Projeto de uso de RSSF para controle e automação de processos em ambiente industriais

Redes de sensores sem fio em um ambiente industrial possuem um grande potencial e nesse artigo falo um pouco sobre alguns resultados de um projeto onde pude avaliar uma solução baseada em RSSF

Introdução

Este projeto tem como foco e objetivo o estudo da implementação de uma RSSF no ambiente industrial com a finalidade de controlar processos de automação. As RSSF são extremamente personalizadas[1] e variam dependendo do ambiente em que a mesma é implementada, assim em ambientes como o industrial e o urbano, vários desafios se mostram válidos trazendo grande dificuldade.

Monitorar grandezas físicas com RSSF é algo prático e seguro quando bem trabalhada e em ambientes industriais pode suprir necessidades como:

• Especificidade;
• Escalabilidade;
• Mobilidade;
• Flexibilidade;
• Redução do espaço físico que será usado para a implementação;
• Baixo custo de implementação;

Essas necessidades se tornam cada vez mais evidentes nos mais diversos ambientes fazendo com que as RSSF tenham um potencial enorme em nosso mundo moderno, sendo apontada como como uma das maiores e mais importantes tecnologias do século 21[1].

Atualmente a automação está presentes nos mais diversos cenários[2][5], porém ainda falta muito para que possa ser considerada algo plena e adaptável a todas as situações. Com esse cenário a pesquisa e o desenvolvimento de novas soluções ainda é necessário. Essa necessidade pode ser suprida e novas soluções desenvolvidas com a utilização de RSSF no ambiente industrial[8], pois naturalmente RSSF trazem vários benefícios físicos e financeiros para a indústria[5]. Porém essa implementação ainda depende também de novas soluções.

Com o advento da “internet das coisas”[4] e da 4º revolução industrial[8], tornar processos cada vez mais “inteligentes”, fazendo com que a tomada de decisões não necessita da interferência humana, se tornou ainda mais necessária, algo que novamente as RSSF conseguem suprir de uma maneira positiva. Controlar níveis é algo essencial para as empresas[9] e permite a montagem de um setup de testes em pequena escala, além possibilitar implementação das necessidades já discutidas. Estas são as motivações para o tema escolhido, controle de níveis.

Metodologia

Primeiramente foi necessária uma pesquisa na área para determinar o que desenvolver e uma alternativa para o controle de nível desenvolvido a partir de uma RSSF se mostrou uma opção interessante.

Para a validação da pesquisa e obtenção dos resultados foi montado um setup de testes no LP-Sira localizado no prédio de tecnologia (CT) da PUC Campinas. O setup completo foi composto por:

• Notebook
• 1 grove Radiuino
• 3 módulos de rádio
• 1 atuador
• 1 sonar[11]
• Solenóide e motor/Bomba
• 2 Recipientes (Tanques)
• Software supervisório

Com exceção da Grove Radiuino[3], todos os outros materiais utilizados estavam disponíveis para uso no laboratório LP-Sira. O setup de testes tem como objetivo demonstrar que a solução tem condições de cumprir com o controle de nível proposto e que sua atualização é viável. A figura 1 ilustra o procedimento e a lógica utilizada para a criação do setup de testes.

Figura 1 — Método de funcionamento

Setup de testes

Basicamente seu funcionamento consiste em um nó de rádio que contém o sonar[11] acima do tanque, sendo que o mesmo permanece enviando a informação de nível para a base. A base recebe essa informação e o software supervisório a trabalha, sendo que o usuário tem plena liberdade de definir o nível que o líquido não deverá ultrapassar. Caso a informação de nível seja maior que o nível definido, a base irá encaminhar um pacote para o segundo módulo de rádio que está no atuador e esse irá ativar a bomba e a solenoide, fazendo com que o líquido seja encaminhado para o segundo tanque. A Figura 2 demonstra o estado final do setup de testes após ser completamente implementado e pronto para a realização de testes.

Figura 2 — Setup de testes

Software supervisório

O software supervisório foi escrito na linguagem Python[10] que é livre e permite o fácil desenvolvimento.

Dada a devida arquitetura da plataforma Radiuino[3] é necessário atribuir valores a certos bytes para causar alguma ação.

Tabela 1 — Mapeamento de byte

Antes da execução ser iniciada, o software pede ao usuário para determinar um valor máximo para o nível, assim quando o nível for igual ou ultrapassá-lo, irá ativar o processo de controle ligando a bomba e a solenoide e assim que o nível não for mais superior o desacionamento acontecerá automaticamente.

No shell do Python[10] são mostrados o nível e o estado do controle (ativado/desativado) enquanto também é gerado um arquivo txt com as mesmas informações.

Também é pedido ao usuário a quantidade de vezes que ele deseja a verificação e após o término é dada a opção de fechar o software ou realizar mais medidas, sendo que independente da resposta ou até mesmo um erro vindo do usuário o arquivo txt gerado não será afetado e todas as informações coletadas antes da falha estarão disponíveis no arquivo gerado.

Resultados

Foram realizados testes exaustivos para verificar se a cada vez que o nível do líquido estiver a um nível acima do definido pelo usuário o controle se iniciaria. Essa saída com o estado do controle naquele momento foi tanto demonstrada na tela de console do Python, quanto gravada em um arquivo txt sendo que ambas contêm os mesmos dados.

O maior objetivo do setup foi verificar se em algum momento o sistema transbordaria. Para que isso fosse possível, foram necessárias várias horas de testes e um sistema de realimentação para líquido utilizado (água). Para forçar a ativação e a desativação do sistema, foi elaborado um método em que o sonar aproxima a distância, fazendo com que a refração do líquido alternar essa medida que foi definida em 9 cm/10 cm fazendo com que o estado entre ativo e desativo seja criado.

O maior tempo de execução ininterrupta do sistema foi de aproximadamente 1 dia e como não é possível ficar observando para ver se iria transbordar ou não, foi colocado uma pequena espuma no topo do tanque. Se transbordasse ela ficaria úmida, porém felizmente o transbordamento não aconteceu em nenhum momento.

A verificação da quantidade de acionamentos e das medidas fornecidas pelo sonar foi analisada através dos logs.

A figura 3 representa a quantidade de eventos de 10 cm e 9 cm medidos pelo sonar ao longo de 100 medidas e a média entre elas.

Figura 3 — Sonar

Com dados obtidos é possível verificar a porcentagem de aciona/desaciona em uma simulação de 100 medidas como representado na figura 4.

Figura 4 — Controle

Com a análise dos dados é perfeitamente possível perceber que a solução é viável e funcional, tendo correspondido às necessidades de seu desenvolvimento e contemplando o campo das RSSF e da automação. O sistema de controle de nível também correspondeu ao planejado, tendo apresentado resultados positivos e concretos.

Também é possível verificar que os dados respeitam a regra proposta para o setup: quanto mais verificações, mais cenários de ativação.

Para o melhor entendimento, a tabela 2 demonstra mais 4 simulações e seus dados coletados, comprovando a regra proposta.

Tabela 2 — Medidas

Conclusão

Pequenos problemas surgiram no setup, porém foram verificados e corrigidos e não interferiram no resultado final. Como a solução foi aplicada em um setup é cabível que para ser implementada em um ambiente real de indústria, novas alterações devem ser realizadas e adaptadas, porém os resultados foram positivos e o projeto correspondeu em todas as partes seu propósito inicial. Também é possível concluir que as RSSF são ótimas alternativas para implementações de automação no ambiente industrial e suprir a crescente necessidade de novas soluções.

Referencias

[1] P. Coy and N. Gross “21 Ideas for the 221 st Century”, Business Week, 30 August 1999.

[2]TOMÁS VÁSQUEZ “O que é a computação pervasiva” disponível em <http://www.tomasvasquez.com.br/blog/tecnologia/tecnologia-o-que-e-computacao-pervasiva> Acesso em: 1 julho de 2015.

[3] http://www.radiuino.cc . Acesso em: 1 de julho de 2015.

[4]CISCO “The internet ofthings” disponível em <http://www.cisco.com/web/about/ac79/docs/innov/IoT_IBSG_0411FINAL.pdf > Acesso em: 1 julho de 2015.

[5]GEOMAR M. MARTINS “Automação industrial” disponível em <http://coral.ufsm.br/desp/geomar/automacao/Apostila_032012 > Acesso em: 29 maio de 2015.

[6]ISA100 WIRELESS “Control Over Wireless: CurrentApplicationsand Future Opportunities” disponível em < http://www.nivis.com/resources/WCI_Auto_Week_2012_%20Paper_v18Sep.pdf> Acesso em: 1 de julho de 2015.

[7]CPDEE “Aplicações de Redes de Sensores sem Fio em Ambientes Industriais” disponível em <http://www.sensornet.dcc.ufmg.br/disciplina/seminarios/RSSF_Industria.pdf > Acesso em: 1 de julho de 2015.

[8]MOTHERBOARD “Bem-vindos a 4º revolução industrial ” disponível em < http://motherboard.vice.com/pt_br/read/bem-vindos-a-quarta-revolucao-industrial>Acesso em: 1 de julho de 2015.

[9]ALVARO MACIEL SCHMIDT “Controle de nível de líquido utilizando um controlador lógico programável” disponível em < http://www.em.ufop.br/cecau/monografias/2008/ALVARO%20MACIEL%20SCHMIDT.pdf> Acesso em: 1 de julho de 2015.

[10]https://www.python.org/ Acesso em: 1 de julho de 2015.

[11]ELECFREAKS “UltrasonicRanging Module HC — SR04” disponível em < http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf>Acesso em: 1 de junho de 2015.