Desenvolvimento de uma arquitectura distribuída para controlo de … · RLC e α = 30º.....43...

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Departamento de Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Desenvolvimento de uma Arquitectura Distribuda para Controlo de Potncia

Manuel Antnio Ferreira Pereira

Licenciado em Engenharia Electrotcnica pela Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto

Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do grau de

mestre em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

(rea de especializao de Informtica e Automao)

Porto, Junho de 2005

Dissertao realizada sob a superviso de

Professor Doutor Adriano da Silva Carvalho,

do Departamento de Engenharia Electrotcnica e de Computadores

da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Aos meus pais

Aos meus irmos

vii

Agradecimentos

Gostaria de expressar a minha gratido a todos aqueles que contriburam de alguma forma

para a realizao deste trabalho.

Em primeiro lugar, agradeo ao meu orientador, o Professor Doutor Adriano da Silva

Carvalho, pelo apoio, colaborao e orientao que sempre me reservou. Os seus conselhos

e rigor cientfico constituram uma preciosa ajuda na realizao deste trabalho. Agradeo

tambm o esforo desenvolvido na leitura e sugestes de reviso deste documento.

A todos os meus colegas do ISR, devo agradecer o companheirismo e o benefcio

decorrente das oportunidades de discusso cientfica.

Ao Instituto de Sistemas e Robtica, por me ter cedido meios laboratoriais para a realizao

do trabalho experimental.

A todos, os meus sinceros agradecimentos.

ix

Resumo

As recentes evolues tecnolgicas que conferem um grau de sofisticao cada vez maior

aos sistemas de controlo tm causado uma reanlise de arquitecturas a adoptar neste

domnio da Engenharia.

Nesta dissertao apresenta-se o estudo e desenvolvimento de uma arquitectura distribuda

para controlo de potncia, bem como uma possvel implementao dessa arquitectura

aplicada ao processo industrial de secagem de transformadores, usado nesta dissertao

como caso de estudo.

A arquitectura desenvolvida suportada na evoluo tecnolgica dos microprocessadores e

das redes de comunicao, com desempenhos cada vez mais elevados, quer ao nvel das

estruturas de controlo, quer ao nvel das metodologias de controlo, permitindo o controlo de

processos complexos.

De facto, os requisitos subjacentes a este tipo de processos levam, inevitavelmente,

utilizao de uma arquitectura distribuda onde as funes de instrumentao, interface,

controlo e actuao so executadas em diferentes subsistemas, representados por ns. A

interligao dos vrios ns realizada por uma ou mais redes de comunicao.

Neste contexto, a utilizao do processo industrial adoptado, no s pela complexidade

inerente ao prprio processo mas tambm pelas suas caractersticas particulares de

instrumentao e controlo, revela-se uma boa base de validao. De facto, estes dois

subsistemas (instrumentao e controlo) tm verificado melhorias substanciais de

desempenho. Em particular, o projecto de subsistemas de controlo tem evoludo de forma

significativa, suportado pelo melhor desempenho das plataformas digitais.

Em consequncia, so estudados mtodos de controlo de temperatura, com a adopo do

mtodo de controlo hbrido, que utiliza lgica difusa para melhorar o controlo da

temperatura. As boas caractersticas de desempenho do sistema de controlo desenvolvido

foram demonstradas atravs dos ensaios experimentais realizados.

xi

Abstract

The recent technological evolutions that confer an increasingly sophistication degree to the

control systems have caused a re-analysis of the architectures to adopt in this domain of

Engineering.

In this dissertation it is presented the study and development of a distributed architecture

for power control, as well as a possible implementation of this architecture applied to the

industrial process of drying transformers, used in this dissertation as study case.

The developed architecture is supported on the technological evolution of the

microprocessors and communication networks, with higher levels of performance, whether

at the control structures level, whether at the control methods level, allowing the control of

rather complex processes.

In fact, the underlying requirements to this kind of processes lead, inevitably, to the use of a

distributed architecture where the instrumentation functions, interface, control and actuation

are executed in different subsystems, represented by nodes. The interconnection of the

several nodes is executed through one or more communication networks.

In this context, the use of the adopted industrial process shows a good base of validation,

not only for the inherent complexity to the proper process but also for its particular

characteristics of instrumentation and control. In fact, these two subsystems have verified

substantial improvements of performance. In particular, the project of control subsystems

has evolved in significant form, supported by best performance of the digital platforms.

In consequence, methods of temperature control are studied, with the adoption of hybrid

control method, that uses fuzzy logic to improve the temperature control. The good

performance characteristics of the developed control system were demonstrated through the

realization of experimental tests.

xiii

ndice de Contedos

Agradecimentos .............................................................................................................................. vii

Resumo............................................................................................................................................. ix

Abstract............................................................................................................................................ xi

ndice de Contedos...................................................................................................................... xiii

ndice de Figuras .......................................................................................................................... xvii

ndice de Tabelas........................................................................................................................... xxi

Abreviaturas ................................................................................................................................ xxiii

1 Introduo..................................................................................................................................1

1.1 Objectivos...............................................................................................................................2

1.2 Organizao da Dissertao ...................................................................................................3

2 Apresentao do Caso de Estudo .............................................................................................5

2.1 Introduo...............................................................................................................................5

2.2 Anlise do Processo de Secagem ...........................................................................................6

2.3 Requisitos do Subsistema de Aquisio ...............................................................................11

2.4 Requisitos do Subsistema de Controlo .................................................................................11

2.5 Requisitos da interface .........................................................................................................12

2.6 Concluso .............................................................................................................................13

3 Sistemas Distribudos de Controlo.........................................................................................15

3.1 Introduo.............................................................................................................................15

3.2 Sistemas Distribudos de Controlo .......................................................................................16

ndice de Contedos

xiv

3.2.1 Modelos de Comunicao para Sistemas Distribudos ........................................ 17 3.2.2 Sistemas de Controlo em Tempo Real ................................................................. 21

3.3 Arquitectura Distribuda para Controlo de Potncia ........................................................... 30 3.3.1 Modelo de Comunicao...................................................................................... 32 3.3.2 Apresentao da Arquitectura para o Caso de Estudo ......................................... 34

3.4 Concluso ............................................................................................................................ 35

4 Subsistema de potncia........................................................................................................... 37

4.1 Introduo............................................................................................................................ 37

4.2 Sistema de Aquecimento ..................................................................................................... 37

4.3 Rectificadores ...................................................................................................................... 38 4.3.1 Rectificador Trifsico no Controlado................................................................. 39 4.3.2 Rectificador Trifsico Semi-Controlado .............................................................. 42 4.3.3 Rectificador Trifsico Controlado........................................................................ 45

4.4 Inversores de Tenso ........................................................................................................... 48 4.4.1 Inversores monofsicos........................................................................................ 50 4.4.2 Inversores de tenso Trifsicos ............................................................................ 51

4.5 Concluso ............................................................................................................................ 58

5 Instrumentao do Sistema - Subsistema de Aquisio ...................................................... 59

5.1 Introduo............................................................................................................................ 59

5.2 Potncia Activa.................................................................................................................... 63

5.3 Topologias de Medio da Potncia Activa ........................................................................ 64 5.3.1 Trs Fases Quatro Condutores Estrela .............................................................. 64 5.3.2 Trs Fases Trs Condutores Tringulo.............................................................. 65 5.3.3 Trs Fases Quatro Condutores Tringulo.......................................................... 67 5.3.4 Aquisio da Corrente.......................................................................................... 68 5.3.5 Aquisio da tenso.............................................................................................. 70 5.3.6 Condicionamento dos Sinais de Corrente e Tenso ............................................. 72

5.4 Componente activa dos ns de Aquisio ........................................................................... 77 5.4.1 Entradas Analgicas............................................................................................. 78 5.4.2 Medio da Potncia Activa................................................................................. 79 5.4.3 Medio da Energia Activa.................................................................................. 80 5.4.4 Leitura da Energia Activa Acumulada ................................................................. 82

ndice de Contedos

xv

5.4.5 Medio de Valores rms (Corrente + Tenso) ......................................................83 5.4.6 Leitura dos Valores rms ........................................................................................83 5.4.7 Interface Srie .......................................................................................................84

5.5 Circuito de Aquisio...........................................................................................................85

5.6 Aquisio da Temperatura Ambiente...................................................................................87

5.7 Alterao da Frequncia de Relgio.....................................................................................87

5.8 Erro na medio da Corrente rms e erro no clculo da Potncia Activa ..............................96

5.9 Concluso .............................................................................................................................96

6 Subsistema de Controlo ..........................................................................................................99

6.1 Introduo.............................................................................................................................99

6.2 Controlo..............................................................................................................................100 6.2.1 Mtodos de Controlo Convencionais/Avanados ...............................................102 6.2.2 Plataforma de controlo........................................................................................110 6.2.3 Placa de Interface................................................................................................112

6.3 Software .............................................................................................................................114 6.3.1 Estrutura do Software .........................................................................................115

6.4 Controlo do Processo de Secagem .....................................................................................122

6.5 Implementao do Controlo Hbrido e Resultados Experimentais ....................................124

6.6 Anlise de Resultados ........................................................................................................129

6.7 Concluso ...........................................................................................................................131

7 Concluses e Desenvolvimentos Futuros .............................................................................133

7.1 Concluses .........................................................................................................................134

7.2 Desenvolvimentos futuros..................................................................................................135

8 Referncias .............................................................................................................................137

Anexo A Prottipo Industrial....................................................................................................141

Anexo B Calibrao do ADE7754.............................................................................................145

B.1 Calibrao do Offset da Potncia Activa............................................................................145

B.2 Calibrao da Fase da Potncia Activa ..............................................................................146

ndice de Contedos

xvi

B.3 Compensao do Offset nas medidas rms.......................................................................... 148

xvii

ndice de Figuras

Figura 3.1: Arquitectura geral de um Sistema Distribudo de Controlo............................................16 Figura 3.2: Modelo de Comunicao Cliente-Servidor.....................................................................18 Figura 3.3: Comunicao Cliente-Servidor.......................................................................................18 Figura 3.4: Modelo de Comunicao Produtor-Consumidor. ...........................................................19 Figura 3.5: Comunicao Produtor-Consumidores. ..........................................................................19 Figura 3.6: Modelo de Comunicao Mestre-Escravo. .....................................................................20 Figura 3.7: Comunicao Mestre-Escravo. .......................................................................................20 Figura 3.8: Valor do resultado das tarefas aps o fim do prazo temporal.........................................24 Figura 3.9: Arquitectura distribuda para controlo de potncia.........................................................33 Figura 3.10: Arquitectura de controlo do caso de estudo..................................................................34 Figura 4.1: Circuito de potncia. .......................................................................................................38 Figura 4.2: Rectificador trifsico no controlado (Carga Resistiva). ................................................39 Figura 4.3: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico no controlado...............................40 Figura 4.4: Rectificador trifsico no controlado (Carga RLC). .......................................................41 Figura 4.5: Corrente e tenso aos terminais da carga do rectificador trifsico no controlado (Carga

RLC)...........................................................................................................................................41 Figura 4.6: Rectificador trifsico semi-controlado (Carga RLC)......................................................42 Figura 4.7: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico semi-controlado, com = 30. ......42 Figura 4.8: Corrente e tenso aos terminais da carga do rectificador trifsico semi-controlado, carga

RLC e = 30.............................................................................................................................43 Figura 4.9: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico semi-controlado, com = 60. ......43 Figura 4.10: Corrente e tenso aos terminais da carga do rectificador trifsico semi-controlado,

carga RLC e = 60. ..................................................................................................................44 Figura 4.11: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico semi-controlado, com = 90. ....44 Figura 4.12: Rectificador trifsico controlado (Carga RLC). ............................................................45 Figura 4.13: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico controlado, com = 30. .............46 Figura 4.14: Corrente e tenso aos terminais da carga do rectificador trifsico controlado, carga

RLC e = 30.............................................................................................................................46 Figura 4.15: Tenses de entrada e sada do rectificador trifsico controlado, com = 75. .............47 Figura 4.16: Circuito elementar de converso CA/CC, com barramento CC em fonte de tenso. ...48

ndice de Figuras

xviii

Figura 4.17: Inversor de tenso monofsico transistorizado, com filtro no barramento CC............ 50 Figura 4.18 Inversor de tenso trifsico com filtro LC na entrada................................................... 51 Figura 4.19 Inversor de tenso trifsico. .......................................................................................... 52 Figura 4.20: Diagrama de comando do inversor trifsico. ............................................................... 53 Figura 4.21: Funes de comutao sa, sb e sc para o comando de plena onda. ................................ 53 Figura 4.22: Tenses simples na sada do inversor. ......................................................................... 54 Figura 4.23: Tenses compostas na sada do inversor...................................................................... 54 Figura 4.24: Corrente de fase na sada do inversor. ......................................................................... 54 Figura 4.25: Tenso simples na sada do inversor (PWM Sinusoidal 2400Hz). .............................. 57 Figura 4.26: Corrente de fase na sada do inversor (PWM Sinusoidal 2400Hz).............................. 57 Figura 5.1: Arquitecturas de conversores A/D, aplicaes, resoluo e frequncias de amostragem.

................................................................................................................................................... 60 Figura 5.2: Diagrama temporal da tenso, corrente e potncia instantnea. .................................... 63 Figura 5.3: Ligao estrela com trs sensores de tenso e trs sensores de corrente. ...................... 64 Figura 5.4: Ligao estrela com dois sensores de tenso e trs sensores de corrente. ..................... 65 Figura 5.5: Ligao tringulo com dois sensores de corrente e dois sensores de tenso. ................ 65 Figura 5.6: Ligao tringulo com dois sensores de tenso e trs sensores de corrente. ................. 67 Figura 5.7: Circuito de converso da corrente em tenso................................................................. 69 Figura 5.8: Circuito de seleco do sensor de corrente. ................................................................... 70 Figura 5.9: Circuito de seleco das gamas de medio da tenso. ................................................. 71 Figura 5.10: Filtro Sallen-Key 2 ordem. ......................................................................................... 75 Figura 5.11: Filtro Sallen-Key 2 ordem com pot. de sintonia. ........................................................ 77 Figura 5.12: Circuito de condicionamento dos sinais de corrente e tenso...................................... 77 Figura 5.13: Diagrama de blocos funcional do ADE7754. .............................................................. 78 Figura 5.14: Ripple presente na energia. .......................................................................................... 81 Figura 5.15: Fluxograma de medio da energia activa acumulada................................................. 82 Figura 5.16: Fluxograma de medio dos valores rms da fase A..................................................... 84 Figura 5.17: Diagrama de blocos do subsistema de aquisio. ........................................................ 85 Figura 5.18: Esquemtico do subsistema de aquisio..................................................................... 86 Figura 5.19: Circuito de condicionamento do sinal de sada do sensor de temperatura................... 87 Figura 5.20: Valores medidos para a energia activa, com sinais de corrente e tenso de amplitude

0.2852Vp. .................................................................................................................................. 89 Figura 5.21 Valores medidos para a energia activa, com sinais de corrente e tenso de amplitude

0.2852Vp e sistema de aquisio estabilizado. .......................................................................... 90 Figura 5.22: Valores medidos para a energia activa, com sinais de corrente e tenso de amplitude

0.2852Vp. .................................................................................................................................. 91 Figura 5.23 Valores medidos para a energia activa, com sinais de corrente e tenso de amplitude

ndice de Figuras

xix

0.1827Vp. ...................................................................................................................................91 Figura 5.24 Valores medidos para a Energia Activa, com sinais de corrente e tenso de amplitude

0.1827Vp e 35.8 de desfasamento entre os sinais de corrente e tenso.....................................92 Figura 5.25: Valores medidos para a corrente rms, para um sinal de amplitude 0.48649Vp. ...........93 Figura 5.26: Valores medidos para a corrente rms, para um sinal de amplitude 0.292884Vp. .........94 Figura 5.27 Valores medidos para a energia activa e perodo do sinal de entrada............................95 Figura 6.1: Diagrama de blocos de um sistema de controlo contnuo com realimentao negativa.

.................................................................................................................................................101 Figura 6.2: Diagrama de blocos de um sistema de controlo digital com realimentao negativa...101 Figura 6.3:Resposta de um controlador ON-OFF. ..........................................................................103 Figura 6.4:Resposta de um controlador ON/OFF com histerese.....................................................104 Figura 6.5: (a) Resposta de um controlador proporcional para diferentes valores de KP................105 Figura 6.6:Resposta de um controlador PI para diferentes valores de TI e KP=2............................106 Figura 6.7:Resposta de um controlador PD para diferentes valores de TD e KP=1 .........................107 Figura 6.8:Resposta de um controlador PID para diferentes valores de KP, TD e TI .......................109 Figura 6.9: Plataforma de controlo..................................................................................................111 Figura 6.10: Diagrama de blocos da placa de interface...................................................................113 Figura 6.11: Circuito de gerao dos sinais de comando complementares e de tempo morto. .......113 Figura 6.12: Circuitos de interface fibra ptica/TTL. .....................................................................114 Figura 6.13: Rede de Petri do Processo de Secagem ......................................................................116 Figura 6.14: Esquema de princpio de hierarquia de controladores envolvidos no processo de

secagem....................................................................................................................................123 Figura 6.15: Temperatura, potncia, corrente e resistncia do enrolamento medidas e calculadas

durante o aquecimento com controlo hbrido. .........................................................................125 Figura 6.16: Temperatura, potncia, corrente e resistncia do enrolamento medidas e calculadas

durante o aquecimento com controlo hbrido e durao 120 minutos. ....................................126 Figura 6.17: Regime permanente da temperatura calculada para os enrolamentos do transformador

com controlo hbrido (intervalos das regras difusas de 2C). ..................................................126 Figura 6.18: Regime permanente da temperatura calculada para os enrolamentos do transformador

com controlo hbrido (intervalos das regras difusas de 1C). ..................................................128 Figura 6.19: Regime permanente da temperatura calculada para os enrolamentos do transformador

com controlo hbrido (intervalos das regras difusas de 0.5C). ...............................................129

Figura A.1: Mdulo rectificador + inversor. ..................................................................................................141

Figura A.2: Placa do subsistema de aquisio. ...............................................................................142 Figura A.3: Plataforma de controlo.................................................................................................142 Figura A.4: Consola de interface com o utilizador. ........................................................................143

xxi

ndice de Tabelas

Tabela 5-1: Resultados da avaliao dos sensores de corrente. ........................................................68 Tabela 5-2: Resultados da avaliao dos sensores de tenso. ...........................................................70 Tabela 5-3: Configurao do Ganho dos Canais Analgicos............................................................78 Tabela 5-4: Clculo da Potncia Activa Total...................................................................................79 Tabela 5-5: Configurao das Topologias de Medio.....................................................................80 Tabela 6-1: Efeitos da adio das aces proporcional, integral e derivativa.................................108

xxiii

Abreviaturas

ADC Analog to Digital Converter

ANSI American National Standards Institute

DAC Digital to Analog Converter

DCS Distributed Control Systems

DDC Direct Digital Control

DMA Direct Memory Access

FTU Fault Tolerant Units

LSB Last Significant Bit

MLI Modulao da Largura dos Impulsos

MSPS Mega Samples Per Second

PGA Programmable Gain Amplifier

PWM Pulse Width Modulation

RAM Random Access Memory

RCS Real-Time Control Systems

RMS Root Mean Square

RTC Real Time Clock

SPI Serial Peripheral Interface

WDT Watch Dog Timer

1

1 Introduo

A engenharia de sistemas de controlo est, cada vez mais, ligada a processos complexos. A

caracterizao em termos de modelo matemtico destes processos torna-se mais difcil, seja

pelas caractersticas no lineares que contm ou pelo nmero de variveis envolvidas, seja

pela impossibilidade de os descrever analiticamente.

O desenvolvimento de novos sistemas e mtodos de controlo pode permitir um tratamento

apropriado destes processos.

Neste contexto verificou-se, nas ltimas duas dcadas, um forte aumento da investigao na

rea dos sistemas de controlo. A evoluo nesta rea tem sido nivelada para solues de

sistemas distribudos de controlo, com caractersticas, por vezes, de anlise de sistemas de

tempo real. Pouco se tem avanado em termos de sistema como um todo. Os avanos

existentes tm sido em novas aplicaes, algoritmos de escalonamento dinmicos e

principalmente em sistemas distribudos de tempo real.

Torna-se assim necessrio o desenvolvimento de arquitecturas e solues distribudas de

controlo, com boas caractersticas de desempenho permitindo um controlo eficiente mesmo

de processos complexos. Em particular, neste trabalho foca-se o desenvolvimento de

arquitecturas e solues distribudas para controlo de potncia. De facto, a orientao para

os sistemas distribudos aparece motivada por funcionalidades de desenvolvimento to

importantes como a distribuio do processamento, a flexibilidade de desenvolvimento, a

expansibilidade, interferncia electromagntica, etc.

O processo industrial adoptado na implementao da arquitectura distribuda para controlo

de potncia foi o processo de secagem de transformadores.

Caracterizado o processo, desde logo surge a questo da abordagem sobre o mtodo de

controlo a ser do tipo convencional ou baseado em tecnologias emergentes.

Os mtodos de controlo baseados em tecnologias emergentes, em particular os derivados da

lgica difusa, tm dado uma boa resposta a uma classe de problemas de controlo,

Introduo

2

nomeadamente no que se refere ausncia de um modelo ou existncia de parmetros

incertos ou no lineares.

Assim, esta dissertao trata, fundamentalmente, do estudo e desenvolvimento de uma

arquitectura distribuda para controlo de potncia e da implementao de uma possvel

soluo para essa arquitectura, aplicada em particular ao processo de secagem de

transformadores. Foca tambm a implementao, em prottipo industrial, de um mtodo de

controlo de temperatura.

A validade dos aspectos tericos concebidos e dos mtodos de controlo implementados

assim tratada via demonstrao experimental. Os resultados experimentais obtidos

demonstram as boas caractersticas de desempenho do sistema de controlo desenvolvido.

1.1 Objectivos

O trabalho aqui apresentado tem trs objectivos fundamentais. O primeiro o estudo e

desenvolvimento de uma arquitectura distribuda para controlo de potncia. O segundo,

mas no menos importante, o desenvolvimento e implementao de uma soluo

distribuda para controlo do processo de secagem de transformadores. O terceiro e ltimo

a validao experimental do controlador implementado.

As principais tarefas que devem ser realizadas so as seguintes:

Estudo e desenvolvimento de uma arquitectura distribuda para controlo de

potncia;

Desenvolvimento e implementao do subsistema de aquisio, responsvel pela:

o aquisio da corrente e tenso;

o medio da corrente rms (Root Mean Square), potncia activa e temperatura

ambiente;

o clculo da temperatura dos enrolamentos do transformador;

Desenvolvimento e implementao do subsistema de controlo, quer a nvel de

hardware quer de software que deve incluir:

o controlo dos conversores electrnicos do subsistema de potncia;

o interface com o operador;

o gesto das comunicaes com o subsistema de aquisio e a interface com o

Introduo

3

operador;

o implementao do algoritmo (ou mtodo) de controlo;

Validao experimental do controlador implementado;

1.2 Organizao da Dissertao

O contedo desta dissertao encontra-se organizado em captulos. No captulo 1

enquadrada a dissertao e so apresentados os problemas a tratar, bem como os objectivos

a atingir.

O captulo 2 apresenta o processo usado como caso de estudo (processo de secagem de

transformadores), bem como alguns dos requisitos que este impe ao subsistema de

aquisio, controlo e interface.

O captulo 3, alm da descrio dos sistemas de controlo distribudos, em especial os de

tempo real, apresenta a arquitectura distribuda para controlo de potncia, bem como uma

possvel soluo para controlo do processo de secagem de transformadores.

O captulo 4 trata do controlo de potncia e dos conversores que dele fazem parte. Descreve

a constituio do subsistema de potncia do sistema de aquecimento e apresenta um estudo

sobre alguns dos conversores que podem ser usados neste tipo de subsistemas, em

particular sobre os conversores CA/CC e CC/CA.

Faz-se, tambm, uma anlise simplificada de mtodos de uso geral de controlo de

conversores CC/CA.

No captulo 5 apresenta-se o desenvolvimento e implementao do subsistema de

aquisio, responsvel pela aquisio, processamento, digitalizao e medio/clculo das

grandezas necessrias ao controlo e superviso do processo. As vrias fases de

implementao deste subsistema so devidamente explicadas.

O captulo 6, alm do desenvolvimento e implementao do subsistema de controlo,

apresenta a rede de Petri que serviu de base ao desenvolvimento do cdigo da aplicao.

Apresenta ainda a implementao em prottipo industrial de um mtodo de controlo de

temperatura hbrido, resultados experimentais e respectiva anlise dos mesmos.

Finalmente, apresentam-se as principais concluses e algumas linhas de aco para

trabalhos futuros, na sequncia deste.

5

2 Apresentao do Caso de Estudo

2.1 Introduo

Os transformadores a leo para distribuio de energia elctrica tm que ser secos por

razes de fabricao, qualidade e fiabilidade de funcionamento.

O processo tradicional de aquecimento e secagem de transformadores de distribuio,

aquecimento em estufa, caracteriza-se por uma eficincia baixa e um tempo de

aquecimento/secagem elevados, dependentes do tipo de transformador a secar.

A inovao neste processo proposta por Quintas, (Quintas, Carvalho et al., 1994),

proporcionou uma reduo acentuada destas limitaes. Baseia-se no aquecimento directo

do transformador em secagem, atravs da injeco controlada de corrente e controlo da

temperatura de secagem. A corrente injectada controlada de forma a manter a temperatura

dos enrolamentos do transformador em torno dos 110C (nunca ultrapassando os 130C,

pois temperaturas superiores poderiam danificar o verniz isolador). A temperatura

calculada pelo valor da resistividade do cobre dos enrolamentos, a partir da medida da

potncia activa, corrente e temperatura inicial (temperatura ambiente).

O problema que esta dissertao se prope estudar o do desenvolvimento de uma soluo

distribuda para controlo, que satisfaa os requisitos do processo de secagem de

transformadores, melhorando desta forma a eficincia e o tempo de secagem. Na verdade

este processo, pelas suas caractersticas, constitui um efectivo caso de estudo permitindo

generalizar os resultados a atingir.

A soluo a desenvolver tem um vasto conjunto de requisitos, impostos pelo processo, que

devem ser cumpridos com rigor, dado que o no cumprimento de alguns pode causar danos

no transformador em secagem. Alguns destes requisitos so: garantir que os limites de

corrente dos enrolamentos so cumpridos, garantir que as correntes nos enrolamentos no

esto em desequilbrio, comandar o inversor, medir correntes, medir a potncia activa, gerir

Apresentao do Caso de Estudo

6

comunicaes com o exterior, monitorar medidas e a sua evoluo para detectar defeitos e

avarias, tratar as entradas, apresentar dados na sada, etc.

Uma vez identificado o caso de estudo, este captulo pretende descrever o conjunto de

requisitos existentes neste tipo de sistemas, sejam de instrumentao, controlo, ou interface,

a partir de uma anlise do processo central.

2.2 Anlise do Processo de Secagem

O processo de secagem utiliza um inversor de tenso, a funcionar em baixa frequncia, para

introduzir corrente nos enrolamentos do transformador, que tem o secundrio em curto-

circuito. Deste modo, existe um auto-aquecimento do transformador, que permite a

vaporizao dos lquidos presentes nas peas construtivas. Para permitir a rpida

eliminao dos vapores existentes nas imediaes do transformador, este mantido em

vcuo durante a secagem. A frequncia da forma de onda gerada plo inversor de 5Hz,

para que a tenso induzida no secundrio seja baixa e assim existam correntes de

aquecimento tanto no(s) enrolamento(s) primrio(s) como no(s) secundrio(s) do

transformador. Doutra forma, as correntes do primrio seriam muito baixas e no causariam

auto-aquecimento significativo. Grande parte dos transformadores de distribuio so

trifsicos mas o sistema funciona tambm com transformadores monofsicos.

O processo de secagem utiliza tambm duas cubas de vcuo com capacidade mxima para

5 transformadores. Os 5 inversores de tenso que se pretende comandar, de forma

independente, podem ser ligados a qualquer uma das cubas. O nmero de transformadores

presente nas cubas depende das suas dimenses fsicas e do planeamento da produo.

Os parmetros dos transformadores a construir variam pea a pea conforme os requisitos

do cliente final. Alguns destes parmetros so elctricos, tal como a tenso no enrolamento

primrio e secundrio, respectivas correntes que traduzem uma determinada potncia de

funcionamento, tenso de isolamento, etc. Estes parmetros so introduzidos pelo operador,

atravs de uma interface grfica. Existem, no entanto, uma srie de pormenores

construtivos no elctricos muito importantes (do ponto de vista do controlador de

temperatura), tal como a temperatura mxima a que o transformador dever funcionar,

forma fsica dos ncleos magnticos, disposio fsica do fio condutor, espaos e formato

dos canais do interior dos enrolamentos, etc. Muitos outros pormenores, tal como

configurao dos pontos de fixao, isoladores pretendidos, ligaes elctricas, etc. no


7

interessam ao controlador de temperatura mas exigem que o trabalho de montagem do

conjunto do transformador seja, em grande parte, manual.

Os transformadores em causa tm dimenses muito variveis que podem ir, em termos de

volume comparativo, de 1 a 15 m3. Apresentam componentes em madeira e/ou papel, por

razes de custo e funcionalidade. As quantidades destes componentes que aparecem

imprevisivelmente hmidos, varia de transformador para transformador, tal como a sua

configurao e colocao exacta. A humidade dos componentes varia com a sua

provenincia e com estao seca ou hmida do ano o que pode mesmo reflectir-se no

processo de secagem de alguns transformadores.

Os enrolamentos, que podem ser de cobre ou de alumnio, variam em forma e dimenso de

acordo com os referidos factores construtivos. Os enrolamentos so j construdos com a

preocupao que ser necessrio sec-los e assim existem canais de formato variado que

servem, entre outros propsitos, para escoar os vapores formados durante a secagem.

Devido elevada flexibilidade necessria durante a produo, grande parte dos ajustes so

feitos por trabalhadores, pelo que se admitem diferentes folgas e pequenas diferenas entre

peas que poderiam aparentemente ser iguais.

Do ponto de vista termodinmico e dos fenmenos de transferncia envolvidos, a

modelao matemtica deste sistema apresenta-se algo complexa. Tal modelao obrigaria

a estabelecer um certo nmero de simplificaes e pressupostos, alm de que muitas

informaes relevantes nem sequer esto disponveis, tal como os valores dimensionais de

todos os parmetros dos enrolamentos, tendo em conta que um nmero varivel de

transformadores so secos em simultneo, tambm a temperatura dos outros

transformadores que esto na mesma cuba ou ainda o valor da presso actual. Por outro

lado, a quantidade de humidade no papel e na madeira indeterminada. Tendo em conta

todas estas dificuldades conclui-se que tal formulao matemtica seria impraticvel, no

mbito deste trabalho. A modelao matemtica do processo de secagem foi objecto de

estudo preliminar e o grupo de trabalho envolvido nesse estudo concluiu que tal modelao

requeria uma quantidade de trabalho que a inviabiliza.

Durante a secagem, a temperatura do transformador em aquecimento determinada atravs

do clculo da resistncia do enrolamento, sendo a resistncia calculada a partir dos valores

medidos para a potncia activa e corrente. A equao utilizada para o clculo da

temperatura actual nos enrolamentos de um transformador em cobre :


8

22 11

(235 ) - 235RT TR

= + (2.1)

onde T1 a temperatura inicial, T2 a temperatura actual, R1 a resistncia inicial e R2 a

resistncia actual.

No caso de os enrolamentos serem em alumnio a equao :

22 11

(225 ) - 225RT TR

= + (2.2)

A grande vantagem da medio indirecta da temperatura a de eliminar todos os sensores

de temperatura. Tal importante no s por consideraes econmicas, mas tambm para

permitir o enchimento automtico de leo na fase seguinte do processo.

A medida da temperatura obtida o integral de elementos infinitesimais de temperatura, ao

longo de cada um dos enrolamentos do transformador. A medida da temperatura tanto pode

ser monofsica como trifsica.

O objectivo do sistema de controlo o de elevar a temperatura dos enrolamentos at cerca

de 110C, mas de forma a nunca ultrapassar os 130C pois tal resultaria, provavelmente, em

queimaduras no verniz isolador dos enrolamentos do transformador o que obrigaria a sua

substituio integral.

Quando a temperatura do transformador est longe da temperatura final pretendida, 110C,

aplicada a corrente mxima aos enrolamentos, definida como 120% da corrente nominal

(IN). Esta limitao no valor mximo da corrente visa proteger os enrolamentos de esforos

mecnicos excessivos, que poderiam surgir pela existncia de demasiados vapores em

ebulio no interior do sistema.

Supondo, por aproximao que os vapores extrados do transformador so de gua, o seu

ponto de ebulio varia muito conforme a presso existente no interior da cuba. A consulta

das tabelas apropriadas, tal como descrito por Smith, (Smith e Van Ness, 1987) (tabela

C.1), assegura que a gua (pura) entra no estado gasoso a temperaturas inferiores a 19C

desde que a presso seja inferior a 20 mbar. Se a presso na cuba de secagem no atingir os

20 mbar ao fim de 20 minutos de processo, a secagem interrompida e o controlador do

processo de vazio activa um alarme (de reparar que o controlador do processo de vazio

um sistema independente do controlador do processo de secagem). O aquecimento do


9

transformador traz a humidade do interior dos materiais at sua periferia, para ser

eliminada pelas bombas de vcuo. Em concluso, o ritmo a que o vapor de gua

eliminado das proximidades do transformador varia com a presso na cuba e a temperatura

do transformador. O valor da presso na cuba desconhecido do controlador do processo

de aquecimento de transformadores.

Uma das maiores dificuldades do processo que se tem vindo a descrever reside no facto de

que, uma vez retirada a humidade das proximidades do sistema, o transformador perde

alguma massa (foram retirados lquidos). Se se continuar a enviar potncia para o sistema

ao ritmo anterior, a sua temperatura subir rapidamente, com o perigo de ultrapassar a

temperatura mxima admissvel.

A evoluo da presso no interior da cuba dificilmente previsvel j que o arranque das

bombas de vcuo feito manualmente, pelo que podem existir esquecimentos, atrasos, etc.

e depende ainda do estado de uso do leo utilizado nas bombas de vcuo para fazer o

isolamento entre baixa e alta presso.

O sistema de vazio dispe de duas bombas de vazio primrio (uma para cada cuba) e duas

bombas extra, que podem ser ligadas a uma das cubas para formar alto-vcuo. A secagem

de um transformador demora cerca de 2 horas. Depois desse perodo, o inversor desligado

e as bombas de alto-vcuo so ligadas at a presso baixar dos 5 mbar. Passado algum

tempo, apenas com uma bomba de alto vcuo ligada, e de acordo com instrues do

operador, o processo de enchimento com o tipo de leo certo e a quantidade apropriada

para o transformador em causa inicia-se.

Para o sistema de aquecimento arrancar, o operador tem que inserir os parmetros elctricos

do transformador e dar a ordem de arranque. O sistema de controlo de aquecimento faz a

verificao dos parmetros introduzidos e se existirem erros, pede a sua re-introduo.

Depois dos parmetros serem introduzidos correctamente o sistema arranca com o clculo

da resistncia inicial dos enrolamentos, que sempre feito a 100% da corrente nominal do

transformador (IN) durante 30 segundos, considerando que no existe auto-aquecimento

durante a medida inicial. Posteriormente, medida a percentagem de desequilbrio entre as

3 fases do transformador (se ele for trifsico). Se este valor estiver dentro dos limites o

processo continua para a fase de aquecimento, seno lanado um alarme. Na fase inicial,

quando a temperatura est muito baixa, por ex. abaixo dos 50C, a corrente injectada a

corrente mxima, 120% de IN, pelas razes atrs referidas. S quando a temperatura est


10

prxima dos 80C que existe a necessidade de um controlador de temperatura. Por razes

de segurana existem condies de saturao que limitam, por software, em qualquer altura

do programa, a corrente a 220A ou a 120% IN, o que for menor. Para alm destes

limitadores por software, existem proteces de hardware que so ajustadas pelo sistema de

controlo, durante o incio do processo, para o mais baixo dos dois valores: 220A ou 1,3 IN.

A fase de aquecimento interrompida, caso ocorra uma falha que origine um alarme. Neste

caso a interface grfica deve apresentar ao operador o alarme que ocorreu, bem como a

aco correctiva que o operador deve tomar, caso haja. Se o alarme for grave a fase de

aquecimento termina, se no a fase de aquecimento continua logo aps a interveno do

operador. A fase de aquecimento termina no final do tempo de aquecimento.

A superviso e o controlo local do processo industrial descrito requerem o uso de uma

interface grfica inteligente. Esta interface deve permitir a introduo de dados relevantes

para o processo, tais como a potncia nominal do transformador a secar, a corrente nominal,

o nmero de fases, etc., bem como a apresentao de dados, em tempo real, sobre a

secagem em curso. Por exemplo, durante a secagem o operador deve poder visualizar a

temperatura actual, corrente injectada na carga, grficos da evoluo da temperatura,

formas de onda da corrente, etc.

Como analisado, a instrumentao deste processo revela-se crtica, dado que uma medio

errada ou uma falha a nvel da instrumentao pode causar danos no transformador em

secagem, no limite a volatilizao do verniz que origina a indisponibilidade temporal do

equipamento de secagem. O facto deste processo ser no linear reala ainda mais esta

criticalidade, porque o seu controlo pode originar variaes bruscas da potncia entregue

carga. Assim, alm da elevada preciso de medio exigida instrumentao ainda

exigida uma elevada fiabilidade de funcionamento. Em contrapartida, a elevada preciso de

medio da potncia activa e da corrente requerem a utilizao de taxas de amostragem

elevadas e clculos intensivos.

Quanto ao controlo deste processo, tambm se revela bastante complexo devido ao facto

deste ser no linear e variante no tempo. Tal exige a utilizao de uma plataforma fivel e

eficiente, que permita o desenvolvimento de novos algoritmos de controlo que consigam

explorar o sistema na sua zona de desempenho mxima. Alm da execuo do algoritmo de

controlo, esta plataforma ainda responsvel pela medio da temperatura ambiente,

gerao dos sinais de pwm de comando do inversor, gerao do sinal de referncia para o


11

ngulo de atraso dos tiristores do rectificador, etc.

O isolamento galvnico entre circuitos de controlo e potncia tambm necessrio, para

evitar que uma falha na potncia no leve destruio do sistema de controlo.

Neste quadro, surge a necessidade da utilizao de uma plataforma distribuda, onde as

funes de instrumentao, interface, controlo e actuao so executadas em diferentes

subsistemas, representados por ns. Os vrios ns so interligados por uma ou mais redes

de comunicao.

2.3 Requisitos do Subsistema de Aquisio

O subsistema de aquisio o responsvel pela aquisio da corrente e tenso nos

enrolamentos do transformador, bem como pela medio da potncia activa, corrente rms e

temperatura ambiente. Para alm disto, este subsistema ainda calcula a temperatura nos

enrolamentos do transformador, com base nos valores medidos para a corrente, potncia

activa e temperatura ambiente. Os requisitos impostos ao subsistema de aquisio so os

seguintes:

Aquisio de correntes com valores entre 0.2 e 240A, com um erro menor que

2%.

Aquisio de tenses com valores entre 2 e 381V, com um erro menor que 2%.

Medio da corrente rms e potncia activa, com um erro menor que 2.5%.

Medio da temperatura ambiente com valores entre 0 e 62.5C, com um erro

menor que 2%.

Clculo da temperatura nos enrolamentos do transformador.

2.4 Requisitos do Subsistema de Controlo

O subsistema de controlo responsvel pelo processamento da informao do processo,

pela execuo do algoritmo de controlo de temperatura nos enrolamentos do transformador

e pela gerao dos sinais de comando dos dispositivos semicondutores de potncia. Cabem

a este sistema a realizao de funes to distintas como a leitura de parmetros

introduzidos pelo operador na consola, a gerao dos sinais de pwm, a deteco de avarias,

a gerao de alarmes, etc. As funes ou requisitos do subsistema de controlo so:


12

Recepo de dados e comandos, sobre o processo de secagem, introduzidos

atravs da interface grfica.

Envio de dados sobre os valores absorvidos de corrente, potncia, tenso e

temperatura, para a interface grfica.

Gerao do sinal de referncia para o ngulo de atraso dos tiristores do

rectificador.

Gerao dos sinais de pwm para comando do inversor. A forma de onda de

tenso sada do inversor deve ser uma sinuside com uma frequncia fixa (5Hz)

e amplitude varivel, atravs do ndice de modulao e da tenso no barramento

DC.

Controlo da corrente no transformador em secagem num intervalo de tempo

varivel de acordo com a temperatura actual, mantendo um regime final de

temperatura (variao da temperatura em regime permanente menor que 2.5%

do valor final pretendido).

Teste de sobrecarga (pedido de corrente superior a 1,3 IN).

Teste de desequilbrio da amplitude das correntes nas fases (desequilbrio de

corrente nos enrolamentos do transformador superior a 5%).

Teste de sobreaquecimento do transformador (a temperatura dos enrolamentos

ultrapassou os 130C).

Gerao de vrios sinais de alarme em caso de falha do processo de secagem.

Comunicao de informao sobre a secagem a um controlador externo.

2.5 Requisitos da interface

A interface com o utilizador permite a superviso e o controlo local do processo de

secagem de transformadores. Para tal esta interface deve permitir:

Introduo e alterao de dados relevantes para o processo de secagem, tais como a

potncia nominal do transformador a secar, a corrente, nmero de fases, etc.

Envio de ordens para o controlador do processo, tais como arranque ou paragem da


13

secagem.

Apresentao de dados, em tempo real, sobre a secagem em curso.

Apresentao de informao sobre alarmes, bem como as aces correctivas que o

operador deve tomar, caso existam.

Re-arranque ou finalizao de uma secagem interrompida por um alarme.

Contudo, as operaes de introduo e alterao de dados so limitadas fase inicial de

arranque da secagem, onde ainda no est a ser aplicada corrente carga. Esta limitao

impede que o operador possa colocar o funcionamento do processo em risco atravs da

introduo de parmetros errados durante a secagem (quando est a ser aplicada corrente

carga).

2.6 Concluso

Neste captulo estudaram-se as caractersticas do processo de secagem de transformadores,

bem como alguns dos requisitos a impor soluo a desenvolver, nomeadamente alguns

que do causalidade emergncia de uma plataforma distribuda para a implementao do

sistema.

15

3 Sistemas Distribudos de Controlo

3.1 Introduo

Actualmente, o funcionamento das estruturas computacionais assenta cada vez mais na

utilizao de redes de comunicao e de sistemas distribudos, substituindo a tradicional

organizao em torno de sistemas centralizados. De facto, esta nova orientao motivada

por aspectos to importantes como a descentralizao das responsabilidades e a partilha de

recursos, que podem ser obtidos atravs da distribuio. A concretizao destes aspectos

reflecte-se no s numa melhor eficincia e desempenho da organizao, como tm

consequncias muito positivas do ponto de vista econmico.

Assim, conveniente, e a evoluo actual dos sistemas para l aponta, que na rea do

controlo e da superviso de processos industriais se caminhe no sentido de uma cada vez

maior distribuio.

Tal distribuio permite a implementao de sistemas de controlo bem mais complexos,

com requisitos estritos envolvendo a tolerncia a falhas e a flexibilidade. Os sistemas de

controlo embebidos so um exemplo deste tipo de sistemas, tais como aqueles usados no

controlo de automveis para aplicaes drive-by-wire, steer-by-wire, brake-by-wire, etc. As

vantagens dos sistemas distribudos de controlo esto documentadas em vrias fontes. Por

exemplo, o uso de controlo digital avanado em automveis permite melhorar a

estabilidade, a segurana, reduzir o consumo de combustvel e a poluio, melhorar a

performance, etc., (Pimentel e Salazar, 2002).

As exigncias de tempo real so uma das principais caractersticas de desempenho dos

sistemas distribudos de controlo. So estas exigncias que evidenciam a necessidade de

garantir que as operaes executadas pelo sistema terminam antes do tempo mximo

estabelecido. Como num sistema distribudo de controlo a execuo do cdigo e os dados

esto distribudos em diversos ns locais, as caractersticas de tempo real tambm tm que

ser estendidas s redes de comunicao. A necessidade de protocolos de comunicao

Sistemas Distribudos de Controlo

16

determinsticos, isto , que tenham tempos mximos de transmisso previsveis, aparece

naturalmente para que o desempenho das comunicaes possa ser contabilizado na

caracterizao das restries temporais a impor aos clculos, face s restries temporais de

todo o conjunto.

O objectivo deste captulo o de caracterizar os sistemas distribudos de controlo, para que

desta forma se possa definir a arquitectura distribuda para controlo de potncia, bem como

uma possvel implementao, aplicada em particular ao processo de secagem de

transformadores.

3.2 Sistemas Distribudos de Controlo

Os sistemas distribudos de controlo (Figura 3.1) so compostos por um ou mais

subsistemas, designados de ns, implementados de uma forma distribuda e comunicando

entre si atravs de uma ou mais redes de comunicao. As tarefas de um sistema distribudo

de controlo (sensorizao/medio, execuo do algoritmo de controlo e actuao) esto

espalhadas por diversos mdulos e so executadas de uma forma distribuda em ns

distintos, interligados por uma rede de comunicao de tempo real. Tipicamente, um dos

ns responsvel pela execuo do algoritmo de controlo, sendo os restantes responsveis

pelas tarefas de sensorizao/medio e actuao.

Os ns da rede de comunicao tm que executar as suas tarefas num intervalo de tempo

mximo especificado, a fim de cumprir os requisitos temporais impostos pelo sistema de

controlo. Para tal, as caractersticas de processamento dos vrios ns e da rede de

comunicao so projectadas de forma a garantir que os requisitos e restries dos sistemas

de controlo so cumpridos.

N Controlador

Rede de Comunicao

N de Sensorizao/Medio 1

N de Sensorizao/Medio n

N Actuador

Figura 3.1: Arquitectura geral de um Sistema Distribudo de Controlo.

Num sistema de controlo tradicional as tarefas de sensorizao/medio, execuo do

algoritmo de controlo e actuao so estritamente sequenciais. Num sistema distribudo de


17

controlo tais tarefas podem ser executadas em paralelo ou de um modo sobreposto,

introduzindo assim o problema de sincronizao que precisa de ser correctamente tratado

na fase de projecto, (Pimentel e Salazar, 2002). Talvez o impacto principal do uso de um

sistema de comunicao dentro de um sistema de controlo seja a necessidade da existncia

de mecanismos de sincronizao, para que as tarefas de sensorizao/medio, execuo do

algoritmo de controlo e actuao sejam executadas e comunicadas s suas localizaes

fsicas de uma forma que esteja de acordo com os princpios de controlo.

Uma das principais vantagens dos sistemas distribudos de controlo a sua capacidade de

operar mesmo na presena de falhas, atravs do uso de unidades redundantes configuradas

como unidades tolerantes a falhas (FTU). Esta caracterstica uma vantagem tremenda para

aplicaes que requerem um elevado grau de segurana e confiabilidade (avies, carros,

etc.), (Pimentel e Salazar, 2002).

3.2.1 Modelos de Comunicao para Sistemas Distribudos

Nos sistemas distribudos de controlo, a distribuio dos dados constitui o objecto central

em torno do qual se posicionam os vrios ns e em funo do qual todo o sistema

concebido. Assim, na definio de uma arquitectura deve ter-se em especial ateno a

forma como os dados circulam no sistema e so utilizados pelos ns, pois tal tem reflexos

inevitveis no seu funcionamento e desempenho.

Desta forma, surge a necessidade da utilizao de um modelo de comunicao que garanta

o fluxo de dados, e o respectivo controlo, entre os diversos ns. Para alm disto,

necessrio garantir a correcta sincronizao das vrias tarefas (sensorizao/medio,

execuo do algoritmo de controlo e actuao), de modo a que estas sejam executadas e

comunicadas s suas localizaes fsicas de uma forma correcta.

Existem vrios modelos de comunicao que procuram tratar os problemas atrs referidos.

De entre estes, destacam-se o modelo Cliente-Servidor, Produtor-Consumidor e Mestre-

Escravo, que de seguida se descrevem.

3.2.1.1 Modelo de comunicao Cliente-Servidor

Tipicamente, o modelo de comunicao usado na generalidade das aplicaes distribudas

o modelo Cliente-Servidor, ilustrado na Figura 3.2. Este constitudo basicamente por dois

tipos de componentes, designados de cliente e servidor, que podem ser caracterizados da


18

seguinte forma:

Servidores so componentes que fornecem servios; implementam um conjunto de

tarefas de interesse geral para outros componentes que remotamente lhes podem aceder.

Clientes so componentes que usam servios; podem executar parte das aplicaes

localmente e aceder remotamente a servios dos servidores para executarem as tarefas mais

complexas de manipulao de dados, clculos, entrada/sada, etc.

ESC

ON BATTLOAD ONBYPASSFAULT

Figura 3.2: Modelo de Comunicao Cliente-Servidor.

Neste modelo, a comunicao sempre iniciada pelo cliente atravs da invocao de um

servio de um servidor. A invocao do servio transfere o controle de fluxo (mais

quaisquer dados de entrada) para o servidor e ai permanece at o servio estar completo.

Quando o servidor terminar, o controlo de fluxo devolvido ao cliente, que por sua vez

recomea a execuo. A comunicao entre cliente e servidor ilustrada na Figura 3.3.

Figura 3.3: Comunicao Cliente-Servidor.

Neste modelo, como os pedidos so invocados de uma maneira assncrona, torna-se muito

difcil conhecer priori a carga do servidor. Assim, torna-se bastante difcil estimar o atraso

na invocao de um servio (a dificuldade aumenta com o aumento do nmero de clientes)

e, consequentemente, garantir um determinado tempo de resposta a um cliente. Por este

motivo, o modelo de comunicao cliente-servidor considerado temporalmente

imprevisvel.

3.2.1.2 Modelo de comunicao Produtor-Consumidor

O modelo de comunicao Produtor-Consumidor constitudo basicamente por dois tipos

de componentes, designados de produtor e consumidor, que podem ser caracterizados da

seguinte forma:


19

Produtores so componentes que produzem servios.

Consumidores so componentes que consomem servios.

Figura 3.4: Modelo de Comunicao Produtor-Consumidor.

No modelo de comunicao produtor-consumidor, a comunicao sempre iniciada pelo

produtor atravs da publicao do servio produzido. Os consumidores mediante o servio

publicado, consomem, ou no, esse servio conforme sejam, ou no, subscritores.

Tipicamente, os consumidores ou esperam (espera activa) pela publicao de um novo

servio; ou ignoram o tempo de publicao e utilizam o ltimo servio publicado. A

comunicao entre produtor e consumidores ilustrada na Figura 3.5.

Produtor

Consumidor A

1

3Tempo

5

4Consumidor B

2 6 7

8

Figura 3.5: Comunicao Produtor-Consumidores.

Legenda:

1, 5: Publicao de servio;

2, 6: Consumo de servio e execuo;

3, 7: espera (activa) da publicao de um novo servio;

4, 8: Consumo do ltimo servio publicado e execuo;

Neste modelo, como o produtor no necessita de conhecer a identidade, ou mesmo a

existncia dos consumidores, o grau de desacoplamento entre componentes elevado.

Porm, um dos pr-requisitos para a obteno da previsibilidade temporal a de que os

consumidores tornem explicito os servios que subscrevem. Normalmente, em sistemas

embebidos este tipo de informao est disponvel. Assim, como os dados e controlo de

fluxo flem unidireccionalmente atravs de uma srie de componentes, a ordem de


20

execuo e o atraso ponta a ponta tornam-se altamente previsveis, o que torna este modelo

temporalmente previsvel.

3.2.1.3 Modelo de comunicao Mestre-Escravo O modelo de comunicao Mestre-Escravo (Figura 3.6) caracterizado pela existncia de

dois componentes fundamentais: o mestre e o escravo. A abordagem deste modelo a de

atribuir ao mestre a caracterstica de coordenar a execuo das actividades e aos escravos as

funes de fornecer os dados pedidos e executar as ordens do mestre.

Mestre Escravo 2

Escravo 1 Escravo n

Pedido de dado A

Envio de dado A

Pedido de execuo

Figura 3.6: Modelo de Comunicao Mestre-Escravo. No modelo de comunicao mestre-escravo, a comunicao sempre iniciada pelo mestre

atravs do envio de um pedido (dados ou execuo de uma ordem) a um dos escravos. O

escravo, ao receber o pedido do mestre, responde, fornecendo os dados pedidos ou

executando a ordem. A comunicao entre mestre e escravos ilustrada na Figura 3.7.

Mestre

Escravo 11

2Tempo

34

5

6

7

Escravo 2

Figura 3.7: Comunicao Mestre-Escravo.

Legenda:

1- Pedido de execuo (Produo de dado B);

2- Pedido de dado A;

3- Envio de dado A;

4- Pedido de dado B;

5- Envio de dado B;

6- Pedido de dado C;

7- Envio de dado C;

Neste modelo, como as funes so distribudas por vrios escravos, torna-se bastante


21

simples estimar o atraso na realizao de uma determinada tarefa. Por este motivo, o

modelo de comunicao mestre-escravo considerado temporalmente previsvel.

3.2.2 Sistemas de Controlo em Tempo Real

Os sistemas de tempo real e as suas aplicaes so uma das reas mais debatidas e

investigadas. Vrios livros e artigos tm sido elaborados sobre este assunto, uma vez que

este um tipo de sistema com inmeras aplicaes. Como exemplos, pode apresentar-se o

sistema de controlo de um automvel, uma base de dados de tempo real, um sistema de

superviso e gesto de produo, uma mquina de raios-X e sistemas muito mais

complexos, como os sistemas de aviao e de navegao subaqutica e espacial.

Os tpicos de interesse desta rea so muitos, incluindo-se a identificao das

caractersticas dos sistemas de tempo real, o escalonamento das tarefas, sistemas

operativos, linguagens de programao, os sistemas distribudos, a tolerncia a falhas, etc.

3.2.2.1 Definio de Sistemas de Tempo Real

A definio mais usada na literatura, e universalmente aceite como correcta a de que um

Sistema de Tempo Real um sistema em que a correco do resultado dado no depende

apenas do resultado lgico da computao, mas tambm do instante em que este resultado

produzido. Tambm no dicionrio de Oxford de Computao se encontra uma definio

semelhante, (Wellings, 1991):

Qualquer sistema em que o instante em que os resultados so produzidos

significativo. Isto normalmente porque as entradas correspondem a movimentos

no mundo fsico, e as sadas tm que se relacionar com os movimentos. O

intervalo entre o instante de entrada e o instante de sada deve ser suficientemente

pequeno para uma pontualidade aceitvel.

3.2.2.2 Caractersticas dos Sistemas de Tempo Real

A existncia de requisitos temporais uma caracterstica fundamental de um sistema de

tempo real. Estes necessitam de executar dentro de uma janela temporal, com prazos de

resposta e de execuo. So estes requisitos temporais que, na maior parte das vezes,

definem a classificao do sistema envolvido.

Os sistemas de tempo real so normalmente sistemas embebidos, porque controlam um

sistema genrico, do qual fazem parte, (Levi e Agrawala, 1990). Esta situao pode ser


22

encontrada no controlo computorizado de um automvel, num sistema de controlo de um

rob, no controlo de produo de uma fbrica, etc.

Os sistemas de tempo real interactuam, geralmente, com o ambiente envolvente. Isto requer

uma interface com os dispositivos que captam o estado actual do sistema e com os

dispositivos que enviam ordens ao sistema, de modo a o controlar. Este controlo

normalmente realizado em tempo real e sem interveno humana. Se a resposta do

sistema de controlo depender no s do estado actual do sistema, mas tambm de algum

evento externo, ento estes sistemas so reactivos.

A concorrncia e interaco de processos uma caracterstica inerente maior parte dos

sistemas fsicos, que servem de ambiente aos sistemas de tempo real. Por isso estes so

constitudos, geralmente, por um conjunto de tarefas concorrentes.

Uma caracterstica geralmente apontada aos sistemas de tempo real a rapidez de

execuo. No entanto, um sistema de tempo real no deve ser rpido (que um termo

relativo), mas sim ser mais rpido que o ambiente que o envolve. O controlo de um mssil

tem que ser feito em poucos milissegundos, mas numa linha de produo pode ser

suficiente actuar em segundos, (Stankovic, 1988). A rapidez muitas vezes necessria, mas

no suficiente. Ser rpido em mdia no garante que o sistema cumprir os requisitos

temporais de cada tarefa1.

Em (Stankovic, 1988), Stankovic descreve um novo tipo de sistemas de tempo real,

sistemas da prxima gerao, que alm das caractersticas apresentadas sero muito mais

complexos, distribudos, inteligentes, adaptativos e dinmicos. Estes sistemas sero

necessrios para as aplicaes do futuro, nomeadamente explorao remota no espao e no

mundo submerso e certamente necessitaro de um processo de desenvolvimento muito mais

cuidadoso.

Muita investigao tem sido feita volta dos sistemas de tempo real. No entanto, pouco se

tem avanado em termos destes sistemas como um todo. Os avanos existentes tm sido em

novas aplicaes, algoritmos de escalonamento dinmicos e principalmente em sistemas

distribudos de tempo real. Muitas das questes identificadas por Stankovic em (Stankovic,

1988), receberam muita ateno, mas ainda existem muitas questes (antigas e novas) que

1 Sobre este assunto Stankovic, em (Stankovic, 1992), cita: e ento h o homem que se afogou ao atravessar um ribeiro

com uma profundidade mdia de seis polegadas;


23

tm que ser resolvidas, (Shin e Ramanathan, 1994). A investigao sobre sistemas de tempo

real ainda bastante necessria, existindo, assim, muitos tpicos que necessitam de maior

ateno, (Wellings, 1991; Shin e Ramanathan, 1994):

Metodologias de desenvolvimento, incluindo as metodologias orientadas por

objectos, em que o factor tempo seja considerado desde o incio do processo;

Algoritmos de escalonamento que lidem com a complexidade dos novos sistemas,

as suas necessidade de recursos e requisitos temporais;

Especificao formal dos sistemas de tempo real;

Tcnicas de verificao e validao que tenham em conta as necessidades dos

sistemas de tempo real;

Arquitecturas de comunicao em tempo real;

O estudo das aplicaes de tempo real, seja a inteligncia artificial, as bases de

dados, os sistemas de controlo, etc.;

Tolerncia a falhas e o suporte a ela fornecido pelas linguagens e sistemas

operativos;

3.2.2.3 Classificao dos Sistemas de Tempo Real

Embora muitas vezes referidos como uma classe de sistemas, os sistemas de tempo real

diferenciam-se bastante uns dos outros e os pressupostos assumidos para uma determinada

classe, dificilmente se aplicam a outras. necessrio distinguir as diferenas entre cada

classe de sistemas e classificar cada um deles segundo vrias vertentes.

3.2.2.3.1 Criticalidade dos Requisitos Temporais

A classificao mais conhecida e referenciada em quase todos os documentos escritos sobre

estes sistemas , a da exigncia dos requisitos temporais que o sistema tem que cumprir.

Assim sendo, estes so basicamente divididos em sistemas crticos e sistemas no crticos.

Sistemas de tempo real crticos (Hard Real-Time Systems) so todos aqueles em que o no

cumprimento dos requisitos temporais pode resultar numa falha do sistema. Em

contrapartida, quando a falha de uma restrio temporal, embora no crtica, no seja

sinnimo de uma falha do sistema, os sistemas so denominados no crticos (Soft Real-

Time Systems).


24

A classificao dos sistemas de tempo real como um todo segundo a criticalidade a eles

associada, embora muito generalizada, no tem em conta a concorrncia inerente a qualquer

sistema fsico, onde evoluem vrios processos paralelos, necessrios ao seu funcionamento.

Portanto, para obter um modelo mais realstico do problema, necessrio que o sistema

evolua em concorrncia, para um mais fcil e mais claro desenvolvimento, (Gomaa, 1993).

Neste caso um sistema de tempo real tem que processar um conjunto de tarefas diferentes,

algumas crticas ao funcionamento do sistema, outras no crticas mas necessrias e outras

que nem tempo real so, (Bennet, 1994), como por exemplo a anlise posterior dos dados

recolhidos.

3.2.2.3.2 Classificao das Tarefas de um Sistema de Tempo Real

A diviso em sistemas crticos ou no crticos, deve ser aplicada, no ao sistema como um

todo, mas s tarefas que dele fazem parte. Uma tarefa crtica ser aquela em que o no

cumprimento da restrio temporal a ela associada implicar uma falha no sistema, enquanto

que uma tarefa no crtica caracterizada por uma restrio temporal que, se no cumprida,

no implica uma falha, (Panzieri e Davoli, 1993). Stankovic, (Stankovic, 1992), define

melhor uma tarefa no crtica como aquela em que o resultado da computao detm algum

valor, embora pequeno, aps o fim do prazo temporal.

Figura 3.8: Valor do resultado das tarefas aps o fim do prazo temporal.

A necessidade de melhor especificar as diferenas entre os requisitos temporais das tarefas

levou ao aparecimento de outras definies, que tentam colmatar as falhas da noo

anterior, muito geral. Shin, (Shin e Ramanathan, 1994), e Laplante, (Laplante, 1993),

dividem as tarefas de tempo real em tarefas crticas, no crticas ou firmes (Firm Real-Time

Tasks). Numa tarefa crtica o no cumprimento do respectivo prazo temporal implica uma

falha no sistema, no entanto numa tarefa firme o resultado obtido deixa de ser til, mas as

consequncias de no cumprir o prazo temporal no so severas. Se o valor do resultado


25

diminuir ao longo do tempo aps o fim do prazo, no implicando uma falha no sistema, as

tarefas so no crticas.

Na Figura 3.8 est representado o valor do resultado obtido da tarefa aps o fim do prazo

temporal. Numa tarefa crtica esse valor pode ser representado como negativo, pois origina

falha. Numa tarefa firme, por outro lado o valor, aps o prazo temporal, passa a ser zero.

Numa tarefa no crtica o valor vai decrescendo ao longo do tempo.

Em (Stankovic, 1992), Stankovic refere ainda que um valor ligado ao resultado de uma

tarefa, alm de se poder modificar com o tempo, pode ainda ser colocado na qualidade do

resultado, sendo que s vezes um resultado no exacto mas atempado pode ser considerado

melhor que um resultado exacto mas fora do tempo. Por exemplo, num sistema de controlo

mais vale dar uma ordem baseada nos dados do instante anterior, do que dar a ordem fora

de tempo. Para alm disso existem solues em que perder um determinado nmero de

prazos temporais pode no provocar uma falha, desde que no ultrapasse um certo limite.

As tarefas de um sistema de tempo real podem tambm ser classificadas quanto sua

natureza temporal. O mais comum dividir as tarefas em peridicas e no peridicas. As

tarefas peridicas so executadas com um perodo fixo, por exemplo a leitura de um sensor

de x em x segundos, enquanto que as tarefas no aperidicas so aquelas em que no se

conhece previamente o instante da sua execuo, por exemplo a resposta a uma interrupo.

Em (Panzieri e Davoli, 1993) e (Burns, 1991) esta ltima classificao dividida segundo a

criticalidade associada tarefa. Assim, uma tarefa no peridica e no crtica classificada

como aperidica, enquanto que se for crtica classificada como espordica.

Finalmente, uma tarefa pode ser classificada segundo o relaxamento (folga que existe entre

o prazo temporal e o tempo de computao) permitido, (Stankovic e Ramamritham, 1993).

Assim, podemos ter requisitos temporais apertados quando a janela temporal pequena, ou

quando o tempo necessrio computao grande. Em muitos sistemas predominam os

requisitos temporais apertados e consequentemente necessrio desenvolver tcnicas

simples e rpidas para responder a estas situaes, como por exemplo tempos de reaco

rpidos dos sistemas operativos de tempo real e algoritmos de escalonamento simples,

(Stankovic, 1992).

3.2.2.3.3 Grau de confiana do Sistema

Existe uma grande diferena entre um sistema que controla uma central nuclear, um sistema


26

que controla uma bolsa de valores e um sistema de base de dados de tempo real. Enquanto

que nos dois primeiros uma falha implica uma catstrofe, em termos de vidas humanas, ou

de graves problemas financeiros, no ltimo uma falha no acarreta consequncias desta

dimenso. Assim, existem sistemas em que necessrio uma grande confiana na sua

operao, o que leva necessidade de garantir tolerncia a falhas. As tarefas crticas destes

sistemas so geralmente analisadas previamente, sendo-lhes garantidos os recursos

necessrios ao seu correcto funcionamento, mesmo que isto implique um baixo factor de

utilizao dos mesmos, (Hull e Liu, 1993).

Os sistemas mais crticos exigem redundncia, seja espacial, com a introduo de

componentes adicionais tanto de hardware como de software, seja temporal, com a

repetio de certos processamentos, para garantir o correcto funcionamento em caso de

falha.

A questo dos mecanismos de tolerncia a falhas tem vindo a ganhar grande importncia

devido cada vez maior complexidade encontrada nos sistemas de tempo real e cada vez

maior aplicao destes nos sistemas crticos de segurana (safety-critical), onde as falhas

podem ser catastrficas.

3.2.2.3.4 Dimenso e Complexidade dos Sistemas

Os sistemas de tempo real variam consideravelmente em dimenso e complexidade,

(Stankovic e Ramamritham, 1993). Sistemas simples, muitas vezes produzidos em grande

quantidade, no necessitam dos cuidados de desenvolvimento necessrios aos sistemas

grandes e complexos. Por exemplo, num sistema pequeno fcil ter o software todo

carregado em memria, enquanto que num sistema grande isso pode no ser possvel (ou

ter custos demasiados elevados), mas os mecanismos de memria virtual no so aceitveis

devido sua grande imprevisibilidade, (Stankovic, 1992).

possvel, s vezes, um prvio conhecimento e anlise de sistemas pequenos, sendo,

portanto, razoavelmente fcil atingir o objectivo de previsibilidade. Para isso necessrio

conhecer e prever as caractersticas de cada tarefa, os seus requisitos de recursos e

computao, assim como as possveis mudanas de ambiente em que o sistema se insere. A

no ser para sistemas bastante simples e estticos pouco provvel que esta informao

esteja toda disponvel na fase de desenvolvimento, (Shin e Ramanathan, 1994).

Em sistemas mais complexos necessrio que o sistema seja flexvel para se adaptar s


27

mudanas no ambiente envolvente. As tarefas crticas podem requerer na mesma uma

anlise esttica prvia do sistema, de modo a garantir a sua execuo. Outras tarefas podem

apenas ter garantias probabilsticas, ou mesmo s durante a execuo. Para as tarefas

crticas, garante-se a probabilidade de uma tarefa cumprir o seu requisito temporal (ou

ento que uma percentagem das tarefas o cumpre), enquanto que nas ltimas apenas

aquando da activao da tarefa que o sistema determina ou no se possvel escalona-la

sem colocar em perigo as restantes, (Shin e Ramanathan, 1994). Se o for, a tarefa

escalonada junto com as outras e com 100% de garantia de execuo, se no, a tarefa

abortada.

3.2.2.3.5 Ambiente Envolvente

A maior parte dos sistemas de tempo real existem para controlar um sistema envolvente,

sendo necessrio conhecer este para se construir um bom sistema de controlo. A estrutura

da aplicao de controlo, a criticalidade das tarefas, o tamanho do sistema e a sua

complexidade dependem em grande parte do sistema envolvente. O ambiente em que o

sistema opera desempenha, assim, um papel importante no seu desenvolvimento.

Um ambiente bem definido regra geral tem acontecimentos determinsticos, controlados e

em que geralmente no acontece nenhum imprevisto (o que nem sempre verdade), dando

lugar a sistemas em que podem ser conhecidas previamente todas as caractersticas das

tarefas. Deste modo, possvel considerar esses sistemas como previsveis, (Stankovic e

Ramamritham, 1993).

No entanto, sistemas bem definidos so raros. Mesmo que o sejam durante o

desenvolvimento o ambiente modifica-se ao longo do tempo, implicando novas situaes,

para as quais o sistema no se encontra preparado. muito mais difcil atingir a

previsibilidade neste tipo de sistemas, (Stankovic e Ramamritham, 1993), e como tal so

muito mais complexos a desenvolver.

3.2.2.4 Tolerncia a Falhas

Cada vez mais os sistemas de computadores em geral e os de tempo real em particular, so

utilizados em situaes em que a sua falha implica perdas, tanto humanas como materiais.

Sendo assim, natural que a tolerncia a falhas nos sistemas de tempo real seja um factor

importante a ter em conta no seu desenvolvimento.

Tolerncia a falhas definida, informalmente, como a capacidade de um sistema apresentar


28

o servio esperado, mesmo na presena de falhas, (Shin e Ramanathan, 1994). Num sistema

de tempo real o servio tem que ser correcto, no s logicamente, como tambm

temporalmente. Existem basicamente dois tipos de falhas, recuperveis e no recuperveis.

As falhas recuperveis so aquelas em que possvel recuperar de uma situao de erro de

forma automtica, ou com a interveno de um operador. As no recuperveis so aquelas

em que no possvel recuperar de uma situao de erro, devendo neste caso serem

accionados, caso existam, os mecanismos auxiliares. Os sistemas de tempo real tm que ser

previsveis, mesmo na presena de falhas.

No entanto, a introduo de mecanismos de correco de falhas pode ter como

consequncia o incumprimento dos requisitos temporais. Os algoritmos de deteco e

correco de falhas introduzem overhead no funcionamento do sistema e portanto tm que

ser considerados durante o desenvolvimento.

Deste modo, necessrio introduzir o factor tolerncia a falhas durante o desenvolvimento

de sistemas de tempo real. O processo de desenvolvimento tem que garantir a

previsibilidade, mesmo durante possveis situaes de deteco de falhas, em que se realiza

o seu isolamento, a reconfigurao do sistema e a recuperao, (Shin e Ramanathan, 1994).

A escolha criteriosa de componentes atravs de um rigoroso controlo de qualidade destes,

obtendo uma taxa reduzida de falhas, aproximao usada no incio dos sistemas tolerantes a

falhas, tinha, no entanto, um custo penalizante, (Lala e Harper, 1994). necessrio,

portanto, considerar o factor econmico, tambm na tolerncia a falhas.

Existem dois tipos diferentes de sistemas tolerantes a falhas, dependendo da aco de

recuperao a tomar. Em sistemas em que seja possvel, a recuperao pode ser realizada

atravs da paragem deste num estado conhecido e seguro (fail-safe systems). Por exemplo a

paragem de todos os comboios numa determinada linha, devido a falha no sistema de

controlo. Existem, no entanto, sistemas (fail-operational systems) que obrigam a que o

controlo continue operacional pois a paragem implicaria perda de vidas humanas, ou de

bens materiais, por exemplo avies, (Kopetz, Zainlinger et al., 1991). Para estes ltimos

necessrio detectar as falhas, bem como proceder sua correco, de modo a manter o

sistema em funcionamento.

A maioria dos mtodos para sistemas tolerantes a falhas realiza uma troca de espao por

tempo. A aproximao mais usual para a correco de falhas a de introduzir redundncia

no sistema. Esta pode ser espacial, em que certos componentes so replicados, ou temporal,


29

em que computaes podem ser repetidas, (Shin e Ramanathan, 1994).

Para obter uma grande fiabilidade a redundncia utilizada obriga a algoritmos elaborados

de gesto de recuperao de falhas, introduzindo um overhead adicional no sistema, o que

pode ser prejudicial sua previsibilidade. Portanto, a redundncia e a previsibilidade

apresentam, muitas vezes, requisitos opostos. Assim, a redundncia tem que ser

considerada de modo a garantir previsibilidade e fiabilidade ao mesmo tempo.

claro que a probabilidade mxima admissvel de falha num sistema bastante dependente

do tipo de sistema. Sistemas crticos de segurana, em que falhas podem provocar a perda

de vidas humanas so os mais exigentes (por exemplo, 10-10 de probabilidade de falha para

o sistema de fly-by-wyre do Airbus A-320), estando os sistemas interactivos

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