p><p>real. Esses sistemas, em geral complexos, são constituídos por computadores, aplica-</p><p>tivos e dispositivos utilizados para a aquisição de dados e para atuar sobre os processos.</p><p>Todos os equipamentos são interligados através de uma rede de comunicação.</p><p>Os sistemas Scada são de importância estratégica, já que são adotados na maioria</p><p>das indústrias que compõem a infraestrutura de um país. As aplicações da tecnologia</p><p>Scada alcançam praticamente todo o espectro do setor produtivo, na indústria quí-</p><p>mica, petroquímica e de cimento; na indústria alimentícia; na produção e distribuição</p><p>de energia elétrica; na distribuição de água; no controle de oleodutos, gasodutos,</p><p>centrais nucleares, edifícios inteligentes e tráfego.</p><p>Dos sistemas monolíticos iniciais, da década de 1960, baseados em mainframes,</p><p>de arquiteturas fechadas, dependentes de fabricante e isolados, o padrão Scada evolui</p><p>para sistemas abertos e com uma arquitetura fortemente centrada em conectividade.</p><p>Nesse novo modelo é cada vez mais frequente a interligação das redes Scada com</p><p>as intranets corporativas e, em consequência, com a própria internet. Essa inte-</p><p>gração de redes, com características e propósitos distintos, dá-se com o objetivo de</p><p>aumentar a eficiência, competitividade e produtividade das empresas.</p><p>É importante salientar que a integração entre as redes Scada, essencialmente</p><p>voltadas à supervisão e ao controle de processos; e as redes corporativas, voltadas ao</p><p>processamento, armazenamento e à recuperação de informações, incorporam alguns</p><p>problemas relacionados à segurança e que podem alterar ou interromper a operação</p><p>de processos críticos que são supervisionados e controlados pelos sistemas Scada.</p><p>Os eventuais problemas de segurança, que antes eram restritos a cada um dos</p><p>ambientes de rede, passam a ser compartilhados, de modo que tal compartilha-</p><p>mento aumenta a possibilidade de ocorrência de um incidente de segurança e, pela</p><p>característica das entidades envolvidas, amplifica as suas consequências.</p><p>Os sistemas Scada são compostos por uma unidade central de processamento,</p><p>chamada de estação central, ou de MTU – Master Terminal Unit – e de estações</p><p>remotas, chamadas de RTU – Remote Terminal Unit. Esses componentes trocam</p><p>informações através de um meio de comunicação, que pode ser link através de satélite,</p><p>link de rádio, cabo metálico ou fibra ótica.</p><p>8</p><p>9</p><p>Estação central</p><p>Estação remota 1 Estação remota 2 Estação remota 3</p><p>Meios de comunicação</p><p>F igura 1 – Arquitetura simplifi cada de um sistema Scada</p><p>Será utilizado para forma didática o software Scada denominado Elipse Scada, disponível</p><p>em sua versão demo – para uso acadêmico. Assim, você poderá acessar o software Scada e</p><p>o protocolo ModBUS para Scada. Disponível em: https://bit.ly/2AJyGm4</p><p>ModBUS</p><p>Para que o software Scada, que se encontra instalado no sistema computacio-</p><p>nal, comunique-se com o microcontrolador, deve-se utilizar um protocolo que viabi-</p><p>lize essa comunicação, integrando os sistemas. Desta forma, utilizou-se o protocolo</p><p>ModBUS. Trata-se de uma estrutura de mensagem desenvolvida pela Modicon em</p><p>1979, usada para estabelecer comunicação entre os dispositivos mestre-escravo/</p><p>cliente-servidor. É um padrão, dado que muitos protocolos de rede industriais o uti-</p><p>lizam em seu ambiente. O protocolo ModBUS disponibiliza um padrão de indústria</p><p>através do método ModBUS para trocar mensagens.</p><p>Os dispositivos ModBUS se comunicam utilizando a técnica mestre-escravo, a</p><p>qual permite que somente um dispositivo – mestre – possa iniciar as transações –</p><p>chamadas de queries. Os outros dispositivos – escravos – respondem de acordo com</p><p>o pedido do mestre, ou de acordo com a tarefa em questão. Um dispositivo periférico</p><p>escravo – válvula, drive de rede ou outro dispositivo de medição – processa a infor-</p><p>mação e envia o dado ao mestre.</p><p>Ademais, sendo um protocolo serial, pode ser utilizado com uma simples conexão</p><p>Universal Serial Bus (USB), tornando o sistema integrado de forma versátil.</p><p>Criando o High-Definition Multimedia</p><p>Interface (HDMI) no Ambiente Scada</p><p>A criação de uma aplicação é o ponto de partida para a montagem de um sistema</p><p>utilizando o Elipse Scada. Em uma aplicação, o usuário reúne todos os elementos</p><p>9</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>necessários para a execução das tarefas desejadas. As informações referentes a esta</p><p>aplicação ficam armazenadas em um arquivo de extensão APP.</p><p>Alguns elementos são importantes na interface do Elipse Scada, por exemplo:</p><p>• Barra de ferramentas: apresenta botões para fácil acesso às funções do sistema;</p><p>• Barra de status: mostra as mensagens do sistema;</p><p>• Área de trabalho: para desenvolvimento da aplicação;</p><p>• Barra de menus: para a escolha das funções do sistema;</p><p>• Barra de telas: para a seleção da tela que se quer trabalhar.</p><p>Figura 2</p><p>Para criar uma aplicação:</p><p>1. Escolha, no menu Arquivo, a opção Nova Aplicação;</p><p>2. No quadro Salvar Aplicação Nova! escolha um nome e o lugar aonde a</p><p>aplicação será salva. Além dos arquivos de extensão APP, existem outros</p><p>gerados e utilizados pelo Elipse Scada.</p><p>A fim de permitir uma visão simples e organizada de toda a aplicação, o Elipse</p><p>Scada oferece uma poderosa ferramenta de programação, denominada Organizer.</p><p>A partir do Organizer, você desenvolverá toda a aplicação simplesmente nave-</p><p>gando através de sua estrutura, esta que pode ser comparada a uma árvore de dire-</p><p>tórios. Desta forma, a estrutura da aplicação começa no canto superior esquerdo,</p><p>com a raiz da aplicação.</p><p>Todos os objetos da aplicação descem a partir da raiz, agrupados de acordo com</p><p>o seu tipo: tags, telas, alarmes, receitas, históricos, relatórios e assim por diante.</p><p>10</p><p>11</p><p>Figura 3 – Tela do Organizer</p><p>Criando a Aplicação</p><p>Clica-se em criar uma nova aplicação; seleciona-se um nome e clica-se em OK.</p><p>Criando Telas no Elipse Scada</p><p>Uma tela pode ser definida como uma janela para o monitoramento de um pro-</p><p>cesso, onde serão inseridos os objetos que farão a interface do operador com o</p><p>sistema. Cada aplicação pode ter um número ilimitado de telas.</p><p>As telas correspondem ao ponto de partida para a construção da interface de</p><p>sua aplicação. Um bom desenho de tela garante melhor compreensão do processo</p><p>supervisionado e a utilização mais fácil dos recursos acrescentados à aplicação.</p><p>Clica-se, então, em telas no Organizer, podendo-se criar e deletar telas.</p><p>Figura 4</p><p>11</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Criando a Escala</p><p>Para criar o meio de visualizar a temperatura, é necessário apresentar em tela</p><p>uma escala graduada.</p><p>Figura 5</p><p>Clicando duas vezes na escala criada, pode-se configurar o sistema.</p><p>Figura 6</p><p>Criando Tags no Elipse Scada</p><p>A supervisão de um processo com o Elipse Scada ocorre através da leitura de variá-</p><p>veis de processos no campo. Os valores dessas variáveis são associados a objetos do</p><p>sistema chamados de tags. Para cada objeto inserido na tela, devemos associar, pelo</p><p>menos, um tag ou atributo.</p><p>Os tags são todas as variáveis – numéricas ou alfanuméricas – envolvidas em</p><p>um aplicativo.</p><p>12</p><p>13</p><p>Os atributos são dados fornecidos</p><p>pelo Elipse Scada sobre parâmetros de sistema</p><p>e componentes da aplicação. Como exemplo, podemos considerar um tag como a</p><p>temperatura de um forno, de modo que um de seus atributos poderia ser o nível de</p><p>alarme a partir do qual deva ser acionada uma sirene.</p><p>O valor do tag ou do atributo associado poderá, por exemplo, ser mostrado</p><p>pelos objetos de animação em uma tela, ser utilizado em cálculos em um script, ser</p><p>modificado através de ações do operador, entre outras possibilidades. Ao criar tags,</p><p>o usuário poderá organizá-los livremente em grupos, de forma a facilitar a procura e</p><p>identificação durante o processo de configuração. Para a criação de um grupo, basta</p><p>selecionar o item Tags no Organizer e clicar em Novo Grupo.</p><p>Configurando o Scada com ModBUS</p><p>Deve-se configurar tanto o Elipse Scada quanto o IDE do Arduino para que o</p><p>ATMega e o Scada comuniquem-se via ModBUS. No Scada, dentro do Organizer,</p><p>deve-se instalar o ModBUS clicando no driver. Então, baixa-se o arquivo compactado</p><p>do ModBUS, descompactando-o e em seguida:</p><p>• Entra-se no Scada e no Organizer. Seleciona-se os drivers, novo e o driver do</p><p>ModBUS (Modbus.dll);</p><p>• Ainda no Organizer, clica-se em configurar a fim de parametrizar o ModBUS</p><p>e seleciona-se: Extras → RTU Mode:</p><p>Figura 7</p><p>13</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Na aba Setup, configura-se o Physical Layer (meio físico) como Serial.</p><p>Figura 8</p><p>Ainda na aba Setup, configura-se a Porta e o Baud Rate – que estão parametri-</p><p>zados no Arduino.</p><p>Figura 9</p><p>Configura-se o parâmetro de comunicação, criando o tag de comunicação.</p><p>Na aba Tags, cria-se um em Novo Tag.</p><p>14</p><p>15</p><p>Seleciona-se Tag PLC.</p><p>Figura 10</p><p>Fonte: Acervo do conteudista</p><p>Verifique que os parâmetros de configuração serão os seguintes:</p><p>• N1: número do hardware slave. Em nosso caso será 1. Cada microcontrolador</p><p>ATMega poderá tratar 16 portas, e o Scada poderá controlar 255 slaves.</p><p>Assim, o sistema integrado poderia controlar 4.080 unidades – existem mais</p><p>condições para ampliar este controle;</p><p>• N2: usa 3 para leitura e 1 para escrita;</p><p>• N3: é irrelevante para esta aplicação;</p><p>• N4: é o número do registro. Como nomearemos o registro no ATMega como</p><p>1, coloca-se 2 – o registro do Scada não inicia no 0.</p><p>Assim:</p><p>• N1: 1;</p><p>• N2: 3;</p><p>• N3: 0;</p><p>• N4: 2.</p><p>O microcontrolador apresenta 1.024 posições, de 0 a 1.023. Contudo, o LM35</p><p>apresenta 1°C a cada 1 mV, mas a graduação do sistema Arduino irá de 0 a 5 V,</p><p>pois alimentamos o LM35 utilizando a fonte de tensão do Arduino. Demandaria</p><p>controlá-lo no programa do microcontrolador, mas com o Scada podemos fazer isso</p><p>de forma mais simples: basta informar ao Scada a graduação do microcontrolador e</p><p>a graduação do LM35. CLP inferior (0), CLP superior (1.023), sistema inferior (0) e</p><p>sistema superior (100).</p><p>15</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Configurando o ATMega com o ModBUS</p><p>É necessário que o microcontrolador possa compreender o protocolo ModBUS,</p><p>devendo carregar junto ao programa a biblioteca do ModBUS. Para tanto:</p><p>Abra o IDE Arduino – lembrando que o IDE possui pré-instaladas algumas bibliotecas.</p><p>Clique em Sketch → Incluir biblioteca → Adicionar biblioteca .ZIP – contudo,</p><p>não necessariamente a biblioteca deverá estar compactada.</p><p>Vá à pasta em que foi descompactado o ModBUS e selecione a pasta ModBUS</p><p>Slave – não entre na pasta, apenas selecione e clique em OK.</p><p>Figura 11</p><p>Pronto! A biblioteca foi adicionada ao IDE do Arduino.</p><p>Em Síntese</p><p>• Incluímos a biblioteca do ModBUS Slave:</p><p>#include</p><p>• Para proteger a biblioteca, criamos uma cópia:</p><p>ModbusSlave arduino; // cópia do drive de comunicação</p><p>• Criamos a variável de registro:</p><p>int registro[20];</p><p>• Iniciando o setup, configuramos a comunicação com o Scada:</p><p>void setup()</p><p>{</p><p>arduino.configure (1, 9600, ‘n’, 1); // função de configuração do drive ModBUS, onde:</p><p>16</p><p>17</p><p>• 1 para slave1;</p><p>• 9600 é o valor do baund rate;</p><p>• N para trabalhar sem paridade;</p><p>• 1 para informar que se trata de um microcontrolador ATMega.</p><p>• Configuramos os pinos:</p><p>pinMode(7, OUTPUT);</p><p>pinMode(A5, INPUT);</p><p>}</p><p>• Iniciamos o loop, enviando ao Scada o valor do registro, o qual nomeamos registro 1,</p><p>mas deixamos duas opções – para o caso de aumentar os registros:</p><p>void loop()</p><p>{</p><p>arduino.update (registro, 2);</p><p>• Procedemos com a leitura do pino A5 e o atribuímos ao registro 1:</p><p>registro[1]=analogRead(A5);</p><p>• Como padrão, o sistema de refrigeração deve ser desligado. Assim, colocamos o</p><p>pino 7 com nível baixo:</p><p>digitalWrite(7,0);</p><p>• Apresentamos a condição de que se o registro for lido como maior que 600 – isto</p><p>porque consideramos o valor do microcontrolador (e não o da temperatura) – o</p><p>sistema será ligado, atribuindo-se nível alto ao pino 7:</p><p>if (registro[1]>600){</p><p>digitalWrite (7,1);</p><p>}</p><p>}</p><p>Incluindo o ATMega em seus Projetos</p><p>Uma vez programado, pode-se utilizar o ATMega fora do Arduino em pro-</p><p>jetos autônomos.</p><p>O ATMega possui um clock próprio, mas pode-se ajustá-lo mediante a porta 21.</p><p>É igualmente possível utilizar os pinos TX/RX para comunicação serial, empregando,</p><p>se for o caso, um shield de comunicação USB.</p><p>Por fim, veja a seguir pinagem do microcontrolador na utilização do ATMega 238</p><p>diretamente na PCB:</p><p>Pinagem do ATMega 328. Disponível em: https://bit.ly/2UNLDC0</p><p>17</p><p>UNIDADE Interfaces e High-Definition Multimedia Interface (HDMI)</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Sites</p><p>Arduino</p><p>https://bit.ly/2zEJ5Po</p><p>Autodesk Thinkercad</p><p>Ambiente on-line de simulação de circuitos eletrônicos Thinkercad.</p><p>https://bit.ly/30RPz8Y</p><p>Leitura</p><p>Datasheet do LM35</p><p>https://bit.ly/2N4ygJo</p><p>Datasheet do o relé NT73 JQC-3FC</p><p>https://bit.ly/2USaqVL</p><p>18</p><p>19</p><p>Referências</p><p>ANGEL, P. M. Introducción a la domótica. In: Domótica: controle y automación.</p><p>[S.l.]: Ebai, 1993.</p><p>BARBOSA, L. A. G. Edificações inteligentes: conceitos e considerações para</p><p>o projeto de arquitetura. 2006. 129 f. Dissertação (Mestrado em Ciências em</p><p>Arquitetura) – Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do</p><p>Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006.</p><p>BOLZANI, C. A. M. Desenvolvimento de um simulador de controle de</p><p>dispositivos residenciais inteligentes: uma introdução aos sistemas domóticos.</p><p>2004. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.</p><p>BRETERNITZ, J. V. Domótica: as casas inteligentes. 2001. Disponível em: . Acesso em: 20 maio 2006.</p><p>FACELI, K. et al. Inteligência artificial: uma abordagem de aprendizagem de</p><p>máquina. Rio de Janeiro: LTC, 2011.</p><p>MONTEBELLER, S. J. Estudo sobre o emprego de dispositivos sem fios: wireless</p><p>na automação do ar condicionado e de outros sistemas prediais. 2006. Dissertação</p><p>(Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006.</p><p>SANTOS, S. Introdução à IoT: desvendando a internet das coisas. Scotts Valley,</p><p>CA, EUA: CreateSpace, 2018.</p><p>TAURION, C. Big data. Rio de Janeiro: Brasport, 2013.</p><p>TEZA, V. R. Alguns aspectos sobre a automação residencial – domótica.</p><p>2002. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina,</p><p>Florianópolis, SC, 2002. Disponível em: . Acesso em:</p><p>13 maio 2020.</p><p>Sites Visitados</p><p>ATUADOR pneumático/linea/para máquina de solda por ultrassom. Direct</p><p>Industry, [20--]. Disponível em: . Acesso em: 13 maio 2020.</p><p>OFICINA DE ROBÓTICA. Programação em Arduino – módulo básico. abr. 2013.</p><p>Disponível em: . Acesso em: 13</p><p>maio 2020.</p><p>19</p>