Sistema Programável de Telemetria e Telecomando (SPTT)
Engº Alcemy da C. Silva, Luis Paulo S. Olyntho e Sandro C. Ribeiro, Prof. Engº
Marcos Capatto
Sistema de telemetria e telecomando,Curso de Engenharia Elétrica/Eletrônica,
Faculdade de Engenharia de Resende, Associação Educacional Don Bosco
(AEDB)
CEP:27511-971-Estrada Resende Riachuelo, nº 2535, Campo de
Aviação,Resende-RJ, BRASIL
http://www.aedb.com.br
Resumo: Estão bem evidentes atualmente, os benefícios da automação e sua
aplicação é cada vez mais solicitada, mesmo fora do ambiente industrial. A
produção em larga escala, de controladores lógicos programáveis versáteis com
capacidade de receber e enviar sinais analógicos e/ou digitais diretamente de
suas interfaces de entrada e saída, o estabelecimento de diversos padrões de
interfaces de comunicação digital, a consolidação do conceito das redes de dados
e sistemas de telecomunicação, tornaram possível o desenvolvimento de projetos
de rede de automação com as mais variadas características e os mais diversos
propósitos.
Este trabalho visa implementar um sistema de automação, operado
remotamente, baseado em micro-controladores, desenvolvido para supervisionar
equipamentos de transmissão de TV de uma Geradora de Televisão, através de
uma rede de comunicação de dados privada, de longa distância, utilizando
software supervisório desenvolvido especialmente para este fim.
ABSTRACT: It’s more and more clear nawadays the benefits of automation and its
aplication, even out of the factory environment. A large scale production of the
programmable logic controllers with the capacity to receive and to send analog and
digital signals straightly from its input/output interface, the standardization of
several digital communication interface patterns, the consolidation of the concept
about data network and telecommunication systems, have made possible the
development of some projects of automation with the most various features for the
most different purpose.
This work intend to project an automation system based on micro controller,
developed to control transmission equipments of a Television Station with remote
supervision through a long distance private data communication network using
supervisory software especially developed for this purpose.
Keywords: Frame de aquisição, frame de dados, frame de comando, supervisório,
unidade terminal remota
1- Introdução
A proposta do SPTT é criar um sistema remoto de automação inteligente que,
monitore e meça diversos tipos de eventos ou grandezas físicas que possam ser
1
traduzidos em sinais elétricos, e que, baseado nos estados ou medidas desses
eventos ou grandezas físicas, seja capaz de acionar, dispositivos e operar
equipamentos, de forma programada e em tempo real, utilizando-se de atuadores
eletrônicos e eletromecânicos. Alem de monitorar e medir, o sistema também
deverá ser capaz de transmitir relatórios periódicos de todos os eventos e
grandezas monitorados a uma central de controle conectada on-line, e permitir
que através de uma adequada interface homem máquina, um operador humano
também possa acionar ou operar a
distância os equipamentos remotos
conectados ao sistema de automação.
Um outro aspecto de grande importância para este projeto é que as
industrias tradicionalmente tem seus parques tecnológicos de produção,
instalados em uma mesma área geográfica, o que é um facilitador na
implementação do sistema de automação, outras empresas, no entanto, que tem
seus modelos de negocio montados sobre parques tecnológicos que estão
distribuídos geograficamente e, terão a distância entre esses parques como
elemento que dificulta a automação, como é o caso das Emissoras de Radio,
Emissoras de Televisão, empresas de telefonia, provedores de banda larga,
distribuidoras de energia elétrica, etc. para solucionar esse problema utilizaremos
os conceitos de redes de computadores que há décadas tinham suas aplicações
restritas basicamente ao ambiente corporativo. Um esquema básico do sistema
pede ser visto na figura 1.
2 – Interface de
Aplicação
(RTU)
1-Sensores e atuadores que monitoram, controlam ou medem algum
tipo de atividade localmente
2-Interface de Aplicação interface entre os sensores e a rede de
comunicação. Para aplicações remotas refere-se à unidade terminal
remota (RTU)
3-Base de Comunicação sistema de radiomodem que transmite
informações dos sensores através de interface de aplicação para um
computador central
4-Central de Controle Sistema central inteligente que reúne os dados
da interface de aplicação, emite relatórios e toma decissões de comandar
outros dispositivos
V
Sensor
Logico
V
C
P
U
Sensor
POT
Sensor
Analogi
TX 1
Radio
Mode
m
V
CH
ON/OF
BAT
Rede de
comunicação de
Dados – via
Radio Modem
AC
ON/OFF
Sensor
TEMPE
Atuado
r
3- Base
Comunicação
C
P
U
Porta
ON/OFF
Sensor
Logico
Sensor
Analogi
Radio
Modem
4 - µComput
Central de
controle
1 - Sensores e
atuadores
TX 1
CH
ON/OF
Atuado
r
BAT
Idem
anterior
Radi
Mode
2
V
Fig 1 – Esquema básico do SPTT
2- Aquisição de dados e acionamento remotos
A unidade terminal remota (RTU) foi definida a partir da necessidade de
realizar as principais atividades antes executadas manualmente por um operador
dos transmissores de TV em relação ao
sistema de transmissão sob os seus cuidados, o que podemos definir como
controle de processo, as quais são: comutar o transmissor principal pelo reserva
quando: aquele apresentar funcionamento inadequado, o fornecimento de energia
da concessionária for interrompido, a temperatura da sala dos transmissores for
maior que 30º Celsius, alem de fazer a vigilância patrimonial evitando a invasão de
intrusos. Alem de realizar esse procedimento, o operador tinha a incumbência de
periodicamente registrar em relatório apropriado os principais parâmetros
relacionados ao transmissor e reportá-los via radio comunicação de voz para
central de controle na sede da Emissora de TV independente de haver ou não
alguma ocorrência de mau funcionamento do sistema de transmissão. Esse canal
de comunicação de voz era bidirecional para possibilitar intervenção remota do
técnico especialista locado na sede orientando via radio o operador de TX quando
houvesse uma irregularidade fora do seu campo de conhecimento. O desenho
básico da RTU, que representa as condições acima é mostrado na figura 2.
Máquinas e
processos
monitorados:
Temp. Sala
Potencia.
TX1
Ausência AC
Porta aberta
Estado TX2
Variáveis de
entrada
Sensores de
estado e lineares
Variáveis de controle
entrada
Controlador
Programável
(PIC)
Comunicação
Remota
Máquinas e
processos
controlados:
Liga/desl
TX1
Liga/desl.TX
2
Atuadores e
sinalizadores
Variáveis de saída
Variáveis de controle
de saida
RTU
Figura 2 – Desenho básico da RTU
Alem de realizar esse procedimento, o operador tinha a incumbência de
periodicamente registrar em relatório apropriado os principais parâmetros
relacionados ao transmissor e reportá-los via radio comunicação de voz para
3
central de controle na sede da Emissora de TV independente de haver ou não
alguma ocorrência de mau funcionamento do sistema de transmissão. Esse canal
de comunicação de voz era bidirecional para possibilitar intervenção remota do
técnico especialista locado na sede orientando via radio o operador de TX quando
houvesse uma irregularidade fora do seu campo de conhecimento. O desenho
básico da RTU, que representa as condições acima é mostrado na figura 1.
O controle de processo realizado apenas pela RTU pode ser definido como
controle de malha fechada uma vez que a variável de entrada influirá na variável
de saída, cabendo ao operador da Central do Supervisório manter ou não a
decisão da RTU, transformando assim o processo em controle de aprendizado
conforme vimos na Introdução.
As operações descritas acima apresentam requisitos que demandam
operação em tempo real dentro do site de transmissão, como é o caso da
percepção de falha do TX principal, abertura de porta, temperatura elevada e
subseqüente comutação para o TX Reserva e on-line na comunicação com a
central. As informações analógicas convertidas em dados são de baixa magnitude,
podendo ser representados com precisão por uma palavra de oito bits, como é o
caso da monitoração da potencia direta do transmissor e da temperatura da sala
dos transmissores. Devido a esses fatos escolhemos um microcontrolador
programável do tipo PIC para ser o coração da nossa unidade terminal remota em
função da sua versatilidade e de ter o menor custo beneficio para os requisitos
solicitados, se comparados aos similares PLC ou Microprocessador.
3- Central de comando
A Central de comando foi conceituada como o conjunto de programas
gerados e configurados no software básico de supervisão, implementando as
estratégias de controle e supervisão com telas gráficas de interfaceamento
homem-máquina que facilitam a visualização do contexto atual, a aquisição e o
tratamento de dados do processo e a gerencia de relatórios e alarmes. Como a
RTU trabalha em local remoto sem assistência humana esta não necessita de IHM
(interface homem máquina), que é implementada apenas na Central de comando
que precisa armazenar e apresentar os dados recebidos de forma o mais amigável
possível de maneira que as informações do relatório sejam facilmente
interpretadas permitindo uma atuação mais rápida do operador do supervisório
nos casos de irregularidades no site de transmissão apontados pela unidade
terminal remota.
Como descrito no capítulo 2, a unidade terminal remota tem inteligência
limitada definida pela programação implementada no microcontrolador e é capaz
de tomar as decisões mais crucias para a manutenção da operacionalidade do
sistema de transmissão. No entanto é o operador do supervisório que
supervisionará as ações da RTU, normalizando através da Central de Supervisão
a operação dos transmissores e acionará a equipe de manutenção quando
necessário.
Para atender a esses requisitos definimos como base de hardware da
Central do Supervisório um microcomputador Desktop de baixo custo como a
seguinte configuração:
4
•
•
•
•
•
•
•
Processador K6 II
Clock 350 MHz
64 MB de memória RAM
Disco Rígido IDE de 4 Gb
Placa de interface serial EIA-232
Monitor de 14 pol
Drive 3 ½
O software supervisório será escrito para realizar as tarefas
relacionadas nos capítulos 2 e 3 e desenvolvido em linguagem Delphi 6
através do hiperterminal e gravada no disco rígido do Desktop, e
apresentará a tela do protótipo da figura 3.
(1)
(2)
(4)
(5)
(3)
Figura 3 – Protótipo da Tela da Central do Supervisório.
A tela principal do supervisório mostra:
1–
Simultaneamente todas as RTU com os respectivos relatórios de dados que
é atualizado a cada interrogação da rede.
5
2–
Campo do status de comunicação indicando a taxa de erro na transmissão
de cada RTU, se há comunicação e qual a data/horário da última comunicação
realizada.
3–
Campo para visualização de alarme caso alguma RTU relate alguma
irregularidade.
4Campo dedicado a mostrar o status da porta serial do DTE mestre
5–
Lista de comandos durante a execução do programa.
4- Rede de comunicação de dados
A interconexão entre a Central de Supervisão e Unidades Terminais
Remotas ocorrerá através dos enlaces de rádios digitais que configuram por si só
uma rede de comunicação de dados.
Como as distâncias envolvidas entre cada terminal, é grande, e até mesmo
abrange diversas cidades, podemos classificá-la como uma rede privada do tipo
WAN (Wide Área Network). E pelas mesmas razões o meio físico escolhido para
transmissão foi o ar e o transceptor, um rádio modem.
Um modem, denominado genericamente como DCE – Equipamento de
Comunicação de Dados tem uma interface para o meio físico e uma para o
processador gerador da mensagem, genericamente chamado de DTE –
Equipamento Terminal de Dados, como mostra a figura 4. A interface utilizada
entre o DTE e o DCE exige que certos procedimentos (chamados de protocolos)
sejam observados ao se estabelecerem comunicação entre as duas extremidades,
de acordo com Helder (1999). Na forma como utilizaremos, primeiro, o DTE e o
modem da extremidade transmissora devem estabelecer comunicação um com o
outro. O DTE indica ao modem que quer transmitir, e após esse modem sinalizar
que está pronto o dá-se início a transmissão da mensagem. O modem receptor
tem de entrar em contato com o seu DTE para verificar se este está pronto a
receber e após confirmação transfere a mensagem recebida ao seu DTE.
Cabo da
interface
EIA-232
Meio Físico
DTE
DCE
modem
DCE
DTE
modem
DCE
DTE
modem
Figura 4 - Link Multiponto com interface EIA-232
6
No software de aplicação os dados serão encapsulados em três tipos de
frame de mensagem, o frame de requisição de dados, frame de dados e o frame
de comando. Estes frames serão codificados na camada de apresentação e cada
dado do byte básico será representado por um caractere do código ASCI II
conforme mostram a figura 5
O frame de requisição de dados será construído com 6 campos perfazendo
um total de 15 bytes. Como cada byte possui 11 bits este frame terá um total de
165 bits com a estrutura mostrada na figura 6.
Os bytes dos campos Pré Sincronismo, Start of Frame, End of Frame e Pós
Sincronismo tem estrutura fixa e deverão apresentar sempre os mesmos
caracteres.
O byte do campo Adress indicará a qual DTE remoto pertence o endereço
da mensagem de dados enviada ao mestre. Pode assumir os seguintes valores:
A
para RTU A
B para RTU B
O byte do campo Tipo de Frame indicará que tipo de dado está sendo
enviado para a DTE do supervisório:
O 1º byte informa o status da porta do site nível lógico “0” porta aberta e
“1” porta fechada
O 2º byte informa o status do TX2
nível lógico “0” TX ligado e “1” TX
desligado
nível
O 3º byte informa o status do fornecimento de energia elétrica
lógico “0” AC presente e “1” AC ausente
O 4º byte informa o nível de potencia do TX1
pode variar de 00 a FF
representando tensões analógicas entre 0 e 5V com 256 níveis distintos com
precisão de (5 V/256) 0,02V.
O 5º byte informa o nível de temperatura na sala do TX
pode variar entre 00 e
FF representando variações de temperatura com precisão de 0,02ºC.
1
8 bits
bit
Dados
Start
1 bit
1 bit
Pari-dade
Stop
Figura 5 – Byte básico EIA-232
F
F
Pré
Sincronismo
F
T
V
R
Start of Frame
S
?
Adress
/
E
N
D
Tipo End of Frame
Frame
Requis
F
F
F
Pós Sincronismo
Figura 6 – Frame de Requisição de Dados
7
F
F
F
T
Pré
Sincronismo
V
R
S
Start of Frame
?
Adress
?
E
N
D
F
Tipo End of Frame
Frame
Comand
F
F
Pós Sincronismo
Figura 7 – Frame de Comando
F
F
F
Pré
Sincronismo
T
V
Start of
Frame
R
S
?
Adress
?
?
?
?
?
Tipo de Frame Dados
E
N
D
End of Frame
F
F
F
Pós
Sincronismo
Figura 8 – Frame de Dados
A taxa de transferência de dados será configurada na USART embutida no
PIC e na placa do PC K6 II para velocidades da ordem de 57 Kbps ou mais, porem
neste projeto, esta taxa será limitada a 9600 bps, em função das características do
rádio modem que possui taxa de dados máxima de 9600 bps para um canal de
12,5 Khz no modo half-duplex.
Visto que um frame de requisição possui 165 bits e um frame de dados, 209
bits e o RTS/CTS delay do rádio modem é 30 ms. Dividindo o número de bits do
frame pela taxa de dados teremos um frame de requisição com 17,2 ms e um
frame de dados com 21,8 ms. O tempo de transmissão do frame de requisição Tr
será então:
Tr = Tfr + Tdelay
Tr = (17,2 + 30) ms
Tr = 47,2 ms
Td = 51,8 ms
Onde: Tfd é oTempo do frame de dados
Tdelay é o tempo de atraso entre a ativação do RTS e a resposta do CTS
O tempo total de requisição pela Central e retorno do dado pela unidade
remota será:
Trr = Td + Tr
Tr = (47,2 + 51,8) ms
Tr = 99,0 ms
Com esse tempo de resposta seria possível interrogar e ler a resposta de
até 10 unidades remotas em um segundo, o que torna a taxa de dados de 9600
bps adequada e suficiente para este projeto.
8
Onde: Tfr é oTempo do frame de requisição
Tdelay é o tempo de atraso entre a ativação do RTS e a resposta do CTS
5 – Conclusão
A apresentação do protótipo descrito neste artigo, limita as unidades
terminais remotas em apenas duas, e que por sua vez monitoram cada uma,
apenas duas grandezas analógicas (temperatura e potência do TX1) e três
grandezas de estado (TX2 ligado/desligado, porta fechada/aberta e energia
elétrica presente/ausente), com acionamento de apenas dois transmissores de TV,
teve o caráter didático de demonstrar as potencialidades do projeto e tornar
factível a demonstração de sua funcionalidade no ambiente simulado de
laboratório.
A implementação do projeto, no ambiente real para o qual ele foi proposto,
permitirá utilização de todos os recursos do sistema tais como: de 10 da 15
unidades terminais remotas, onde cada uma poderá monitorar até 8 grandezas
analógicas, 12 eventos de estado e acionar até 12 dispositivos ou equipamentos
diferentes, sem grandes alterações no projeto.
Verificamos que existiam no mercado alguns sistemas similares, uns
porém, só se comunicavam com a central de supervisório, via rede telefônica
mediante demanda das unidades remotas o que reduz consideravelmente a
confiabilidade para o nosso tipo de aplicação, outros, configuráveis para operar
apenas via web, outros projetados para operar via rádio ou satélite, porém em sua
maioria sistemas importados de alto custo e customizados para realidade de
outros países.
6 – Agradecimentos
A TV Rio Sul pelo apoio financeiro ao projeto.
A AEDB pela infra-estrutura e orientação acadêmica fornecida para a
realização deste projeto.
7 – Bibliografia
1) Ogata, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Rio de Janeiro: Prentice –
Hill do Brasil,1993.
2) Soares, Luis Fernando G. Redes de Computadores: das LANs, MANs e WANs
as redes ATM. 2ª Ed. Rio de Janeiro: Campus, 1995.
3) Alves, Luis. Comunicação de Dados, 2ª Ed. São Paulo: Makron, 1994
4) Helder, Gilbert. Comunicação de Dados; tradução [da 6ª Ed. Original] de
Vandenberg D. Souza). Rio de Janeiro, Campus, 1999.
5) Souza, David José. Conectando o PIC. Recursos Avançados. 1º Edição, São
Paulo: Érica, 2003.
6) Cornell, Gary. Delphi Segredos e soluções. São Paulo: Makron Books, 1995.
7) Microchip Tecnology Inc. Chandler, Arizona (2005). Disponível em:
http://www.microchip.com. Acesso em 04/04/2005.
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