Neste projeto foi usado o conceito de processamento distribuído de forma simples. O uso da rede Ethernet e o protocolo CoAP em UDP como meio de comunicação entre o computador Raspberry PI 3 e o controlador Arduíno Mega, permite alta velocidade e alta confiabilidade no tráfego dos dados na rede local, tornando viável esta solução de baixo custo.
Um Arduíno Mega efetua a interface com o processo (aquisição e controle) e o processamento de controle básico. O computador Raspberry PI 3 efetua o processamento de informações mais complexo, executando os procedimentos de inferência fuzzy, a comunicação com o nível do processo e com os níveis de supervisão e controle local e remoto. O nível remoto pode ser um computador na nuvem, o qual faz a intermediação entre os clientes remotos e o sistema. No nível de processo, foi montada uma arquitetura expansível para realizar os procedimentos de supervisão e controle da usina de geração fotovoltaica, da caixa e da bomba d’água, principalmente por questões de segurança, confiabilidade e capacidade de ampliação. Esta arquitetura permite a conexão de mais um Arduíno Mega destinado a receber pontos físicos, e a mais dois Controladores de Carga ao Concentrador, mantendo a mesma estrutura de comunicação com o Servidor Raspberry PI 3.
Nesta arquitetura foi usado um Arduíno Mega 2560 com placa Shield Ethernet na função de Concentrador, o qual efetua a comunicação em interface serial e protocolo MODBUS RTU com os dispositivos conectados diretamente ao processo. O Concentrador faz a conversão das informações do processo para o Protocolo CoAP-OSA-CBM em UDP em Rede Ethernet. Os três dispositivos do processo são mostrados nos itens a seguir:
4.6.1 Equipamento Unidade Terminal Remota (UTR)
A Unidade Terminal Remota (UTR) faz a interface com todos os pontos físicos do processo de entradas digitais, entradas analógicas e saídas digitais da Usina Solar e da Caixa d’Água. O software embarcado na UTR efetua a leitura e controle desses pontos, executa os procedimentos de proteção primária dos inversores e faz a conversão das informações para o formato usado pelo protocolo MODBUS RTU.
A UTR é montada com um Arduíno Mega 2560 sem a placa Shield Ethernet, o que facilita a ligação dos pinos dos conectores na placa base. Na placa base da UTR estão instalados os
elementos de proteção contra surtos, as réguas de bornes para conexão dos cabos e a fonte de alimentação de 24Vcc para 9Vcc.
A placa base da UTR é instalada em uma caixa elétrica para proteção mecânica. A carga de programa na placa Arduíno Mega 2560 da UTR é feita por interface serial USB conectada ao Computador Raspberry PI 3 instalado na usina solar.
4.6.2 Equipamentos Controladores de Carga (CC1 e CC2)
Os Equipamentos Controladores de Carga MPPT são fabricados pela EPEVER modelo Triron 3210N, sendo denominados:
• Controlador de Carga 1 (CC1) • Controlador de Carga 2 (CC2).
Cada controlador de carga recebe a energia de dois painéis fotovoltaicos de 72 células e 320Wp, efetuando a comunicação com o Concentrador Arduíno Mega 2560 através de interface serial assíncrona padrão elétrico RS485. As informações fornecidas referem-se à geração solar.
4.6.3 Equipamento Concentrador
O Equipamento Concentrador é composto pelos seguintes dispositivos:
1. Um controlador Arduíno Mega 2560 com uma placa do tipo piggy-back Shield Ethernet;
2. Uma placa com duas interfaces padrão elétrico RS485 para comunicação serial com os equipamentos controladores de carga;
3. Uma placa conversora de energia de 24Vcc para 9Vcc.
O Equipamento Concentrador tem por função principal intermediar a comunicação entre nível de rede e nível do processo. Assim, o concentrador efetua a comunicação com o nível de rede em interface Ethernet 10/100BaseT com protocolo CoAP-OSA-CBM, e efetua a comunicação com os equipamentos do nível de processo em interface serial assíncrona com protocolo MODBUS RTU. Os equipamentos do nível do processo são a Unidade Terminal Remota (UTR) e os dois Controladores de Carga Triron 3210. A carga de programa na placa Arduíno Mega 2560 do Concentrador é feita por interface serial USB conectada ao Computador Raspberry PI 3 instalado na usina solar.
Observação: Neste projeto de pesquisa não será feita análise do protocolo MODBUS RTU
nem da comunicação serial assíncrona. A razão disso é porque são serem temas já bem consolidados na área de automação, supervisão e controle.
4.6.4 Diagrama de Blocos do Nível de Processo
A Figura 4.8 mostra o Diagrama de Blocos do Nível de Processo da usina solar e da caixa e bomba d’água. No bloco mais à esquerda estão listados todos os equipamentos sob supervisão e controle. A UTR faz a supervisão e controle dos equipamentos através de circuitos condicionadores de sinal, os quais compatibilizam os sinais para o nível de tensão das entradas e saídas do Arduíno Mega.
Por fim, o concentrador efetua a comunicação com a UTR e com os controladores de carga através de interface serial assíncrona e protocolo MODBUS RTU. A conexão da interface serial do concentrador com a UTR é direta, pois ambos usam o padrão 0 a +5Vcc e os equipamentos estão bem próximos, o que viabiliza esse tipo de conexão. A conexão do concentrador com os controladores de carga é feita através de conversor para o padrão elétrico RS485.
4.6.5 Projeto e Montagem dos Condicionadores de Sinal e Conversores
Todos os condicionadores de sinal foram projetados e montados em placas protótipo levando-se em consideração a necessidade de confiabilidade e razoável precisão aliada ao baixo custo. Assim, todos os sinais de supervisão digitais e analógicos foram convertidos para tensão na faixa de 0 a +5 volts em corrente contínua. No caso dos sinais obtidos em tensão alternada, esta foi retificada, filtrada e convertida para o padrão 0 a +5 Volts.
A Unidade Terminal Remota (UTR), baseada no controlador Arduíno Mega 2560, possui dezesseis entradas analógicas com resolução de dez bits para medição. Estas entradas fornecem valores brutos lidos pelo software, na faixa de 0 a 1023 contagens, referentes às tensões de 0 e +5 Volts respectivamente. No controlador Arduíno Mega 2560 estão disponíveis também, cinquenta e quatro pinos de entradas ou saídas digitais, que são configurados pelo software de acordo com sua função (entrada ou saída).