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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Sistema de supervisão e controle para aplicação em viveiros de mudas

 

 

Ivo Reis FontesI; José Angelo CagnonII

IDepartamento de Engenharia Elétrica - FEB - UNESP. 17033-730 Bauru - SP tel: (014) 221-6115 fax: (014) 221-6116. ivo@feb.unesp.br
IIDepartamento de Engenharia Elétrica - FEB - UNESP. 17033-730 Bauru - SP tel: (014) 221-6115 fax: (014) 221-6116. jacagnon@feb.unesp.br

 

 


RESUMO

Atualmente, os sistemas mais utilizados no controle de viveiros de produção de mudas executam uma rotina fixa acionando válvulas e bombas através de temporizadores programáveis de baixo custo a fim de proporcionar o fornecimento de água e nutrientes às mudas e sementes, sem se preocupar com a racionalização do uso dos recursos. O presente trabalho apresenta um Sistema de Supervisão e Controle baseado no Sistema Supervisório Elípse SCADA que vem sendo desenvolvido no Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual Paulista em Bauru. A aquisição dos valores das variáveis do ambiente e os sinais de controle de válvulas e bombas são transmitidos através de uma rede RS485 do tipo par trançado, utilizando o protocolo MODBUS. Tendo em vista as características do ambiente da aplicação, as informações provenientes de sensores são transmitidas aos concentradores de dados através de canais de RF.

Palavras chaves: Supervisão e Controle, Viveiros de Mudas, Racionalização de Energia, Instrumentação Agrícola.


ABSTRACT

Nowadays, the systems mostly used to control greenhouse environment executes a fixed routine driving valves and pumps with temporization through low price programmable timers to provide water and nutrients to the seeds or buds without concern on the rational use of resources. The present work presents a Supervisory and Control System based on the Elípse SCADA Supervisory Software that is been developed at the Electrical Engineering Department of Electrical Engineering School of University of State of São Paulo at Bauru. The environment variables acquisition and the driving signals to control valves and pumps are carried by a RS485 network using MODBUS protocol. Considering the application environment characteristics all data from sensors are transmitted to data concentrators by RF links.


 

 

INTRODUÇÃO

O evidente e rápido avanço tecnológico apresentado na concepção dos modernos recursos de hardware empregados nos sistemas de processamento digital de informação tem se tornado um fator preponderante na tomada de decisão quanto ao emprego desses sistemas para a execução das mais variadas tarefas de nosso cotidiano. A agricultura é uma das áreas de atividade que já vem se beneficiando dessa tecnologia.

Howell et al (1984) destacam o uso de estações climatológicas automatizadas que fornecem dados para o controle de sistemas de irrigação. Hubbad etl al (1983) mostram que o uso da informática na agricultura tem se mostrado eficiente em atividades que vão desde o controle de pragas até a previsão de enchentes, não podendo deixar de mencionar ainda a imensa gama de sistemas de automação desenvolvidos através de micro controladores que estão presentes nas mais variadas partes que compõem os modernos implementos agrícolas.

Um dos fatores que geralmente influenciam na tomada de decisão, quando se opta pela automação de processos agrícolas, está relacionada com a disponibilidade de sensores que atendam as necessidades de projeto, bem como de sistemas de integração das informações provenientes dos mesmos, de forma que a relação custo/benefício se mantenha dentro de limites aceitáveis.

O uso de sistemas supervisórios e de controle na automação de sistemas de produção de mudas em grandes viveiros também se constitui em uma alternativa que se apresenta bastante vantajosa, tendo em vista a grande flexibilidade que os mesmos oferecem quando da necessidade de alteração dos algoritmos e receitas de operação, visando o uso racional dos recursos empregados e a qualidade no processo produtivo.

O presente trabalho apresenta uma arquitetura que vem sendo desenvolvida de forma a viabilizar a utilização desse tipo de sistema na produção de mudas em grandes viveiros, uma vez que esse tipo de solução oferece uma relação custo/benefício bastante atrativa e ao mesmo tempo, proporciona os meios necessários para se conduzir o processo produtivo de maneira a alcançar elevados índices de eficiência e produtividade.

O sistema é constituído de uma rede construída a partir de par trançado para coleta de dados e controle, unidades remotas de sensores dos parâmetros do sistema, concentradores de dados ou de instrumentação e um microcomputador PC que executa um software supervisório SCADA.

Através do software supervisório é possível configurar a operação do sistema para atender os requisitos que visam a produção otimizada de mudas.

 

SISTEMA SUPERVISÓRIO

O Sistema de Supervisão e Controle, implementado através do Sistema de Supervisão e Controle Elípse ESCADA, permite o fornecimento de água e nutrientes as sementes ou mudas através do acionamento de válvulas e bombas por meio da execução de receitas visando o uso racional dos recursos necessários à produção. As ações de controle determinadas pelas receitas são baseadas nas informações adquiridas através de sensores de temperatura, de umidade relativa do ar, de umidade do substrato, de pressão atmosférica do local. O Sistema Supervisório também faz a aquisição de informações relativas à vazão em pontos estratégicos da tubulação e os níveis presentes nos reservatórios de água e de adubo líquido bem como do nível de iluminação interno e externo ao viveiro.

Em virtude das características do ambiente, os dados obtidos através dos sensores são encaminhados a concentradores de dados por meio de canais de RF.

Os dados coletados pelos concentradores são encaminhados ao Sistema Supervisório através da uma rede de comunicação de dados padrão RS485 e para o tráfico de dados é utilizado o protocolo MODBUS/RTU. A figura 1 apresenta a configuração completa do sistema em desenvolvimento.

Os dados obtidos do ambiente controlado são utilizados para alimentar as entradas das receitas de controle e também são armazenados em um banco de dados.

O banco de dados é utilizado para a emissão de relatórios de operação e também servem para análise estatística do comportamento do sistema. O sistema assim concebido poderá, em uma fase subseqüente, proporcionar inúmeras vantagens, tais como: análise estatística de dados, racionalização de energia, tomada de decisões para a implantação de um sistema de manutenção preventiva e preditiva, bem como monitoramento remoto do sistema.

Em uma etapa subseqüente pretende-se implementar a capacidade de gerenciamento remoto do sistema através de uma interface HTML, cuja interface para programas de aplicação (API) já se encontra disponível no software empregado.

 

CONCENTRADOR DE DADOS

O concentrador de dados, também denominado Concentrador de Instrumentação, é uma unidade microprocessada, desenvolvida a partir de um microcontrolador da Microchip e incorpora uma interface RS485. Um sistema operacional residente implementa todas as funções necessárias para a aquisição de dados provenientes das unidades de sensores e atender as requisições de dados do Sistema Supervisório. Para a comunicação com as unidades de sensores é empregado um transceptor monolítico da RF Monolitcs. A comunicação entre essas unidades é implementada através de canais half-duplex.

A figura 2 apresenta o diagrama de um Concentrador de Instrumentação e de uma Unidade Remota de Sensores.

 

UNIDADE REMOTA DE SENSOR

As unidades remotas de sensores são implementadas a partir de microcontroladores da Microchip e incorporam as funcionalidades necessárias para o condicionamento e aquisição A/D dos sinais provenientes dos sensores e também aão dotadas de transceptores para proporcionar a comunicação RF com o concentrador de dados.

Para a comunicação entre as unidades remotas de sensores e o concentrador de dados foi adotada a configuração mestre/escravo a fim de proporciona a reutilização de um mesmo canal de RF entre várias unidades remotas.

A aquisição dos dados das unidades remotas de sensores é realizada através de um processo cíclico de interrogação e o protocolo de comunicação empregado também é o MODBUS/RTU.

 

UNIDADE DE ACIONAMENTO

Para o acionamento de válvulas e bombas são empregados CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) de pequeno porte. A utilização desse tipo de dispositivo se deve ao seu custo reduzido e das funcionalidades que os mesmos apresentam.

Uma vez que tais dispositivos já incorporam as funcionalidades necessárias para sua conexão em rede RS485 e implementam o protocolo MODBUS/RTU torna-se fácil uma possível expansão da instalação.

 

SENSORES

Algumas unidades de sensoreamento empregadas para o monitoramento dos parâmetros do sistema tiveram que ser desenvolvidas para a aplicação:

Temperatura Ambiente

Os termômetros foram desenvolvidos a partir do termômetro digital DS1620 da Dallas Semiconductors que incorpora um transdutor de temperatura e fornece uma saída digital de 11 bits representando temperaturas de -55 a 125 ºC e resolução de 0.5 ºC.

Umidade Relativa do Ar

Os higrômetros foram desenvolvidos a partir do circuito integrado monolítico HIH36705-A da Honeywell International Inc.. Este CI fornece uma saída de tensão analógica proporcional à umidade relativa do ar. Sua principal característica é de fornecer tensão contínua no intervalo de 0,8 a 4,07 Vdc para a UR variando de 0 a 100%.

Radiação Solar

Os medidores de iluminamento solar foram desenvolvidos a partir do circuito integrado TSL235 da TAOS - Texas Advanced Optoelectronics Solutions, que fornece um sinal de freqüência proporcional à intensidade de radiação solar recebida pelo viveiro.

Umidade de Substrato

Os medidores de umidade de substrato são tensiômetros miniaturizados aos quais foi acrescentado um circuito integrado monolítico sensor de pressão da série SDX, fornecido pela Sensym. Este CI incorpora uma ponte resistiva que deve ser polarizada por uma tensão contínua e sua saída é uma tensão proporcional à pressão interna do reservatório do tensiômetro.

 

CONCLUSÃO

Através do sistema concebido estão sendo realizados os primeiros testes de protótipo que opera com uma configuração simplificada do supervisório, realizando a aquisição de dados de um concentrador de dados que fornece os dados provenientes de unidades remotas de sensores que fornecem: temperatura de pontos internos ao viveiro, temperatura externa ao viveiro, umidade relativa do ar interna ao viveiro, umidade relativa do ar externa ao viveiro, nível de insolação externa ao viveiro e a umidade do substrato em tubetes de mudas. O sistema também incorpora um CLP Pico da Allen-Bradley empregado no acionamento de uma válvula solenóide para controlar o abastecimento de água ao sistema e também acionar uma bomba que injeta adubo líquido à rede de abastecimento de água.

A operação do sistema tem se mostrada bastante estável e satisfatória para a aplicação desejada.

Atualmente estão sendo desenvolvidas as telas de receitas para a operação do sistema no controle de um conjunto de estufas de empresa da região que opera na produção de mudas empregadas no reflorestamento para uso industrial.

Com o uso deste sistema, pretende-se em uma fase inicial, proceder a aquisição de dados para o estabelecimento de receitas de operação a fim de se determinar os algoritmos adequados para se atingir a racionalização do uso dos recursos necessários à produção de mudas.

 

AGRADECIMENTOS

Os autores desejam agradecer a colaboração e o apoio do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica da UNESP através do suporte recebido pelos Laboratórios de Eletrônica e de Controle e Automação. Agradecem também a inestimável cooperação no fornecimento de informações dos técnicos florestais da empresa DURAFLORA S/A.

 

REFERÊNCIAS

[1] HANSON, B.; WEIGAND, C. e ORLOFF, S.; Performance of electric irrigation pumping plants using variable frequency drives; Journal of Irrigation and Drainage Engineering; May/June; p.179 - 182; 1996.

[2] HOWELL, T.A.; MEEK, D.W.; PHENE, C.J.; DAVIS, K.R.; MCCORMICK, R.L.; Automated weather data collection for research on irrigation scheduling; Transactions of the ASAE, St. Joseph; 1984.

[3] HUBBAD, K.G.; ROSENBERG, N.J.; NIELSEN, D.C.; Automated weather data network for agriculture; Journal of Water Resources Planning and Management; 1983.

[4] KACHANOSKI, R.G.; GREGORICH, E.G.; WESENBEECH, I.J.; Estimating spatial variations of soil water content using noncontacting eletromagnetic indutive methods; Journal of Soil Science; Oxford; 1988.

[5] KOVÁCS, Z.L.; Redes Neurais Artificiais - Fundamentos e Aplicações; Editora Acadêmica; 1996.

[6] NETO, A.T; CRUVINEL, P.E.; INAMASU, R.Y.; CRESTANA, S.; Tecnologias de ponta na agricultura: Instrumentação e automação para a agricultura de precisão; Simpósio de Tecnologia e Aplicação Racional de Energia Elétrica e de Fontes Renováveis na Agricultura; Campina Grande-PB; 1997.

[7] NIELSEN, D.R.; WENDROTH, O.; JÜRSCHIK, P.; KÜHN, G.; HOPMANS, J.W.; Precision agriculture: challenges and opportunities of instrumentation and field measurements; Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária; São Carlos-SP; 1993.

[8] VIEIRA, V.P.P.B. et ali; Sistemas Inteligentes - Aplicações a Recursos Hídricos e Ciências Ambientais; Editora Universidade - ABRH; 1999.