Future Work

Este capítulo apresentou as ferramentas de processamento de sinais que foram utilizadas na modelagem da plataforma de monitoramento proposta neste trabalho. Primeiramente, foi apresentado o teorema de amostragem que é a técnica de conversão de um sinal analógico real em um sinal digital. O teorema de amostragem garante que o sinal digital represente com fidelidade as características do sinal analógico real. Esta conversão é importante, pois com sinais digitais é possível realizar cálculos computacionais com extrema rapidez e sem interferência das condições ambientais, ao contrário do que acontece com os sinais analógicos.

Após apresentar os cuidados com a amostragem de sinais, o Capítulo 3 apre- sentou a primeira ferramenta de processamento de sinais utilizada neste trabalho: a

transformada de Fourier. A transformada de Fourier é uma ferramenta muito utilizada para análises da qualidade da energia, principalmente de distorções harmônicas. Ao representar um sinal por seu espectro de frequências, a transformada de Fourier per- mite ao usuário analisar o sinal por outra perspectiva. A transformada de Fourier é a técnica recomendada na norma IEC 61000-4-7 de análise harmônica e está presente em praticamente todos os dispositivos de monitoramento da qualidade da energia existentes no mercado.

A segunda técnica apresentada neste capítulo é a transformada Wavelet. A transformada Wavelet é uma ferramenta complementar a transformada de Fourier que permite obter informações simultâneas de tempo e frequência de um sinal. Graças a esta característica, esta ferramenta será utilizada para a detecção e localização das variações de tensão de curta duração. Assim, estas duas ferramentas fornecem um diagnóstico sobre indicadores de qualidade da energia referente a dois problemas bem comuns de qualidade da energia: distorções harmônicas e variações de tensão de curta duração.

No Capítulo 4 será apresentada a plataforma de monitoramento elaborada neste trabalho. Serão apresentadas as características da plataforma de monitoramento de alto desempenho, o hardware escolhido para o desenvolvimento da plataforma e os algoritmos dos programas desenvolvidos.

4 A Plataforma de Monitoramento

No Capítulo 3, apresentou-se uma descrição da Transformada de Fourier e da Transformada Wavelet, que foram as ferramentas adotadas para a construção da plataforma de alto desempenho proposta. A característica de alto desempenho dada a esta plataforma se refere ao seguintes aspectos:

• Aquisição de dados com resolução do conversor de 24 bits;

• Processamento dos dados com confiabilidade e rapidez, sem a perda de qualquer amostra;

• Detecção em tempo real de variações de tensão de curta duração; de violações de distorção harmônica de tensão e de limites de harmônicos individuais de corrente;

• Detecção em tempo real de desequilíbrio de tensão;

• Gravação contínua das amostras do sinal durante todo o período de monitora- mento para posterior análise.

Para alcançar os objetivos do monitoramento, o hardware escolhido foi a plata- forma cRIO da National Instruments (NI). Esta plataforma trabalha em conjunto com o ambiente de desenvolvimento gráfico NI LabVIEW, e proporciona a capacidade de criar sistemas embarcados de controle e monitoramento com excelente produtivi- dade (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016). As principais características deste hardware são:

• Controle avançado: Permite desenvolver diversos tipos de sistemas de con- trole, desde um simples controle proporcional-integral-derivativo (PID) a controles dinâmicos avançados (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016);

• Medições analógicas com elevada taxa de aquisição: taxas de amostragem de até 100 kHz (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016);

• Processamento e análise de sinais: Possui poderosas ferramentas para exe- cutar facilmente o processamento avançado de sinais, análise de frequência e processamento digital de sinais. Alguns exemplos são a transformada rápida de Fourier (FFT), análise em tempo-frequência, som e vibração, análise de wavelets, ajuste de curvas, e o projeto e simulação de controle (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016);

• Hardware robusto e confiável: O CompactRIO é especialmente projetado para aplicações em ambientes agressivos e lugares de difícil acesso. Conta com certificações industriais para condições extremas e valores nominais de operação para ambientes industriais severos (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016);

• Plataforma de prototipagem modular e flexível: O CompactRIO tem diversas controladoras, chassis reconfiguráveis e módulos de E/S da série C com troca a quente da National Instruments, que lhe dão a flexibilidade necessária para ir do protótipo à implementação em uma mesma plataforma (NATIONAL INSTRU- MENTS, 2016).

A Figura 22 resume o sistema integrado da NI. Os módulos de medição são compostos por terminais de entrada ou saída, sistema de condicionamento de sinais e conversores digitais/analógicos ou analógicos/digitais. Os terminais de entrada ou saída destes módulos de medição são ligados ao chip FPGA para os cálculos dos loops de alta prioridade. Os resultados destes cálculos são transferidos para o processador Real-Time através de um barramento de alta velocidade.

Figura 22 – Sistema integrado NI cRIO

Fonte: National Instruments

Por todas as características citadas acima, a plataforma cRIO se mostrou um hardware adequado para atingir os objetivos deste trabalho. Nas seções seguintes, segue a descrição detalhada da controladora utilizada, além dos módulos de medição de tensão e corrente utilizados.

4.1 A controladora NI Compact RIO 9075 (NI cRIO-9075)

O sistema integrado NI cRIO-9075 combina um processador de tempo real e um FPGA (Field-Programmable Gate Array) reconfigurável em um único chassis para aplicações embarcadas de controle e monitoramento de máquinas. Esse sistema pos- sui um processador industrial de tempo-real de 400 MHz e um FPGA LX25 integrados,

além de quatro slots para módulos de E/S da série C. Quando a aplicação exigir maior robustez, ele oferece uma faixa de temperatura de operação de -20 a 55 °C, com ali- mentação na faixa de 9 a 30 Vcc. O cRIO-9075 possui 128 MB de DRAM para operação embarcada e 256 MB de memória não volátil para data logging. Com a porta Ethernet de 10/100 Mbit/s, é possível estabelecer comunicação programada por software pela rede. Além disso, os servidores de arquivos (FTP) e Web (HTTP) integrados permitem o interfaceamento com páginas HTML, arquivos e a interface de usuário de aplicações LabVIEW embarcadas. A Figura 23 é uma foto dessa controladora.

Figura 23 – Chassis Compact Rio 9075

National Instruments

4.1.1 Processador Real Time

O sistema embarcado CompactRIO possui um processador industrial de 400MHz Freescale MP5200 que deterministicamente executa sua aplicação do LabVIEW Real- Time no confiável sistema operacional real-time (RTOS) Wind River VxWorks. O Lab- VIEW tem funções internas para transferir dados entre o FPGA e o processador de tempo real dentro do sistema embarcado CompactRIO. Existem mais de 600 funções internas no LabVIEW para montar algum sistema embarcado de múltiplas tarefas para controle, análise, data logging e comunicação de tempo real. Também é possível integrar códigos C/C++ existente com o código LabVIEW Real-Time para ganhar tempo de desenvolvimento.

4.1.2 FPGA

O FPGA (Field Programmable Gate Array) ou em português Arranjo de Portas Programável em Campo é um circuito integrado projetado para ser configurado por um consumidor ou projetista após a fabricação – de onde advém a expressão “programável em campo”. O circuito interno é inteiramente configurado conforme aplicação em software.

As vantagens do uso do FPGA são inúmeras das quais pode-se destacar o paralelismo, ou seja, realiza tarefas em paralelo ao contrário de tarefas que são executadas em sistemas operacionais que são realizadas sequencialmente. Outra vantagem é a confiabilidade e comportamentos deterministicos uma vez que os cálculos são executados diretamente no hardware e a possibilidade de reconfigurar o chip para criação ou alteração de tarefas específicas.

Os principais blocos que constituem um chip FPGA são os blocos de memória que armazenam conjunto de dados em RAM definidos pelo usuário; Bloco Lógicos Configuráveis (CLB) constituídos por flip-flops e tabelas Look Up Table (LUT); blocos multiplicadores e DSP para implementação de processamento de sinais; chaves de interconexão que fazem a conexão entre os blocos CLB’s e os blocos de entrada e saída. Esta arquitetura é mostrada na Figura 24.

Figura 24 – Arquitetura de um chip FPGA

Fonte: National Instruments