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Monitoramento de Tempo real nos experimentos de fenômenos do Transporte

 

ATIVIDADE INTERDISCIPLINAR - Monitoramento de Tempo-real nos Experimentos de Fenômenos do Transporte _LE501. José Luiz Pereira Brittes e Ana Sílvia Prata Soares - FCA, Faculdade de Ciências Aplicadas, Unicamp, 2013.

1. OBJETIVO

Esse trabalho apresenta o esforço da incorporação de sistemas de informação no monitoramento dos dezoito experimentos da disciplina LE501 - Fenômenos do Transporte, na Faculdade de Ciências Aplicadas (FCA), no primeiro semestre de 2013.

O objetivo de um projeto aplicado na disciplina é fazer com que os alunos tenham um conhecimento mais profundo dos mecanismos de transferência de calor, consigam aplicar as equações básicas para dimensionar o equipamento, compreendam as dificuldades associadas à resolução destes modelos, entendam a necessidade da escolha adequada da variável física do processo, utilizem metodologias cada vez mais sofisticadas para a coleta de dados experimentais e avaliem suas incertezas. Como consequência, os alunos desenvolvem a confiança para atuarem em projetos. Este semestre, muitos dos projetos desenvolvidos poderiam ser aplicados a comunidades carentes ou com propostas sustentáveis.  

 

2. INTRODUÇÃO

A disciplina LE501 - Fenômenos do Transporte, dada no sétimo semestre das turmas de Engenharia de Manufatura e Engenharia de Produção, trata de fenômenos de transferência de quantidade de movimento, energia e matéria entre espécies químicas. A disciplina faz parte do núcleo básico exigido pelo MEC para a formação de engenheiros e trata de assuntos primordiais para qualquer engenheiro na compreensão dos fenômenos envolvidos em aplicações industriais e cotidianas. O transporte (transferência) destas grandezas e a construção de seus modelos guardam fortes analogias, tanto físicas como matemáticas, de tal forma que a análise matemática empregada a um dos fenômenos pode ser extrapolada, na maior parte dos casos, para os demais. Por isso, foi dada ênfase à aplicação dos conceitos físicos na descrição de fenômenos de transferência de calor., entendendo que este é o mecanismo mais comumente tratado por engenheiros generalistas. Os alunos possuem uma parte da disciplina oferecida da maneira tradicional e a segunda metade do curso é voltada para a construção e a modelagem matemática de equipamentos que podem ser empregados pela sociedade. Alguns dos equipamentos possuem um apelo de sustentabilidade com o uso de energia limpa, enquanto outros foram reproduzidos para compreender a troca térmica envolvida e possibilitar a modificação do projeto existente. Os equipamentos são feitos pelos próprios alunos, usando-se material simples e de baixo custo, o suficiente para demonstrar os fenômenos.

No passado, os experimentos para a coleta dos dados de validação do modelo eram monitorados de forma simplória, através de dispositivos manuais, com medidas pontuais, sem uma base de tempo definida e sem memória de massa, o que permitia demonstrar os conceitos, mas não permitia uma análise mais aprimorada dos respectivos modelos, com poucas possibilidades de análise de sensibilidade a variáveis de influência, fossem exógenas ou endógenas.

Isso ensejava uma oportunidade de melhoria no sentido de se monitorar os experimentos, o que, pela experiência do Prof. José Luiz Brittes convergiu para a aplicação do sistema de monitoramento Radiuino-Arduíno, mostrado na Figura 1.

 

                                                                                           Figura 1. Arquitetura Radiuino-Arduíno para Monitoramento dos Experimentos.

 

 

A plataforma Arduíno e a plataforma Radiuino são open source, de muito baixo custo, e tiveram como supervisório o também open source freeware SCADA-BR.

A plataforma Arduino, Figura 2, é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão a qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++. O objetivo do projeto é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de se usar com foco acadêmico e/ou por aqueles que não teriam alcance aos controladores mais sofisticados e de ferramentas mais complicadas. Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de E/S digital e analógica, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao hospedeiro, que é usado para programá-la e interagi-la em tempo real.

 

                                                                                              Figura 2. Placa de Arduíno

 

 

Ela em si não possui qualquer recurso de rede, porém é comum combinar um ou mais Arduinos deste modo, usando extensões apropriadas chamadas de shields. A interface do hospedeiro é simples, podendo ser escrita em várias linguagens. A mais popular é a Processing, mas outras que podem comunicar-se com a conexão serial são: Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, ActionScript e Java.

A Plataforma Radiuino, Figura 3, é uma plataforma aberta para criação de redes de sensores sem fio. Flexível, ela possibilita a fácil implantação dessas redes, oferecendo interfaces com os mais diversos sensores, digitais ou analógicos, transmitindo as informações coletadas por meio de um protocolo totalmente adaptável, via rádio frequência. Com um firmware estruturado em camadas, semelhante ao modelo TCP/IP, é possível modelar a solução de acordo com a necessidade, oferecendo a oportunidade de desenvolvimento de protocolos de roteamento, algoritmos de correção de erro, entre outras ferramentas de rede.


                                                                                                                        Figura 3.  Plataforma de Monitoramento Radiuino

 

 

 O ScadaBR, Figura 4, é um sistema supervisório completo, disponibilizado em licença Open Source (software livre). Completando cinci anos desde a primeira versão, o ScadaBR conta com uma história de mais de 60 mil downloads, e presta-se para desenvolver aplicações automatizadas em qualquer tipo de ambiente: Indústrias, Laboratórios, Automação Predial, Saneamento e Sistemas de Energia, dentre outros.


                                                                                           Figura 4. Vista Geral do SCADABR

 

 

3. METODOLOGIA

A metodologia do trabalho foi estabelecida de forma a permitir que os alunos conhecessem a plataforma de monitoramento. Uma palestra proferida pelo Prof. Dr. Omar Branquinho, desenvolvedor do conceito Radiuíno, sobre a plataforma Arduíno foi feita aos alunos, para um nivelamento de conhecimento.

A camada de aplicação de cada experimento, feita sobre a plataforma SCADA-BR, foi desenvolvida pelos alunos, e a programação de baixo-nível nas placas de aquisição foi feita pelos professores, monitorando pontos de aquisição definidos pelos alunos, sendo os experimentos mostrados a seguir.

Os equipamentos construídos foram selecionados pelo docente responsável pela disciplina e consistiram de: aquecedor solar, refrigerador evaporativo, pot-in-pot (refrigerador portátil), watercooler (para componentes eletrônicos), churrasqueira solar, secador de cabelo, aquecedor de ambiente, sacola e garrafa térmica, secador de cabelo, reservatório térmico, sistema de controle de válvula. A turma possui 120 alunos, em média, e, na maior parte dos casos, os equipamentos foram construídos por dois grupos com propostas diferentes entre eles, duplicando a quantidade de experimentos que totalizou 18 experimentos. Algumas modificações nos sistemas foram propostas pelos grupos com o andamento da disciplina, como o caso do aquecedor de ambiente, cujo grupo propôs a montagem de uma resistência em um ventilador sem hélice.

A sequência abaixo mostra a interface construída pelos alunos para o monitoramento dos experimentos com indicações de onde deveriam ser coletados os dados de temperatura, umidade relativa, luminosidade e vazão, conforme o caso. Além destes dados, fazia-se a coleta das condições climáticas, que para muitos experimentos, influenciava diretamente no desempenho do equipamento.

Na legenda da Figura, é descrita de forma concisa, o objetivo de cada experimento.

 

 
 

Experimento 1 - Secador de Cabelo. O objetivo é verificar a capacidade de isolamento térmico de materiais isolantes.

Experimentos 2 e 3 (dois grupos) - Aquecedor Solar. O objetivo é testar duas tecnologias de baixo custo para aquecimento de água.

Experimento 4 - Reservatório de Água 1. O objetivo é verificar a dinâmica dos perfis de temperatura no sistema.

Experimentos 5 e 6 (dois grupos) - Resfriador Evaporativo. O objetivo é verificar o funcionamento de um resfriador evaporativo.

 
 

Experimento 7 e 8 (dois grupos) - Pot-in-Pot. O objetivo é verificar a influência do diâmetro e do material de recheio na capacidade de resfriamento interno desta "geladeira do deserto".

Experimento 9 - Water Cooler. O objetivo é verificar a capacidade de um radiador esfriar um processador de PC a plena carga de uso.                                                         

 

 

Experimento 10 - Aquecedor Irradiador Resistivo. O objetivo é verificar o perfil de aquecimento volumétrico do aquecedor para várias placas reflexivas.                                                      

Experimento 11 - Secador de Cabelo. O objetivo é verificar a capacidade de isolamento térmico de vários materiais e o rendimento do secador.                                                              

 
 

 

Experimento 12 - Sistema de Controle de Irrigação Evaporativo. O objetivo é verificar a dinâmica de controle de um sistema de irrigação pela evaporação de uma massa de água de controle.                                                                            

 

Experimento 13 - Aquecedor não Reflexivo. O objetivo é verificar a dinâmica de aquecimento e circulação helicoidal de ar quente para aquecimento mais seguro de ambientes.                                                                                                                 

Experimento 14 - Garrafa Térmica. O objetivo é verificar a dinâmica de retenção de calor de duas tecnologias de garrafa térmica: vidro e metal.                                                                                                                                 

Experimento 15 e 16- Churrasqueira Solar. Um projeto composto por dois experimentos: um concentrador e uma parábola aquecedora. O objetivo é verificar a capacidade do Sol em aquecer e/ou assar alimentos

     

Experimento 17 - Sacola Térmica. O objetivo é verificar a capacidade de isolamento térmico de sacola comercial, na preservação de conteúdos quentes e gelados.

Experimento 18 - Reservatório de Água 2. O objetivo é verificar a dinâmica dos perfis de temperatura no sistema com projeto distinto do experimento 4.

 

 O monitoramento compreendeu basicamente, para cada experimento, em cerca de cinco pontos de temperatura, um de umidade relativa do ar, e, em alguns casos, de incidência de luz solar e umidade do solo. Os pontos foram aquisitados a cada cinco segundos, pelo tempo e nas condições que cada equipe definiu. Os experimentos puderam ficar situados a certa distância do sistema de monitoramento, até cerca de 80 metros, o que permitiu uma medição sem problemas de conexão de cabos, além da inserção dos pontos de prova nos próprios equipamentos, uma vez que a comunicação entre processo e supervisório é via RF.

 

 

4. RESULTADOS

Os resultados foram bastante interessantes em termos dos aspectos:

1) primeiramente, os alunos perceberam a possibilidade de variar condições do experimento, de maneira contínua, para criar parâmetros muito mais consistentes de aferição de seus modelos;

2) com a melhora na qualidade de aquisição dos dados, muitos modelos foram consistentes, o que motivou os alunos sobre a importância da disciplina.

3) a plataforma é um sistema extremamente útil e despertou o interesse dos alunos, que requisitaram, em semestres futuros, um curso sobre monitoramento em tempo real. Entende-se que isto pode até mesmo contribuir para induzir alunos ao engajamento na pesquisa.

Esta foi a primeira vez que a disciplina foi oferecida desta maneira e alguns pontos precisam ainda ser melhorados. A compra do equipamento foi efetivada muito próximo do final do semestre, o que não nos permitiu explorar melhor os resultados e diversificar condições de operação dos equipamentos.

Abaixo seguem alguns dos gráficos gerados para cada experimento, e, apesar da discussão da efetividade dos sistemas não ser o escopo deste projetos, muitos deles apresentaram resultados motivadores aos grupos, como o caso do aquecedor solar, em que a água atingiu cerca de 50 ºC, e o pot-in-pot, cuja redução de temperatura na câmara interna foi de aproximadamente 10 ºC.