Artigos

XXVI Brazilian Congress on Biomedical Engineering pp 17-23 | Cite as

A Parallel Implementation of the Discrete Wavelet Transform Applied to Real-Time EEG Signal Filtering

Diogo R. R. Freitas

Ana V. M. Inocêncio

Lucas T. Lins

Gilson J. Alves

Marco A. Benedetti

Abstract

A Brain-Computer Interface (BCI) is a direct communication pathway between the human brain and an external device or machine. Those systems can be controlled by invasive or non-invasive brain signals. Examples of non-invasive systems are Electroencephalography-based (EEG) BCIs for Motor Imagery (MI) detection. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) could be used in online BCIs for parallel computation purposes. In this work, an FPGA-based BCI was developed in order to decompose a raw EEG signal into its different types of rhythms such as beta (β), alpha (α), theta (θ), and delta (δ), by using filter banks based on the Daubechies-4 Discrete Wavelet Transform (DWT). The designed system generates all coefficients in real-time and uses both serial and video communication interfaces for visualization and analysis purposes. The input signals, used for testing, came from an open source database. For validation purposes, an off-line signal processing confirmed the accuracy of results. The outcome showed that the use of multi-rate filters resulted in low hardware resources consumption.

Keywords

Biomedical signal processing Discrete Wavelet Transform (DWT) Parallel computation

XXVI Brazilian Congress on Biomedical Engineering pp 25-33 | Cite as

A Real-Time Embedded System Design for ERD/ERS Measurement on EEG-Based Brain-Computer Interfaces

Diogo R. R. Freitas

Ana V. M. Inocêncio

Lucas T. Lins

Emmanuel A. B. Santos

Marco A. Benedetti

Abstract

Electroencephalography (EEG) is a noninvasive technique that acquires signals from the scalp triggered by brain electrical activities. Through this technique, it is possible to develop real-time Brain-Computer Interfaces (BCIs) that are able to control cyber-mechanical devices. In addition, the Discrete Wavelet Transform (DWT) is a signal processing tool that decomposes an EEG input signal vector into its sub-bands beta, alpha, theta, and delta. In this work, by using an algorithm based on the DWT and filter banks, the alpha sub-band could be extracted from a raw EEG signal, thus enabling the calculation of its power. By utilizing this methodology, it was possible to measure the Event-Related Desynchronization (ERD) and Event-Related Synchronization (ERS), in order to develop a synchronous EEG-based BCI for hand Motor Imagery (MI) detection. A device synthesized in FPGA was developed to calculate the power spectrum of the EEG alpha rhythms from C3 and C4 channels in real-time, aiming the feeding of a classifier circuit block that labels the MI as a left-hand or right-hand class of movement. The novelty of this work mainly consists of the development of an IP core for real-time parallel calculation of ERD. The main motivation of this work is providing a control tool for robotic arms or virtual reality devices by using real-time MI recognition.

Keywords

Brain-Computer Interface (BCI) Electroencephalography (EEG) Biomedical signal processing Parallel architecture

Sistema para Monitoração de Batimentos Fetais para Aplicação em Hospitais Públicos

Ana Vitória M. Inocêncio¹ orcid.org/0000-0002-1411-7547

Marco A. B. Rodrigues² orcid.org/0000-0002-5143-3696

Diogo R. R. Freitas ¹ orcid.org/0000-0002-5023-699X

¹ Escola Politécnica de Pernambuco, Universidade de Pernambuco, Recife, Brasil,

² Universidade Federal de Pernambuco, Pernambuco, Brasil,

E-mail do autor principal: Ana Vitória Inocêncio anavitoriam @gmail.com

RESUMO

A medicina atual é caracterizada pela busca de métodos de exploração menos invasivos, mais eficientes e que não incomodem tanto o paciente em caso de acompanhamento por períodos longos de tempo. Para superar o risco desnecessário no período de gravidez é importante monitorar a condição cardíaca fetal regularmente, também para identificar possíveis anormalidades. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um protótipo para aquisição de sinais de eletrocardiograma fetal (fECG) seguro e que se comunique com outros dispositivos. O protótipo tem como finalidade a monitorização dos sinais de fECG em pacientes grávidas a partir da vigésima semana de gravidez. Foi desenvolvido um sistema com três canais analógicos de aquisição com filtragem e amplificação. Dois canais foram posicionados sob o abdômen da grávida, alinhados com o umbigo, e o último canal foi adquirido direto do tórax. A conversão analógico-digital foi feita através da placa USB6009 e o processamento do sinal foi feito através do software Matlab. O sistema foi testado em quatro mulheres grávidas voluntárias do Hospital das Clínicas da UFPE, e o algoritmo desenvolvido foi verificado com o auxílio de um médico especialista que marcou os pontos com o auxílio do data cursor do Matlab. A diferença entre a frequência média dos batimentos fetais medida pelo sistema proposto e a contagem manual realizada pelo médico especialista foi 0,94 bpm, que representa um erro de 0,7%.

PALAVRAS-CHAVE: Dispositivo Portátil, ECG fetal, Processamento de sinais

ABSTRACT

Modern Medicine is characterized by the search for less invasive methods, more efficient and which offers comfort for long time attendance. To overcome unnecessary risk during the period of pregnancy, it is important to monitor fetal heart condition regularly, also to identify possible abnormalities. This paper proposes a safe acquisition device for fetal electrocardiography (fECG) with a communication channel. The device purpose is monitoring fECG in pregnant patients after the twentieth week. A system was developed with three analog channels for data signal acquisition, filters, and amplification. Two of the canals were positioned over the abdomen of the pregnant woman, aligned with the belly button, and the last channel was acquired directly from the thorax. The analog-digital conversion was made using the USB6009 board and the signal processing with the Matlab software. The system was tested in four volunteer pregnant women from Hospital das Clínicas of the UFPE and the algorithm was verified by a specialist physician through the Matlab data cursor.The difference between the mean frequency of fetal heart rate measured by the proposed system and the manual counting performed by the specialist physician was 0,94 bpm, which represents an error of 0,7%.

KEY-WORDS: Portable Device, fetal ECG, Signal Processing

1 INTRODUÇÃO

A captura de sinais bioelétricos pode ser realizada de forma invasiva e não invasiva. Embora os métodos invasivos normalmente permitam a aquisição do sinal com menos interferências, é sempre preferível utilizar-se de métodos de aquisição não invasivos que proporcionem as mesmas conclusões/diagnósticos dos métodos invasivos [1, 2].

O período de gravidez é de vital importância no diagnóstico e prevenção de problemas do feto que podem surgir por adversidades. As mulheres nesta condição devem ser monitoradas regularmente a partir do segundo trimestre da gravidez, estágio em que os batimentos fetais começam a ser mais facilmente percebidos [3].

As mudanças na frequência cardíaca fetal estão associadas com o risco de complicações na gravidez que o feto está correndo, sendo um dos fatores que determina o momento em que o médico deve intervir. A importância da determinação dos batimentos fetais durante o trabalho de parto é justificada em função da possibilidade feto entrar em sofrimento por um déficit de oxigênio. Neste caso, é recomendado a ausculta dos batimentos fetais a cada meia hora para identificar e assim diminuir as chances de o feto ter complicações [4].

Em geral, hospitais públicos, dentre eles os hospitais universitários, carecem de profissionais de saúde para monitorar a demanda de algumas dezenas de mulheres grávidas em trabalho de parto [5]. Um sistema automatizado que possibilite a medição dos batimentos fetais oferece uma opção para auxiliar os profissionais de saúde nesse monitoramento.

Um método utilizado para avaliar a situação do feto é a cardiotocografia (CTG), que consiste em um exame que monitora a frequência dos batimentos fetais e as contrações uterinas durante um dado intervalo de tempo, em geral de 10 a 20 minutos.Existem quatro métodos para realizar medições CTG: a magnetocardiografia (MCG) e a fonocardiografia (PCG), utilizando o efeito Doppler através do ultrassom e o eletrocardiograma (ECG).

A magnetocardiografia tem sua limitação no tamanho e custo do equipamento [6]. A amplitude do sinal adquirido através da fonocardiografia é cerca de dez vezes menor do que a amplitude materna e não tem uma boa relação sinal-ruído [3,7]. A técnica que utiliza o efeito Doppler é mais confiável e largamente aceita para interpretar as mudanças na frequência das ondas sonoras refletidas pela pulsação nos vasos fetais, contudo, dependendo da posição do feto, aparecem muitas limitações na aquisição dos dados durante várias horas [8]. Além disto, não é indicado o uso por um tempo prolongado.

O sinal de Eletrocardiograma (ECG) é resultante do sinal elétrico da atividade muscular do miocárdio. A Figura 1 ilustra o traçado clássico do sinal de ECG, composto pela onda P, o complexo QRS e pela onda T. O fECG (Eletrocardiograma fetal) é captado por meio de eletrodos, situados normalmente no abdômen da paciente [9, 10]. O ECG possibilita o monitoramento do QRS fetal (fQRS). Infelizmente, os sinais ECG fetal adquiridos de forma não invasiva geralmente são corrompidos por muitas fontes de ruído interferentes, mais significativamente pelo eletrocardiograma materno (MECG), cuja amplitude é geralmente maior do que a do ECG fetal [11].

Monitorar o fECG permite obter informações importantes sobre a condição do feto durante a gravidez. Através de eletrodos dispostos sobre a barriga da mãe, é possível medir de maneira não invasiva, os sinais elétricos gerados pelo coração do feto. Contudo, neste método de aquisição, o sinal cardíaco fetal tem uma amplitude cerca de dez vezes menor do que o sinal materno e com mais artefatos, como a componente DC resultante da interface pele-eletrodo, o ruído dos eletrodos, entre outros[3].

Figura 1: Traçado clássico do ECG.

Fonte: [12].

Diante dos fatos apresentados, esta pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento de um sistema que realize a aquisição do sinal abdominal e a monitoração dos batimentos fetais.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

O desenvolvimento do protótipo teve duas etapas. A primeira etapa consistiu no desenvolvimento de um circuito analógico para aquisição e tratamento analógico do sinal. A segunda etapa consistiu no processamento digital do sinal.

O protótipo desenvolvido possui três canais de ECG. Os eletrodos foram dispostos conforme a Figura 2, sendo posicionados sobre o abdômen e tórax da gestante através de eletrodos descartáveis, visando a aquisição dos sinais correspondentes aos dois hemisférios e ao tórax materno. Os eletrodos de GND foram fixados nas costas da voluntária.

Figura 2:Disposição dos eletrodos.

Fonte: Acervo do autor.

A coleta foi realizada em quatro voluntárias do Hospital das Clínicas da UFPE, segundo o posicionamento dos eletrodos conforme a Figura 2. Foram realizadas 3 coletas por voluntária durante um período maior do que 10 segundos.

Para o estágio inicial de amplificação, foi utilizado o amplificador de instrumentação INA129. O amplificador de instrumentação é um arranjo de amplificadores operacionais e tem como principal finalidade à amplificação do sinal diferencial. O INA129 é muito aplicado na aquisição de biossinais a partir de eletrodos externos não-invasivos. Os amplificadores de instrumentação têm como benefício sua alta rejeição a sinais de modo comum em comparação com amplificadores de uso geral, se tornando ideais para sinais com baixa relação sinal-ruído, como o ECG abdominal. A Figura 3 mostra a topologia clássica do amplificador de instrumentação. A partir da mudança do valor do resistor R_g é possível modificar o ganho do sinal de saída. Neste trabalho, foi utilizado Rg=100Ω (ganho aproximado de 500X) [13].

Figura 3: Topologia clássica do amplificador de instrumentação.

Fonte: Acervo do autor.

Após a amplificação inicial do sinal, é necessário retirar algumas frequências indesejadas do sinal para otimizar a conversão analógico-digital (AD). Um filtro é um circuito capaz de permitir a passagem de determinadas frequências e bloquear as demais, atuando como um tipo de seletor de frequência [14].

Para o trabalho apresentado, foi construído um filtro do tipo passa-banda resultante da concatenação de dois filtros, um passa-alta e outro passa-baixa. O filtro que permite apenas a passagem das altas frequências é passivo de primeira ordem e sua frequência de corte foi projetada para 1Hz, visando a eliminação do offset do sinal e centralização no eixo horizontal.

O principal objetivo deste circuito é eliminar o efeito causado na interface pele-eletrodo, e atenuar as componentes resultantes da movimentação do paciente, inclusive da respiração. Optou-se por projetar um filtro passa-baixa passivo seguido de um amplificador com realimentação negativa para compensar a atenuação do sinal devido aos dois filtros passivos em cascata. A frequência de corte do filtro passa-baixa (PB) foi projetada para aproximadamente 450Hz por conta do espectro de frequências que compõe o sinal de ECG [3]. O valor da frequência de corte foi escolhido pelo fato da frequência de amostragem ser de 1000Hz e pelo teorema da amostragem de Nyquist–Shannon[15]. Após a filtragem, o sinal foi amplificado pelo fato dele ter sido atenuado pelos filtros passivos. A Figura 4 ilustra os filtros projetados e o amplificador não-inversor.

Após a filtragem do sinal, foi projetado um somador não inversor utilizando um amplificador operacional. Este circuito teve como objetivo adicionar um offset de 2,5V no sinal para condensá-lo entre +1V e 4V.

Figura 4: Filtros projetados.

Fonte: Acervo do autor.

A conversão AD foi realizada com o auxílio da placa USB6009 da NationalInstruments. Este sistema oferece funções básicas de aquisição de dados para uma aplicação simples, além de ser considerado um produto de baixo custo pelo fabricante [16].A placa se comunica com o computador por USB, através do software Signal Express (versão 15.0.0). A resolução da entrada analógica é de 14 bits no modo diferencial, contudo o sinal de entrada podendo estar no intervalo de -10V a 10V, com acurácia de 7.73 mV [17]. O diagrama de blocos da Figura 5 mostra o fluxo do sistema.

Figura 5:Diagrama de blocos do sistema

Fonte: Acervo do autor.

Os dados gravados no software Signal Express da National Instruments foram exportados para serem processados no software Matlab^® (versão R2015a). Assim, foi realizada a leitura dos dados contendo os pontos referentes ao canal trabalhado e ao tempo decorrido. As operações de processamento digital dependem diretamente de algumas propriedades dos sinais, onde foram definidos alguns parâmetros, tais como a frequência de amostragem e o comprimento do sinal. Em seguida, foram aplicadas técnicas de processamento com a finalidade de eliminar o batimento cardíaco materno e calcular a frequência cardíaca fetal. O fluxograma completo do processamento de sinais pode ser visto na Figura 6. É válido salientar que este protótipo visou a aquisição do sinal e a elaboração do seu processamento para futuramente embarcar em apenas um dispositivo portátil.

Figura 6:Etapas do processamento dos sinais

Fonte: Acervo do autor.

A aplicação da transformada de Fourier de tempo curto está intrinsecamente ligada ao teorema da amostragem. Para a implementação da transformada de Fourier, o sinal precisou ser dividido em janelas com o número de pontos igual à frequência de amostragem (Fs), para que a função no software Matlab^® possa calcular a transformada de zero à Fs/2[15].

Logo após o janelamento, foi aplicada a transformada rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform) nas janelas. Foi criada uma máscara de frequências para retirar apenas as componentes de frequência indesejadas do sinal. Desta maneira, a matriz da máscara de frequências criada eliminou as seguintes componentes:

• 0Hz – 10Hz (Filtro Passa-Alta): esta faixa de frequência corresponde à componente DC do sinal, às pequenas flutuações resultantes da respiração e à onda T do ECG Materno;

• 59Hz – 61Hz (Filtro NOT): correspondente ao ruído de 60Hz resultante da rede elétrica brasileira;

• 150Hz – 500Hz (Filtro Passa-Baixa): para retirar as altas frequências e os harmônicos de 180Hz, 240Hz e 300Hz. Estes harmônicos são resultado da frequência da rede elétrica e da iluminação (60Hz) [18].

Após a realização desta operação, as frequências indesejadas foram eliminadas e a transformada inversa de Fourier foi aplicada ao sinal.

Para a identificação do batimento materno, foi utilizada a ferramenta estatística chamada variância. Como o batimento materno apresenta uma amplitude maior do que o batimento fetal, a variância calculada entre os dois sinais, necessariamente, apresentará um pico durante o complexo QRS materno (Figura 1). Após encontrados os picos referentes aos batimentos cardíacos maternos, foi definida uma linha de base na região, visando sua eliminação.

Para o algoritmo de detecção de picos, primeiramente, são separadas as regiões do gráfico que contém amplitudes correspondentes a 60% do valor máximo do vetor. Após isto, o algoritmo entra em um comando de repetição que detectará os picos locais dentre os valores que foram separados. Feito isto, o programa guarda em uma matriz os valores dos picos locais e sua posição no tempo.

Após a detecção dos picos correspondentes aos batimentos fetais, é feito o cálculo da frequência cardíaca fetal média (fcfm) e do desvio padrão (σ). Desta forma, foi realizado a eliminação dos sinais de ECG com os batimentos abaixo (<fcfm-σ) ou acima (>fcfm+σ) dos limites definidos.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A coleta de dados foi realizada segundo o projeto aprovado no comitê de Ética da Universidade Federal de Pernambuco, projeto da plataforma Brasil com número CAAE 61990316.4.0000.5208. Foram feitas coletas em 4 pacientes. A Figura 7 ilustra o período de 3 segundos de uma das amostras coletadas.

Figura 7: Sinal adquirido sem processamento. Os círculos vermelhos indicam o batimento fetal.

Fonte: Acervo do autor.

A análise do espectro de frequência do sinal adquirido pode ser vista na Figura 8. Nesta análise pode-se observar que o ruído de 60Hz e seus harmônicos estão presentes no sinal e com uma amplitude consideravelmente alta, principalmente o terceiro harmônico, situado em 180Hz. A máscara utilizada no processo de filtragem foi capaz de retirar do sinal a tensão de offset e as pequenas ondulações, além das frequências com mais de 150Hz e também os harmônicos de 60Hz. A Figura 9 ilustra a máscara de filtragem utilizada e a Figura 10 mostra o sinal antes e após a aplicação da mesma.

Figura 8: Espectro de frequência do sinal.

Fonte: Acervo do autor.

Figura 9: Máscara de frequências utilizada na etapa de filtragem.

Fonte: Acervo do autor.

Figura 10: Sinal no domínio do tempo, antes e depois da realização da filtragem do sinal.

Fonte: Acervo do autor.

A Figura 11 exibe o sinal normalizado após a filtragem e o cálculo da variância do sinal. Neste sinal pode-se identificar que o pico da variância está correlacionado com o complexo QRS do batimento materno. Os batimentos fetais apresentam uma variância pequena em relação à do complexo QRS.

Figura 11: Sinal após a filtragem (a) e o cálculo da variância deste sinal (b).

Fonte: Acervo do autor.

Como exemplo, para a aplicação dos filtros, utilizou-se um sinal com 17 segundos de gravação. As frequências calculadas a partir do algoritmo são apresentadas na Figura 12, na qual pode-se identificar que algumas frequências são artefatos. Desta maneira, o cálculo do desvio padrão se faz necessário para identificar esses valores e retira-los do registro, deixando apenas os valores que compõem as frequências do batimento cardíaco do feto. Assim, adotou-se como ponto de corte os valores maiores do que a média somada ao desvio padrão e menores do que a média subtraída o desvio padrão, para que sejam eliminados do sinal original.

Figura 12: Frequências dos batimentos fetais calculadas.

Fonte: Acervo do autor.

Os dados calculados a partir da amostra foram iguais a:

• Desvio padrão das frequências: ±34, 4187 bpm;

• Média das frequências: 119, 0476 bpm;

• Limite superior = Média + Desvio Padrão = 153, 4663 bpm;

• Limite inferior = Média – Desvio Padrão = 84, 6289 bpm [19].

Os valores fora da faixa aceitável são considerados artefatos de frequência, causados por detecção de pontos falsos ou pela exclusão de alguns pontos tendo em vista que os batimentos fetais e maternos podem coincidir e que neste caso ambos serão eliminados.

Neste exemplo, após a aplicação do algoritmo que elimina os pontos fora destes limites, ficaram 18 valores de frequências dentre as calculadas inicialmente. Em seguida foram calculados os valores da nova média e do desvio padrão:

• Desvio padrão das frequências: ±3,28 bpm;

• Média das frequências: 119,52 bpm.

Estes novos valores podem confirmar que os artefatos foram eliminados, pois o desvio padrão mostra que os valores das frequências variam pouco em relação à média. Os valores após a eliminação dos artefatos estão na Figura 13.

Figura 13: Frequências (bpm) após a eliminação dos artefatos.

Fonte: Acervo do autor.

Com o objetivo de confirmar os dados, foi realizado a localização dos picos dos batimentos fetais por um médico especialista. Desta maneira, este segundo método foi considerado o padrão ouro em relação à detecção dos batimentos do feto [20, 21]. Para calcular manualmente a frequência, foi utilizada a ferramenta de gráfico data cursor do Matlab. Deste modo, com os comandos de zoom e o data cursor, foram determinados manualmente os instantes em que o pico do batimento fetal acontecia. Os valores das frequências foram calculados posteriormente e estão expostos na Figura 14. O valor médio inicial das frequências foi de 118,57 bpm com um desvio padrão de ±4,51 bpm. O mesmo processo indicado para retirada automática dos pontos fora dos limites, superior e inferior, foi realizado com estes dados. O resultado demonstrou que o desvio padrão foi reduzido para ±2,39bpm e manteve-se a média em 118,57bpm.

Figura 14: Valores das frequências (bpm) obtidas manualmente com o auxílio do Matlab.

Fonte: Acervo do autor.

O quadro 1 relaciona os dois métodos aplicados neste trabalho para as quatro voluntárias. Comparando os resultados encontrados, a diferença entre os valores de frequência média dos batimentos fetais em relação ao padrão ouro foi de 0,94bpm, que representa um erro de 0,7%.

Quadro 1: Comparação entre o método manual e o automático para as quatro amostras.

Método Manual com auxilio no cálculo das frequências

Algoritmo Desenvolvido neste trabalho

Voluntária

Valor Médio (bpm)

Desvio Padrão (bpm)

Valor Médio (bpm)

Desvio Padrão (bpm)

1

118,58

±2,39

119,52

±3,28

2

125,39

±1,88

126,58

±6,31

3

157,08

±2,48

155,04

±1,09

4

138,96

±3,09

137,64

±4,87

Fonte: Acervo do autor.

Após todos os testes de aquisição e análise do sinal dos resultados do protótipo, passou-se para a parte de desenvolvimento de um equipamento, onde já foi desenvolvida uma placa baseada no chip MKL05Z32VFM4. A Figura 15 mostra a visualização em 3 dimensões da placa fabricada.

Figura 15: Visualização 3D da placa projetada.

Fonte: Acervo do autor.

4 CONCLUSÃO

Como principal contribuição deste trabalho, tem-se o desenvolvimento de um algoritmo para detecção dos batimentos para implementação de um produto portátil e o desenvolvimento de um sistema de aquisição analógica para o sinal do batimento fetal.

Em geral, os centros obstétricos contam com poucos médicos para a monitoração de algumas dezenas de mulheres grávidas em trabalho de parto, sendo inviável a verificação dos batimentos fetais de todos os indivíduos segundo o protocolo indicado, que é a cada meia hora. Além disto, é estabelecida uma ordem de prioridade, pois as pacientes que estiverem com maior dilatação são priorizadas por estarem mais perto da hora do parto, dificultando mais ainda a verificação dos batimentos fetais de todas as pacientes, devido à falta de equipamentos.

Como resultado, foi realizada a comparação da frequência obtida com o método desenvolvido com a frequência calculada através da contagem manual de cada voluntária, utilizando as ferramentas de gráfico do Matlab, apresentado uma diferença entre os dois resultados menor do que 5%.

Um trabalho futuro possível seria a implementação do algoritmo em um sistema embarcado já com o algoritmo de processamento implementado. Um FPGA seria ideal, pois pode executar o processamento em paralelo, possibilitando a aquisição e o processamento simultâneos.

REFERÊNCIAS

[1] DEVANE, D. et al. Cardiotocography versus intermittent auscultation of fetal heart on admission to labour ward for assessment of fetal wellbeing (Review). Cochrane Database of Systematic Reviews. John Wiley & Sons, Ltd, 2018. DOI: 10.1002/14651858.CD005122.pub5.

[2] SCHRAMM, K. et al. Acceptance of a new non-invasive fetal monitoring system and attitude for telemedicine approaches in obstetrics: a case–control study. Archives of Gynecology and Obstetrics,v. 298, n. 6, p. 1085-1093, Dec. 2018. DOI: https://doi.org/10.1007/s00404-018-4918-y.

[3] SAMENI, R.; CLIFFORD, G. A Review of Fetal ECG Signal Processing; Issues and Promising Directions. Open Pacing Electrophysiol Ther J., v. 1, n. 3, p. 4–20, Jan.2010.

[4] FREEMAN, R. et al. Fetal Heart Rate Monitoring. 4. ed.Philadelphia: LWW, 2012.

[5] MAIA, M. B. Instituição, organização e profissão na assistência ao parto, em Humanização do parto: política pública, comportamento organizacional e ethos professional. Editora FIOCRUZ, 2010. DOI: https://doi.org/10.7476/9788575413289.

[6] ZHANG, S. et al. Signal Integrity Evaluation for Fetal Magnetocardiography. In:IEEE-EMBS INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOMEDICAL AND HEALTH INFORMATICS, 7-5 Jan. 2012, Hong Kong. Proceeding [...] Hong Kong: IEEE, 2012. p. 253–256, v. 25.

[7] CHEN, J. et al. Fetal Heart Signal Monitoring with Confidence Factor. IEEE International Conference on Multimedia and Expo. Proceeding [...] IEEE, jul. 2006.

[8] JEZEWSKI, J. et al. A novel technique for fetal heart rate estimation from Doppler ultrasound signal. BioMedical Engineering OnLine, v. 10, n. 1, p. 92, 2011.

[9]ANDREOTTI, F. et al. Maternal signal estimation by Kalman Filtering and Template Adaptation for fetal heart rate extraction. In: MURRAY, A. (ed.) COMPUTING IN CARDIOLOGY 2013. Zaragoza, Spain: (CinC),2013. v. 40, p. 193–196.

[10] ZHANG, N. et al. A Novel Technique for Fetal ECG Extraction Using Single-Channel Abdominal Recording. Sensors,v. 17, n. 3, p. 457,2017. DOI: https://doi.org/10.3390/s17030457.

[11] ANDREOTTI, F. Extraction and Detection of Fetal Electrocardiograms from Abdominal Recordings.Technische Universität Dresden, 2017.

[12] PEDDANENI, H. A Comparison of Algorithms for Fetal ECG Extraction. 2004. 58 f. Thesis (Master of science) - Graduate School Of TheUniversity Of Florida, Florida, 2014.

[13] TEXAS INSTRUMENTS. INA12x Precision, Low-Power Instrumentation Amplifiers. SBOS051D, Datasheet, 2018. p. 29.

[14] PERTENCE JUNIOR, A. Eletrônica Analógica: Amplificadores operacionais e filtros ativos. 8 ed. Porto Alegre: Bookman, 2014.

[15] ROBERTS, M. J. Fundamentos em Sinais e Sistemas. São Paulo, 2009.

[16] INSTRUMENTS, N. USB 6009. Disponível em:http://www.ni.com/pt-br/support/model. usb-6009.html. Acesso em: 23 outubro 2018.

[17] INSTRUMENTS, N. NI USB-6009 - Device Specifications, 2015.

[18] RODRIGUES, M. A. B. Desenvolvimento de um instrumento virtual para aquisição e análise de sinais bioelétricos. Universidade Federal de Santa Catarina, 1997.

[19] MEYER, P. L. Probabilidade: Aplicações à Estatística. 2. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos & Científicos, 1983.

[20] ALBOLIRAS, E. T. History and Pysical Examination, em Visual Guide to Neonatal Cardiology. John Wiley & Sons, 2018.

[21] PETERSON-BROWN, S.; JOHNSTON, T. A. Fetal Monitoring During Labour, em Dewhurst's Textbook of Obstetrics & Gynaecology. John Wiley & Sons, 2018.

Construção de Controlador Lógico Programável de Baixo Custo para Fins Didáticos

Construction of Low-Cost Programmable Logic Controller for Educational Purposes

Yuri Barros de Miranda Neves¹ orcid.org/0000-0002-8722-3498

Diogo Roberto Raposo de Freitas¹ orcid.org/0000-0002-5023-699X

¹Escola Politécnica de Pernambuco, Universidade de Pernambuco, Recife, Brasil.

E-mail do autor principal: Yuri Barros de Miranda Neves yuribmneves@gmail.com

RESUMO

Montar laboratórios de automação industrial com aparatos de práticas com controladores lógicos programáveis comerciaissão custosos para Universidades Públicas de Ensino. A proposta deste trabalho é criar um controlador lógico programável de baixo custo para aplicações didáticas. Foi feito o circuito eletrônico e utilizado softwares de uso livre Ladder Maker e Arduino. O circuito eletrônico foi planejado com componentes de baixo valor de compra no mercado. A confiabilidade dos componentes eletrônicos utilizados não foi de análise criteriosa para que o custo de fabricação não elevasse. Foi realizada uma comparação do custo total do projeto do CLP de baixo custo com o custo de aquisição de CLPs à venda no mercado e foi possível comprovar que o custo fica em torno de 15% comparado aos equipamentos de empresas tradicionais. A vantagem do valor de confecção deste CLP se sobressai mesmo com menor confiabilidade, visto que a ideia é para fins didáticos.

PALAVRAS-CHAVE: Controlador lógico programável; Ensino de Engenharias; Aplicações Didáticas.

ABSTRACT

Assemblin gindustrial automation laboratories with practical apparatus with commercial Programmable Logical Controllers (PLC)is costly for Brazilian public universities. The proposal of this paper is to create a programmable logic controller for didactic applications. It was made the electronic circuit and used free-software Ladder Maker and Arduino. The electronic circuit was designed with low-cost components in the market. The reliability of the electronic components used was not of careful analysis so that the cost of manufacture did not rise. A cost comparison was made between the proposed PLC project and purchasing PLCs sold in the market and it was possible to show that the cost is around 15%. The advantage of the manufacturing value of this PLC stands out even with less reliability since the idea is for didactic purposes.

KEY-WORDS: Programmable Logic Controller; Engineering Education; Didactic Applications.

1 INTRODUÇÃO

Controladores lógicos programáveis (CLPs) estão presentes no controle de processos industriais há décadas [1]. Indústrias que querem automatizar sua produção utilizam os controladores lógicos programáveis para comandar os atuadores do processo. Os CLPs foram os grandes responsáveis pela revolução da indústria 3.0 [1]. Dessa forma, para os alunos de cursos de formação técnica que contemplem área de atuação em indústrias, por exemplo, Engenharia de Automação e Controle, precisam estar familiarizados com estes equipamentos já que atuarão com estes em seus futuros locais de trabalho.

Entretanto, a situação das universidades públicas com cortes de verbas acaba dificultando as melhorias de laboratórios [2]. Em específico, laboratórios de automação industrial, o aproveitamento do aprendizado por cada aluno seria maior se houvessem CLPs suficientes para todos. Com quantidades destes equipamentos insuficientes para a turma de alunos há maior esforço por parte dos docentes e discentes para que haja um aproveitamento do aprendizado sobre os controladores lógicos programáveis. Somente a teoria não é suficiente para a formação neste assunto.

Dois outros trabalhos em português foram encontrados na plataforma Periódicos da Capes, após pesquisa usando as palavras-chave “CLP” e “educacional”. O trabalho de Castilho et al. [3] aborda o desenvolvimento de uma plataforma de produção automatizada, e usa um CLP comercial em parte do sistema. Um kit educacional para controle de nível foi produzido por Pereira et al. [4], que também utiliza um CLP comercial. Portanto, percebe-se na literatura a necessidade de construção de um CLP de baixo custo para aplicações educacionais.

Diante deste cenário, propõe-se uma medida para mitigar a falta de CLPs em laboratórios de Universidades: o desenvolvimento de um CLP de baixo custo. Inspirada na onda do “faça você mesmo” (DIY – Do It Yourself), a ideia é montar um CLP de baixo custo de modo que os alunos possam comprar os materiais e fabricar os seus próprios CLPs para as aulas ou ainda fazer com que o orçamento da instituição consiga adquirir CLPs pelo baixo custo de cada unidade comparado aos vendidos no mercado. Espera-se que com esta medida as aulas que precisem de CLPs para parte prática fiquem mais proveitosas para os alunos. De forma que o aluno poderá até praticar em sua casa, já que ele terá o seu próprio CLP.

Este artigo está organizado em cinco seções. A Seção 2 descreve o dimensionamento dos circuitos que compõem o CLP proposto e o software utilizado para programação na linguagem Ladder. Na Seção 3 são apresentadas a placa de circuito impresso do CLP proposto e a interface do Ladder Maker para escrita da programação pelo usuário. A análise de custos entre o protótipo e três CLPs comerciais é feita na Seção 4. A Seção 5 apresenta as conclusões.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Para a construção de um controlador lógico programável, pode-se dividir o processo em duas vertentes: uma é a construção do hardware que engloba toda a estrutura física do equipamento, e a outra é a elaboração do software que corresponde ao sistema de programação que vai manipular o equipamento acionando e desligando suas entradas e saídas. Os detalhes de cada elaboração do software e hardware são apresentados a seguir.

2.1 Hardware

Analisando os CLPs mais utilizados na indústria e conferindo seus respectivos catálogos dos fabricantes, nota-se que eles possuem a seguinte configuração mínima: circuitos de entradas e saídas digitais (discretas) e analógicas, processador digital (CPU), memórias de programa (ROM) e de dados (RAM), canal de comunicação com um PC e fonte de alimentação elétrica [5]. Baseado nessa configuração mínima dos CLPs de mercado, foi planejada a configuração do hardware do CLP de baixo custo. Ele conterá:

- Tensão de operação em 24V_CC;

- 4 entradas de 24V_CC;

- 4 saídas por contato seco;

- 2 entradas de 4 a 20mA;

- 2 saídas de 4 a 20mA.

Estas duas entradas e duas saídas de 4 a 20mA foram concebidas devido ao padrão industrial de sensores e atuadores que trabalham nesta faixa de operação de corrente [6]. Para a integração destas entradas e saídas se faz necessário haver um controlador, que recebe as informações da programação do software de controle e atua na leitura ou escrita das portas de entrada e saída. Como a ideia é baratear o produto, foi escolhida uma plataforma de hardware que fosse open hardware e open software de forma que não haja custos com pagamento de licenças de uso. A plataforma escolhida foi o Arduino©, pela sua disponibilidade no mercado local e fácil utilização, pois se baseia no sistema plugand play, mas especificamente o ArduinoNano© que é uma das placas da plataforma [7].

Alimentação do CLP

A escolha da alimentação de 24 V_CC foi feita por ser um padrão industrial comum para sistemas de controle de extra baixa tensão [8]. Dessa forma, este CLP poderia ser incluído em algum teste de controle de processo industrial. Contudo, internamente há uma redução desta tensão para uma tensão de operação de 12 V_CC e de 9 V_CC. A tensão de 12 V_CC é utilizada para a operação das entradas e saídas de 4 a 20 mA. A tensão de 9 V_CC é utilizada para alimentar a unidade de controle central e alimentar o circuito de saída a contato seco utilizando relés eletromecânicos.

A redução desta tensão de 24 V_CC para 12 V_CC e 9 V_CC é realizada a partir de dois circuitos integrados (CI) reguladores de tensão, o CI 7812 e 7809. Estes CIs convertem a tensão de entrada em uma tensão de saída reduzida e regulada [9]. O problema destes CIs é o baixo rendimento, pois a diferença de tensão de entrada com a tensão de saída gera uma queda de potencial elétrico que é transformado em calor no circuito integrado, fazendo com que eles esquentem por seu próprio funcionamento. Poderia ter-se escolhido outra forma de reduzir a tensão de 24 V_CC para 12 V_CC e 9 V_CC, mas devido ao baixo custo de aquisição destes CIs eles foram as melhores opções de projeto. O circuito de entrada da alimentação pode ser visto na Figura 1.

Figura 1: Circuito de alimentação do CLP.

Fonte: O autor.

Entradas de tensão 24 V_CC

O circuito de leitura de entrada de 24 V_CC é apresentado na Figura 2.

Figura 2: Circuito de leitura de tensão 24 V_CC.

Fonte: O autor.

O circuito é baseado na ideia da percepção de corrente elétrica por parte do controlador quando houver 24 V_CC conectado à entrada do CLP. Há várias maneiras de montagem de um circuito eletrônico para este objetivo. Contudo, foi escolhida a utilização de um optoacoplador para esta interface. A escolha se deu de forma a garantir maior segurança ao circuito eletrônico do CLP, visto que o optoacoplador não possui contato elétrico entre seus circuitos de entrada e saída, de forma que há uma isolação óptica entre seus terminais.

Nos terminais de entrada do optoacoplador coloca-se um resistor para limitar a corrente oriunda da entrada 24 V_CC. Há diversos optoacopladores no mercado, pelo menor custo e fácil aquisição foi escolhida a utilização do EL817 que atende aos requisitos do projeto e possui queda de tensão de funcionamento no LED interno de 1,2 V_CC[10]. Com entrada de 24 V_CC, corrente de entrada do optoacoplador de 20 mA e queda de tensão no LED interno ao optoacoplador de 1,2 V_CC o cálculo do resistor () a ser utilizado se dá pela Equação (1):

(1)

Para valores de tensão maiores e menores de 24 V_CC o circuito também irá funcionar, pois haverá uma passagem de corrente entre os terminais de entrada do optoacoplador. O EL817 possui uma corrente máxima de operação para o LED interno de 60 mA, desta forma, na Equação (2) temos o valor máximo de tensão () que pode-se colocar na entrada do CLP para que não haja queima do optoacoplador:

(2)

Para valores de entrada que não forneçam corrente suficiente para acionar o LED interno do optoacoplador, o controlador principal não irá detectar que há alguma tensão na entrada. Isto ocorrerá para uma corrente de entrada de 5mA [8]. Pela Equação (3) encontramos o valor relativo da tensão em que o controlador não detectará leitura na entrada do CLP.

(3)

Nos terminais do fototransistor do EL817 temos conectado ao coletor uma tensão de 5 V_CC oriunda do controlador e um resistor de pull-down ligado ao referencial do sistema. Por padrão, foi utilizado um resistor de pull-down de 1 kΩ.

Ainda no terminal do emissor do fototransistor está ligado a uma entrada digital do circuito do microcontrolador do CLP. Assim que o fototransistor saturar, ou seja, o LED interno do optoacoplador estiver acionado, haverá uma passagem de corrente entre o coletor e emissor do fototransistor que por sequência também haverá uma corrente atravessando os terminais do resistor de pull-down, criando uma diferença de potencial em cima do resistor. Esta diferença de potencial será detectada pelo controlador, devido que uma das entradas do controlador está conectada ao resistor de pull-down. Com isto, o microcontrolador do CLP detecta se há ou não tensão na entrada do sistema pela leitura de nível lógico de tensão no resistor de pull-down do circuito de interface da entrada.

Saídas a contato seco

O circuito de saída à contato seco é apresentado na Figura 3.

Figura 03: Circuito de saída de contato à relé.

Fonte: O autor.

O princípio do circuito é o chaveamento da corrente que atravessa a bobina dos relés pela corrente oriunda do controlador principal para o LED do optoacoplador. Se o optoacoplador for acionado então o relé também é acionado, comutando seus contatos normalmente fechado (NF) e normalmente aberto(NA). Pelo motivo do circuito de leitura das entradas do CLP já utilizarem o optoacoplador EL817 então foi escolhido o mesmo para compor o circuito de acionamento das saídas.

Para fazer esta interface de chaveamento de controle utiliza-se de um transistor bipolar de junção NPN com terminal de base ligado ao terminal emissor do optoacoplador chaveado pela unidade central de controle. O uso deste transistor se fazer necessário, pois os optoacopladores não possuem uma grande capacidade de condução de corrente [10]. Há uma gama de transistores que podem ser utilizados nesta aplicação. A família de transistores BCXXX consegue suprir esta necessidade. Desta forma, o transistor escolhido foi o BC337 pelo preço e facilidade de encontrar no comércio local [11]. O diodo colocado entre os terminais da bobina do relé é para a proteção do circuito quando ocorre a rápida comutação de corrente que atravessa a bobina originando uma tensão muito alta [12].

Para a fonte de alimentação deste circuito de saída foi utilizada a saída do CI 7809 que corresponde à 9 V_CC. A escolha foi baseada no uso de menor potência para o CLP.

Como uma corrente de 5mA é suficiente para saturar o transistor (vide Fig. 3) [11] e o valor fornecido pelo microcontrolador é de 5 V_CC, então o valor mínimo do resistor é dado pela Equação (4):

(4)

Consultando os manuais de fabricante de relés, percebe-se que correntes de 30 mA são suficientes para acioná-los [12]. Assim o valor deste resistor é mostrado na Equação (5).

(5)

Também há um resistor ligado ao terminal anodo do LED do optoacoplador. Este resistor limita a corrente fornecida pelo controlador central, impedindo que o LED do optoacoplador entre em falha. O controlador fornece uma tensão de 5 V_CC e o LED do optoacoplador opera com corrente de 20 mA, pela Equação (6) vemos o valor para este resistor.

(6)

Este circuito possui formato de saída padrão de CLPs comerciais, usando contatos de um relé eletromecânico que podem ser usados em circuitos de corrente alternada. Desta forma, é possível controlar o acionamento de vários circuitos e equipamentos de maior potência como: circuitos de comando de motores elétricos, sessões de iluminação, máquinas industriais, autoclaves, dentre outros.

Entradas analógicas de corrente de4 mA a 20 mA

Como é um padrão industrial para sensores e atuadores [8], foram incluídas entradas e saídas de corrente de 4mA a 20 mA. O circuito básico está esquematizado na Figura 4, e possui como elemento central o CI LM324.

Figura 4: Circuito de entrada de 4mA a 20 mA.

Fonte: O autor.

O princípio deste circuito da Figura 4 é o conceito de que uma corrente atravessando uma resistência elétrica gera uma diferença de potencial elétrico. Diante disto, pode-se saber a respectiva tensão elétrica gerada pela corrente de 4mA a 20 mA nos terminais de entrada do CLP.

Um circuito com um resistor entre os terminais de entrada do CLP seria suficiente para captar a leitura de tensão nos terminais de entrada. Entretanto, o circuito de leitura do controlador lógico principal acaba que por interferindo na aferição da diferença de potencial, pois a corrente, que antes só atravessaria o resistor, também passaria a atravessar o controlador central por meio de seu circuito de leitura interno, algo que não é desejado visto que a leitura da tensão entre os terminais do resistor seria divergente da real corrente fornecida na entrada.

Desta forma, precisa-se colocar uma interface de isolação entre os terminais de entrada que recebem a corrente elétrica de 4mA a 20 mA para os terminais de leitura internos do controlador central. Um circuito que consegue suprir esta necessidade é um amplificador operacional na configuração amplificador diferencial de ganho unitário, replicando na saída a diferença de potencial elétrico nos terminais de entrada [13].

A configuração dos resistores , , e na Fig. 4 conectados aos terminais positivo e negativo do amplificador operacional formam um circuito de ganho unitário. Desta forma, a diferença de potencial elétrico no resistor será replicada no terminal de saída do amplificador operacional. A isolação deste tipo de circuito é dada pela elevada impedância entre os terminais de entrada do amplificador operacional [13].

Este circuito possui um detalhe técnico sobre o sentido de corrente na entrada do CLP. A tensão nos terminais do amplificador operacional deve estar de uma forma que o maior potencial esteja no terminal da entrada não-inversora do amplificador operacional e o menor potencial no terminal da entrada inversora, para que a tensão de saída seja positiva. Há a necessidade de que a tensão de saída do amplificador operacional seja positiva em relação ao referencial do circuito, pois o controlador central possui a especificação de leitura de tensões de 0 a 5 V_CC. Uma tensão negativa, oriunda da inversão do sentido da corrente acabaria por fornecer uma leitura errônea ao controlador central, já que o amplificador operacional saturaria em 0[11]. Analisando a Fig. 4, nota-se que o sentido da corrente elétrica colocada na entrada do CLP precisa seguir o fluxo do Terminal 2 para o Terminal 1.

O resistor conectado aos terminais de entrada de 4 mA a 20 mA do CLP tem valor calculado na Equação (7), visto que a corrente especificada máxima fica em 20 mA e a tensão máxima de leitura é de 5V_CC:

(7)

Os resistores do circuito de ganho unitário do amplificador operacional foram escolhidos para que haja a menor dissipação de potência com uma alta impedância. Para formar o ganho unitário basta que todos os quatro resistores sejam de mesmo valor. Há uma pequena diferença entre os valores dos resistores devido à faixa de tolerância, entretanto alta confiabilidade não é o foco do CLP de modo que este um problema da faixa de tolerância é aceitável ao projeto. O valor escolhido foi de 10 kΩ.

Como o controlador central só permite leituras de 0 a 5 V_CC em seus terminais, foi colocado um diodo zener de 5 V_CC na saída do amplificador operacional para evitar que ocorra algum dano do circuito interno de leitura por algum eventual aumento da corrente de entrada do CLP.

O amplificador operacional escolhido foi o CI LM324 [14]. Este CI possui quatro amplificadores operacionais internos e não necessita de alimentação simétrica de forma que se encaixa na especificação da necessidade do circuito de leitura de entrada de 4mA a 20 mA. Do CI foram utilizados dois amplificadores operacionais para a entrada e dois foram utilizados para a saída de analógica, conforme será apresentado a seguir. Como a alimentação do CI é a mesma, a alimentação dos amplificadores operacionais é de 12 V_CC.

Saídas analógicas de corrente de 4mA a 20 mA

Assim como as entradas de leitura de corrente de 4mA a 20 mA permitem que o CLP se comunique com sensores industriais, estas saídas permitem o controle de atuadores industriais. A Figura 5 mostra o circuito para as saídas analógicas.

Figura 5: Circuito de saída de corrente.

Fonte: próprio autor.

Neste circuito, utiliza-se o conceito de seguidor de tensão utilizando amplificadores operacionais junto com um transistor de bipolar de junção. A tensão de saída () de um amplificador operacional é dada pela Equação (8), onde simboliza o ganho.

(8)

Como os ganhos dos amplificadores operacionais são extremamente elevados [13], vê-se pela Equação (11) a tensão de entrada no terminal positivo é a mesma da entrada no terminal negativo.

(9)

(10)

(11)

Diante desta particularidade, usa-se o artifício de colocar um resistor ligado à entrada do terminal negativo que também está ligado em realimentação negativa para que haja uma corrente constante fluindo pelo resistor . Esta corrente será dada seguindo a Lei de Ohm e será calculada para resultar em uma corrente de 4mA a 20mA de acordo com a entrada do terminal positivo do amplificador operacional pela Equação 12.

(12)

Diante destas informações, percebe-se que uma carga colocada nos terminais de saída analógica do CLP não vai modificar a corrente que flui do coletor ao emissor do transistor,pois o amplificador operacional estabiliza a corrente no resistor pela tensão do terminal positivo mantendo uma corrente constante.

Para fazer o controle da tensão colocada sobre o terminal não-inversor do amplificador operacional, o controlador central usa uma modulação de pulsos (PWM – Pulse WidthModulation), visto que a diferença de potencial fornecida pelo controlador assume dois estados 0 ou 5V_CC. Um circuito RC é utilizado para converter os pulsos oriundos do controlador central para um nível de tensão mais estável em uma faixa de valores de 0 a 5V_CC. Pelas Equações (13) a (18), percebe-se que as tensões de entrada do amplificador operacional precisam variar entre os valores 0,6V e 3V, para que a corrente de saída tenha valores de 4mA a 20mA.

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

O cálculo do circuito RC para essa faixa de valores é visto na Equação (19), analisando a impedância do capacitor.

(19)

(20)

Para 3V máximo na entrada não inversora temos:

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

A frequência de 490Hz é a frequência no terminal digital 9 do controlador central [15]. Porém, calcular um filtro para uma frequência muito próxima á frequência que se deseja atenuar faz com que o filtro não seja tão eficaz [15], assim foi escolhida a frequência de 300Hz. Tem-se:

(26)

(27)

Desta forma, a partir de uma modulação PWM do controlador central consegue-se controlar a corrente de saída do CLP.

Controlador Central

O controlador central é a “inteligência” do CLP. É similar como o CPU de um computador. É por meio do controlador central que é possível programar o CLP proposto.

Para o controlador central do CLP de baixo custo foi utilizado o microcontrolador ATMEGA328P, mais especificamente o microcontrolador na placa da plataforma open hardware Arduino Nano© [7]. A escolha do uso da plataforma foi pela sua disponibilidade de integração a projetos de controladores e pelo seu baixo custo no mercado comparado a outras plataformas, além de sua interatividade com o software de programação LadderMaker [17].

2.2 Software

Existe uma norma internacional chamada IEC 61131-3 que normatiza as linguagens de programação para os CLPs [16]. Como o intuito é a construção de um CLP mesmo que de baixo custo devemos seguir esta norma para que a assimilação do conteúdo por parte do aluno não seja deficitária em relação ao que o mercado de trabalho solicita.

A elaboração de um software de programação para um CLP envolve uma gama de dificuldades que não tem valor agregador ao projeto, visto que este aprendizado ficaria apenas para o programador do software. Além de que há um custo de pagamento de horas de programação a um programador para que o software fosse elaborado. Para diminuir o custo e facilitar a utilização do CLP por quaisquer aluno, foi-se buscado na internet o software chamado LadderMaker [17].

O LadderMaker é um software de uso livre (open software). Não necessitando pagamento de licenças de uso. O software permite que o usuário programe o CI ATMEGA328P da placa Arduino Nano por meio da linguagem de programação Ladder [18, 19]. Dessa forma, o CLP desenvolvido está em conformidade com a IEC 61131-3 no que se refere à linguagem de programação Ladder.

3 IMPLEMENTANDO O CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

A Figura 6 apresenta o circuito total do CLP desenhado no CAD Isis Proteus^©. A definição dos pinos de entrada e saída do controlador central foi baseada pela especificação de escolha do software LadderMaker,pois o software vem com uma pré-configuração de funcionamento com os pinos de entrada e saída do Arduino Nano^©,conforme Figura 7.

Figura 7: Pinos dedicados ao controlador pelo LadderMaker.

Fonte: [15].

3.1 Diagrama esquemático para placa de circuito impresso

Utilizando o software de desenho auxiliado por computador ISIS PROTHEUS© foi feito o desenho da placa de circuito impresso para o controlador lógico programável de baixo custo. O desenho do circuito impresso foi realizado para permitir que os alunos pudessem ter a possibilidade de fabricar o seu próprio CLP de baixo custo.

A Figura 8 apresenta o desenho da placa de circuito impresso. Para a conexão do CLP com o mundo externo, seja por entrada ou por saídas foram utilizados, no desenho, bornes de conexão colocados em um mesmo lado da placa à ser confeccionada de modo que haja facilidade na conexão do cabeamento no CLP já que todos os bornes estão em um mesmo lado.

Figura 8: Desenho da placa de circuito impresso. Fonte: próprio autor.

3.2 Manipulação do software LadderMaker

O programa LadderMaker é distribuído gratuitamente na internet sob a licença GPL 3.0 [18]. Não é necessário fazer sua instalação. Contudo, até a data de elaboração deste documento, o software só estava disponível para sistemas operacionais Linux e Windows 7. NaFigura 9 é mostrada a tela inicial do LadderMaker para a versão do sistema operacional Windows 7.

Figura 9: Tela inicial do LadderMake.

Fonte: O autor.

O programa permite utilizar as funções da linguagem de programação Ladder para programar as placas da plataforma Arduino(Uno, Nano e Mega). É possível utilizar as funções de contato aberto, contato fechado, contador, timer, operações aritméticas e lógicas, sinal em rampa,entrada e saída analógica, como também saída em pulso de onda modulada, tornando o uso do software bastante eficaz para uso didático. A Figura 10 apresenta algumas funções de entradas e saídas no LadderMaker.

Figura 10: Exemplo de funções implementadas no software LadderMaker.

Fonte: O autor.

A simplicidade da interface de usuário do LadderMaker o torna uma boa escolha para compor a solução de um CLP de baixo custo para fins didáticos, onde o intuito é acelerar a curva de aprendizado dos estudantes.

4 COMPARATIVO DE CUSTOS

Na Tabela 1 encontra-se o quantitativo e o custo total dos materiais do projeto de construção do CLP didático proposto. Custando um valor médio menor do que R$100,00 é possível montar um CLP para acompanhar as aulas práticas teóricas de disciplinas de estudos de automações industriais.

Tabela 1:Quantitativo de itens para confecção do CLP.

Fonte: O autor.

Para efeito de comparação, a Tabela 2exibe o valor de alguns modelos de CLP compactos de marcas atuantes no mercado [5], que são de porte comparado ao CLP didático. Percebe-se que há uma vantagem inicial financeira devido ao baixo custo do CLP aqui proposto. Salientando que o custo do projeto citado inclui somente os materiais para confecção, não incluindo custo de mão de obra e encargos financeiros.

Tabela 2: Preços de compra de CLPs de modelo básico.

Fonte: O autor.

Ressalva-se que os custos foram listados para a construção de um protótipo funcional, que permite ao aluno realizar as práticas da aula de CLP. Na Figura 11, tem-se a foto do circuito montado em protoboard. A imagem apresenta o protótipo montado com uma placa Arduino Uno, por indisponibilidade de um Arduino Nano no momento da fotografia. Porém, esse fato não interfere na concepção do projeto, pois o Uno possui maior quantidade de terminais de entrada e saídas que apenas não foram utilizadas.

Figura 11: Circuito protótipo montado em protoboard. Fonte: O autor.

5 CONCLUSÕES

Nota-se uma diferença em entre o custo de confecção do CLP proposto neste trabalho eos preços de venda dos controladores mais básicos oferecidos pelas principais empresas de mercado.

As configurações de número de entradas e saídas e tipos de entrada e saída do CLP de baixo custo são similares aos equipamentos de mercado. Desta forma, as principais práticas de laboratório CLP poderão ser realizadas. A experiência dos alunos será mais interativa, pois os próprios alunos podem confeccionar seus CLPs, possibilitando que eles entendam mais profundamente as características de hardware, e consigam realizar diagnósticos sobre o equipamento e projetem novos componentes, habilidades que não são desenvolvidas quando existem CLPs prontos nos laboratórios. E a instituição de ensino também poderá adquirir mais CLPs permitindo práticas individuais e de melhor qualidade, aliadas com a teoria.

No tocante aos materiais utilizados, são materiais de fácil disponibilidade para compra no mercado local e sem necessidade de licença de uso de fabricantes. O software também segue essa linha de não necessidade de licença, o que facilita a obtenção e uso do mesmo pelos alunos. Assim, pode-se afirmar que o objetivo de confeccionar um CLP para laboratórios de práticas de automação industrial de baixo custo foi alcançado.

Nota-se, porém, que este CLP de baixo custo dificilmente será uma solução definitiva para o mercado. Em processos industriais, a confiabilidade dos equipamentos deve ser alta e um CLP deve acompanhar este mesmo critério, tanto por seus componentes quanto por sua confecção.

Os próximos passos serão dedicados a tornar a solução mais completa, montando a placa em um gabinete apropriado e colocando adesivos de identificação das entradas e saídas e um canal de comunicação via rede RS-485, tornando um produto mais profissional para as exigências do mercado educacional.

REFERÊNCIAS

[1] SILVA, R. R. da. HISTÓRIA DO CLP. In: SILVA, R. R. da. Blog Automação Industrial, 21 nov. 2012. Disponível em: https://goo.gl/msdGvd. Acesso em: 10 out. 2018.

[2] OLIVEIRA, C. Universidades Federais fecham laboratórios de cursos. In: PRAGMATISMO POLÍTICO, 31 ago. 2017. Disponível em: https://goo.gl/yLhxni. Acesso em: 10 out. 2018.

[3] CASTILHO, R. A. et al. Apresentação de métodos para implementação de plataformas colaborativas de Sistemas Automatizados de Produção. Revista Gestão da Produção, Operações e Sistemas, Bauru, Ano 7, n. 2, p. 81-95, 2012. DOI: https://doi.org/10.15675/gepros.v0i2.561. Disponível em: https://revista.feb.unesp.br/index.php/gepros/article/view/561.

[4] PEREIRA, J. P. P.; VALENTIM, R. A. M.; CASTRO, B. P. S. Kit Educacional para Controle e Supervisão Aplicado a Nível. Holos, Ano 25, v. 2, p.68-72, 2009.

[5] GOOGLE SHOPPING. CLPs básicos. Disponível em: https://goo.gl/seMDy3. Acesso em: 11 out. 2018.

[6] FREITAS, C. M. Controladores Lógico Programáveis – CLP - Parte 3. In: EMBARCADOS. 11 fev. 2014. Disponível em: https://goo.gl/KXnD3r. Acesso em: 11 out. 2018.

[7] GUIA ARDUINO NANO. In: ARDUINO. Disponível em: https://goo.gl/Kz9STc. Acesso em: 11 out. 2018.

[8] CASSIOLATO, C. Redes Industriais. In: SMAR TECHNOLOGY COMPANY, c2019. Disponível em: https://goo.gl/PnQJcv. Acesso em: 11 out. 2018.

[9] KEC. Datasheet CI 7805. Coréia. Revisão 1. 2010. 20p.

[10] EVERLIGHT. EL817. Disponível em: https://goo.gl/oGZLWK. Acesso em: 11 out. 2018.

[11] ONSEMI. Datasheet BC337. Colorado, EUA. Revisão 8. Nov. 2013. 5p.

[12] BRAGA, N. C. Como funcionam os relés. Instituto NCB. Disponível em: https://goo.gl/qdUANz. Acesso em: 18 out. 2018.

[13] SACCO, F. Buffers e Seguidores de tensão. Disponível em: https://goo.gl/a4eaVv. Acesso em: 18 out. 2018.

[14] TEXAS INSTRUMENTS. Datasheet LM324. Texas, EUA, 2015.

[15] FRITZEN, C. Criando uma saída analógica de 0 a 5V com arduino. Disponível em: https://goo.gl/Bu6aTw. Acesso em: 18 out. 2018.

[16] HEINZ, J.; TIEGELKAMP, M. IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems. Alemanha: Springer-Verlag, 2001. 240p.

[17] LADDERMAKER. Laboratório de Garagem. Disponível em: https://goo.gl/LeMsX8. Acesso em: 18 out. 2018.

[18] PETRUZELLA, F. D. Fundamentos do desenvolvimento de diagramas e programas em lógica ladder para o CLP, em Controladores Lógico Programáveis, 4. ed. Mc Graw Hill Education, 2014.

[19] BOLTON, B. Programmable Logic Controllers, 4. ed. Newnes, 2006. (Capítulo 4 - Ladder and functional block programming)

Automação Aplicada no Sistema de Transmissão Mecânica Automotiva

Automation Applied in the Automotive Mechanical Transmission System

Luiz Thiago do Sacramento Bezerra¹ https://orcid.org/0000-0002-5288-2127

Diogo Roberto Raposo de Freitas² https://orcid.org/0000-0002-5023-699X

¹ Pós-graduação em Gestão da Produção e Automação Industrial, Faculdade de Tecnologia SENAI Pernambuco, Recife, Brasil.

² Escola Politécnica de Pernambuco, Universidade de Pernambuco, Recife, Brasil.

E-mail do autor principal: Luiz Thiago Bezerra thiagosacramento_pe@hotmail.com

RESUMO

Entre 2012 e 2016, a comercialização de veículos equipados com tecnologias capazes de dispensar a utilização da embreagem e das trocas de marchas manuais por parte dos motoristas, incluindo as transmissões automatizadas, cresceu 13,5%. Essa tendência de crescimento está relacionada com um aumento do conforto e segurança na condução do automóvel, proporcionada pela automação aplicada nos diferentes sistemas de transmissões, além de aperfeiçoar o desempenho de seus componentes. Este artigo foca na aplicação da automação em um sistema de transmissão mecânica utilizada nos automóveis de passeio. Na metodologia utilizada, optou-se pelo método bibliográfico, para obtenção de conceitos e definições apropriados ao objeto de pesquisa. Neste estudo, deu-se um enfoque especial aos modelos de transmissões automatizadas denominadas pela montadora de ASG (Automated Sequential Gearbox) gerenciadas de forma eletro-hidráulica ou eletromecânica, ambas conhecidas como tecnologia I-Motion (Intelligent Motion). Os benefícios gerados pela automação no processo de troca de marchas destes veículos são: maior nível de segurança e conforto, reduzindo a fadiga do condutor; precisão e otimização dos componentes; redução de até 5% no consumo de combustível e emissões de poluentes, especialmente CO₂.

PALAVRAS-CHAVE: Automação automotiva; Transmissão Automotiva; Segurança; Ergonomia.

ABSTRACT

Between 2012 and 2016, vehicles equipped with technologies capable of exempting the use of clutch and manual gear shifts by motorists, including automated transmissions, grew by 13.5%. This trend of growth is related to an increase in comfort and safety in the driving of the automobile, provided by the automation applied in the different transmission systems in addition to optimizing the performance of its components. This article refers to the understanding of the application of automation in a mechanical transmission system used in passenger cars. In the methodology used, we opted for the bibliographic method, to obtain concepts and definitions appropriate to the research object. In this study, a special focus was given to automated transmission models named Automated Sequential Gearbox (ASG), which are managed in an electro-hydraulic or electromechanical manner, both of which are also known as I-Motion (Intelligent Motion) technology.The benefits generated by the automation in the process of shifting gears of these vehicles are a greater level of safety and comfort, reducing the fatigue of the driver; precision and optimization of components; reduction of up to 5% in fuel consumption and emissions of pollutants, especially CO₂.

KEY-WORDS: AutomotiveAutomation; Automotive Transmission; Safety; Ergonomics.

1 INTRODUÇÃO

Este artigo tem como objetivo a disseminação de conhecimento sobre os conceitos e benefícios gerados pela automação no processo de troca de marchas, aplicados no sistema de transmissão mecânica automotiva, detalhando as características de funcionamento do sistema I-Motion.

O estudo realizado visa esclarecer as características da automação em um sistema de transmissão mecânica automotiva, através de pesquisas bibliográficas, análise de dados e resultados. Optou-se em dividir o trabalho em três partes, sendo a primeira detalhando a importância e os conceitos da automação além das características de um sistema de transmissão com trocas manuais. A segunda parte do estudo aborda a tecnologia I-Motion que é aplicada nas transmissões automatizadas de alguns modelos de veículos da marca Volkswagen, buscando expor os benefícios deste sistema. A terceira parte tem como objetivo analisar os dados bibliográficos sobre dois tipos de transmissões automatizadas: eletro-hidráulico e eletromecânica, detalhando seus princípios de funcionamento e características. O capítulo final apresenta quais foram os resultados alcançados através das pesquisas bibliográficas trazendo a conclusão sobre os estudos realizados.

2 AUTOMAÇÃO E O SISTEMA DE TRANSMISSÃO MECÂNICA

Os princípios da automação na indústria automobilística sejam em processos ou em produtos, atinge fortemente o seguimento automobilístico oferecendo excelentes resultados em virtude das inovações tecnológicas. Dentre os diversos exemplos de sucesso, estão as transmissões automatizadas que podem operar de forma sequencial ou totalmente automática.

A automação pode ser definida como a tecnologia por meio da qual um processo ou procedimento é alcançado sem a assistência humana. É realizado utilizando um programa de instruções combinado a um sistema de controle que executa as instruções [5].

Segundo Bosch, A transmissão de um automóvel tem a função de fornecer as forças de tração e impulsão necessárias para induzir o movimento [1]. O sistema de transmissão mecânica é formado basicamente pelos seguintes componentes: carcaça da transmissão, carcaça da embreagem, engrenagens, sincronizadores, eixos, semieixos, rolamentos, juntas articuladas, eixos articulados, mecanismo de troca de marchas com alavanca de mudanças, diferencial e por uma embreagem.

Figura 1:Componentes de uma transmissão mecânica.

Fonte: Fonseca (2008).

Os autores Silveira e Santos trazem sua contribuição sobre o conceito de automação: “A automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso das informações recebidas do meio sobre o qual atuam” [9].

A aplicação da transmissão automatizada baseia-se em uma unidade de controle que gerencia o sistema eletro-hidráulico ou elétrico-mecânico (dependendo do modelo) no qual permite que o motorista mude de marcha sem utilizar o pedal de embreagem, de forma sequencial ou totalmente automática sem precisar comandar a alavanca de mudanças.

Entretanto Silveira e Santos afirmam que:

[...] com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da ação e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja, aquele que mantém uma relação expressa entre o valor da saída e o da entrada de referência do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores de saída que estejam fora dos valores desejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando o cálculo para ajuste e correção” [9].

Sensor pode ser definido como sendo um dispositivo sensível a um fenômeno físico, como temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam u sinal, que por ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle.

Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle (maneira pela qual o controlador produz o sinal de controle). Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto.

Num sistema automatizado, para que se possa calcula e implementar um controlador dedicado, é preciso modelar matematicamente todo o processo através de sua planta [9].

Figura 2: Diagrama de blocos de um sistema de automação.

Fonte: Silveira e Santos (1998).

3 TRANSMISSÃO AUTOMATIZADA

A transmissão automatizada usa tecnologia de ponta e é um sistema idêntico ao de um automóvel que possui transmissão com trocas manuais, a transmissão de força do motor é feita por intermédio de uma embreagem para acoplar ou desacoplar a transmissão de força do motor para as rodas. Porém a transmissão automatizada tem por característica realizar o acionamento da embreagem e o engate das marchas por meio de atuadores eletro-hidráulicos ou eletromecânicos comandados por uma unidade de controle da transmissão.

Este modelo de transmissão é muito confundido com o câmbio automático, porém existem diversas diferenças entre elas. A transmissão automatizada possui todos os componentes básicos de uma transmissão manual e é controlada por um sistema eletrônico responsável pelas operações de troca de marchas, já a transmissão automática não possui uma embreagem para transmitir o torque entre o motor e a transmissão, o componente responsável por esta função é o conversor de torque.

3.1 Transmissão Automatizada Eletro hidráulica

Este modelo de transmissão é gerenciado por uma unidade de controle que gerencia uma lógica complexa de funcionamento e permite a utilização da transmissão em dois modos de condução: modo “manual”, na qual o motorista comanda a troca de marchas através da alavanca localizada sobre o túnel ou através de duas borboletas no volante e no modo “automático”, onde o sistema eletrônico controla automaticamente as trocas de marchas. Para este sistema o pedal da embreagem foi eliminado e a tradicional alavanca do câmbio das transmissões mecânicas foi substituída por uma alavanca específica tipo “Joystick”.

Os componentes da transmissão ASG são divididos em três partes que são fundamentais para o perfeito funcionamento do sistema, conforme representado nas Figuras 3 a 7.

Conjunto mecânico: Uma transmissão mecânica sincronizada de cinco velocidades, com embreagem monodisco a seco, que são controladas por um servomecanismo hidráulico. Conjunto hidráulico: Bomba hidráulica, acumulador, êmbolos e válvulas, estes atuadores tem por função realizar automatização da transmissão. Conjunto elétrico: alavanca seletora, unidade de controle da transmissão, sensores e atuadores, interface com outras unidades de controle, basicamente tem a missão de gerenciar todo o conjunto hidráulico e fazer a interface com os outros sistemas do veículo e com o condutor [11].

3.1.1 GRUPO ELETRO-HIDRÁULICO

O grupo eletro-hidráulico é a parte encarregada, em nível prático e operacional, da seleção e engate da marcha desejada, a estrutura do sistema é formada por: um conjunto hidráulico para pressurização do circuito, um mecanismo de seleção de marcha para o comando do eixo seletor, um cilindro para o comando da embreagem, sensores e atuadores para o controle do sistema por meio de uma unidade de controle eletrônica [11].

Figura 3: Visão geral do grupo eletro-hidráulico.

Fonte: VOLKSWAGEN (2009).

O conjunto eletro-hidráulico encarrega-se de manter o sistema hidráulico pressurizado, a partir de um motor elétrico que trabalha com alimentação de corrente contínua e uma respectiva bomba hidráulica, para o acionamento dos êmbolos de seleção e engate das marchas, além do cilindro da embreagem que fica localizado na carcaça da transmissão [11].

Figura 4: Conjunto hidráulico.

Fonte: VOLKSWAGEN (2009).

O mecanismo de seleção de marchas executa as trocas de marchas na transmissão, possuindo êmbolos hidráulicos, sensores de identificação de marchas e válvulas atuadoras [11].

Figura 5: Mecanismo de seleção de marcha.

Fonte: VOLKSWAGEN (2009).

Figura 6:Diagrama hidráulico. Fonte: VOLKSWAGEN (2009)

Para realização de troca das marchas, o óleo hidráulico é aspirado pela bomba, e de acordo com as necessidades do sistema o motor elétrico V387 para acionamento da bomba é ligado pela J217 (Unidade de controle da transmissão) e com isso o sistema hidráulico é pressurizado. O acumulador tem por função armazenar pressão do óleo suficiente para que a bomba elétrica não seja acionada constantemente. A J217 checa o sinal elétrico enviado pelo sensor de pressão hidráulica G270 para determinar a pressão momentânea do sistema. As válvulas de pressão (N284 e N285) e de vazão (N255 e N286) ativam os êmbolos de acionamento de embreagem, seleção e engate de marchas. Após ser realizada a troca de uma determinada marcha, o óleo volta para o reservatório por meio da linha de retorno, onde é novamente aspirado pela bomba para seguir o processo de mudanças de marchas automatizado. Caso tenha um aumento de pressão inesperado o sistema hidráulico conta com uma válvula de segurança que abre diretamente para a linha de retorno baixando a pressão do sistema para evitar danos aos componentes da transmissão [11].

3.1.2 SISTEMA ELÉTRICO

O gerenciamento eletrônico é realizado pela unidade de controle de transmissão J217, ela necessita de uma grande quantidade de informações de entrada que são enviadas pelos sensores, onde a partir destes sinais a J217 ajusta as magnitudes de correção por meio de seus atuadores, realizando assim as trocas de marchas de forma precisa e suave.

Segundo a Megneti Marelli [6],

a unidade de controle da transmissão é o coração e o cérebro do sistema e, considerando as exigências do motorista e as condições operacionais do veículo, ela gerencia as mudanças de marchas controlando a embreagem, as marchas e o motor.

Figura 7: Diagrama elétrico.

Fonte: VOLKSWAGEN (2009).

CAN significa Controller Area Network do inglês, ou seja, rede de controladores locais. Essa rede tornar a estrutura da eletrônica embarcada nos veículos mais flexível, pois é possível reduzir a quantidade de cabos e conectores elétricos. Este sistema de comunicação é baseado em um barramento no qual as informações trafegam entre todas as unidades que estão interligadas na rede, reduzindo assim a quantidade de fios condutores e sensores, onde esse barramento é composto por dois fios que ambos recebem e enviam informações [8].

Figura 8: Arquitetura eletrônica de um veículo sem e com rede CAN.

Fonte: NOTÍCIAS DA OFICINA (2016).

O sistema eletrônico da transmissão também proporciona um grande intercâmbio de informações com outros sistemas eletrônicos do veículo, que são enviados pela rede CAN tração. São elas: rotação do motor, posição do pedal do acelerador, torque do motor e temperatura do líquido de arrefecimento, a partir da Unidade de Controle do Motor J623; velocidade do veículo, a partir da Unidade de Controle do ABS J104 ou da Unidade de Controle do motor J623; solicitação de troca de marcha, a partir da Unidade de Controle dos Sensores da Alavanca Seletora J587 ou das borboletas no volante multifuncional via E221; temperatura externa, a partir da Unidade de Controle do Climatronic J255. Além disso, a Unidade de Controle da Transmissão J217 fornece outros sinais suplementares para as outras unidades de controle envolvidas, que são: sinal de liberação de partida para a Unidade de Controle do Motor executar o controle da partida do motor; sinal de solicitação de redução de torque para a Unidade de Controle do Motor na iminência de troca de marcha (via CAN); indicação de modo de condução selecionado, marcha engatada, alertas de ação não consentida e de avarias para o Instrumento Combinado (via CAN); sinal de solicitação de adequação da rotação do motor com a marcha a ser engata (para cima ou para baixo) para a Unidade de Controle do Motor via rede CAN [11].

Figura 9: Acionamento da embreagem e alavanca de mudanças automatizados.

Fonte: VOLKSWAGEN (2015).

Tabela 1: Componentes do sistema elétrico da transmissão automatizada.

Sensores

Unidades de contrrole

Atuadores

G270 – sensor

de pressão hidráulica

J217 – Transmissão

N255 – Válvula do

atuador da

embreagem

G182 – sensor

de rotação de entrada

J104 - ABS

N284 - Válvula 1 para seleção de marcha

G476 – sensor

de posição da embreagem

E221 – Controle do

Volante

N285 - Válvula 2 para seleção de marcha

G604 – sensor

de identificação

de marcha

J285 - Instrumento Combinado

N286 - Válvula 3 para seleção de marcha

G616 - sensor 2

de identificação

de marcha

J510 - Relé de

alimentação da

bomba hidráulica

V387 - Bomba hidráulica

F - Interruptor

do pedal do

freio

J587 - Controle dos sensores da Alavanca Seletora

F2 – interruptor

de porta na unidade da fechadura lado condutor F220

J623 – Motor

F9 - Interruptor

do freio de estacionamento

J879 - Sistema Interativo

3.2 Transmissão Automatizada Eletromecânica

A automação aplicada neste modelo de transmissão é do tipo eletromecânica, tem por característica um sistema mais compacto e simples, além de possuir uma menor quantidade de componentes, basicamente é constituída por uma transmissão manual de 5 velocidades, um atuador de embreagem, um atuador para seleção e outro engate de marchas, além da unidade de controle eletrônica da transmissão e uma alavanca seletora de mudanças que utiliza o conceito chamado “shift by wire” ou seja, não existe qualquer ligação mecânica da alavanca seletora de mudanças até a transmissão e sim uma comunicação CAN. Os atuadores ficam encarregados de realizar os movimentos do processo de troca de marchas antes feito pelo motorista.

3.2.1 ARQUITETURA DA TRANSMISSÃO

As trocas de marchas são realizadas pelo atuador da embreagem e pelo atuador de seleção e engate. O atuador da embreagem, com o motor para o atuador da embreagem, se encarrega de acionar a embreagem. O atuador de seleção e engate, com os motores elétricos, executa as trocas das marchas. Tanto o atuador da embreagem como o atuador de seleção e engate são excitados eletricamente pela unidade de controle da transmissão manual automatizada J514 [10].

Figura 10:Quadro geral da arquitetura da transmissão.

Fonte: VOLKSWAGEN 2015

3.2.2 GERENCIAMENTO ELETRÔNICO DA TRANSMISSÃO

A unidade de controle da transmissão comunica-se com as demais unidades de controle através da rede CAN tração. O sinal de autorização de partida é transmitido para a unidade de controle da rede de bordo por meio de um cabo próprio. As premissas para a autorização de partida são: alavanca seletora na posição N e pedal de freio acionado. O sinal de liberação de partida tem que ser recebido pela unidade de controle da rede de bordo por ambos canais, para acionar o motor. Os sinais do sensor de posição do atuador da embreagem e do atuador de seleção e engate, assim como do sensor de rotação são enviados diretamente a unidade de controle da transmissão J514. A unidade de controle da transmissão utiliza os sinais recebidos da rede CAN para decidir o momento do fechamento da embreagem e da troca das marchas. Os servomotores são excitados diretamente pela unidade de controle por meio de sinal PWM [10].

Figura 11: Diagrama do Sistema eletrônico da transmissão automatizada.

Fonte: [10].

3.2.3 CICLO DE TROCA DE MARCHAS

Para realização, do ciclo de troca de marchas automatizada, o sistema utiliza como referências os valores de ajuste básicos configurados na unidade de controle da transmissão para ativar os motores de seleção e engate de marchas de forma

simultânea e precisa. A eletrônica da alavanca de mudanças E313 transmite as intenções do motorista para a unidade de controle da transmissão J514, na qual processa a solicitação e aciona atuador de embreagem V530 e VX64 e então a embreagem é aberta [10].

Figura 12: Acionamento do atuador de embreagem

Fonte: [10].

O motor elétrico para seleção de marchas V528 e o motor de engate V529, são acionados mediantes a alimentação de corrente elétrica, então o eixo seletor é colocado na posição neutro mediante a um movimento axial realizado pelo motor de engate e ao mesmo tempo o motor de seleção posiciona o eixo seletor com movimento vertical [10].

Figura 13: Acionamento da seleção e engate das marchas.

Fonte: [10].

Com o engate da marcha concluído com êxito, a embreagem se fecha, finalizando todo o ciclo de troca de marcha de forma automatizada, proporcionando uma condução bastante confortável e segura pois todo o processo foi realizado pelo sistema sem intervenção do motorista.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Optou-se em detalhar os resultados alcançados da pesquisa com base na análise de SWOT, o autor Diniz, descreve em seu livro que: “[...] a análise SWOT é um instrumento muito utilizado nos planejamentos estratégicos das empresas porque força a organização a se confrontar com o ambiente (interno e externo), identificando suas forças, fraquezas, oportunidades e ameaças. O objetivo desta análise é gerar informações importantes para tornar a organização mais consciente de suas possibilidades futuras.” Esta sigla foi criada a partir de quatro palavras do idioma inglês: Strenght = Força, Weakness = Fraqueza, Opportunities = Oportunidades, Threats = Ameaças [3].

Quadro 1: Análise SWOT da Transmissão Manual Automatizada

SWOT

Forças:

Qualidade do produto;

Maior conforto e segurança;

Redução da fadiga do condutor;

Menor consumo de combustível;

Menos emissões de poluentes;

Otimização dos componentes;

Manutenção e custo menor que

a transmissão automática;

Fraquezas:

Maior custo de reparo comparando a transmissão

de troca

manual;

Interrupção da força durante

a troca de marcha;

Oportunidades:

Tendência de crescimento nas vendas;

Incentivos fiscais para pessoas com deficiências físicas na

compra de veículos 0km;

Ameaças:

Aumento nos custos de

produção e matérias-primas;

Escassez de mão de obra

para manutenção e reparo

destas transmissões;

Fonte: Próprio autor.

De acordo com a consultoria Jato Dynamics, entre 2012 e 2016, as vendas de automóveis novos com algum tipo de câmbio que dispensa o uso da embreagem e da troca de marcha manual cresceram 13,5%. Só no primeiro semestre de 2017, 42% dos emplacados corresponderam a carros equipados com transmissões automáticas, automatizadas, incluindo as de dupla embreagem, e continuamente variáveis (CVT). Esse aumento está relacionado tanto ao crescimento da demanda dos consumidores em busca de maior conforto para encarar o trânsito nas grandes cidades, quanto ao aumento da oferta dessa tecnologia pelos fabricantes. Antes restritas a carros de luxo e com motores de grande cilindrada, hoje até compactos com motor 1.0 possuem algum tipo de câmbio que promete dar um descanso para o pé esquerdo do motorista [2].

[...] Outro aspecto importante da transmissão automatizada I-Motion é a possibilidade de atender cerca de 80% das pessoas com deficiência física, a um custo consideravelmente inferior ao de uma transmissão automática convencional [7].

Graças à otimização eletrônica da mudança de marcha e à ligação com o controle do motor, a Transmissão Manual Automatizada consegue garantir menor consumo que um carro com transmissão manual. Segundo Cardoso e Queiroz et al. [12] [13], é possível atingir uma redução de consumo de combustível de até 5%. Consumo mais baixo também significa emissões de poluentes mais baixas, especialmente de CO₂[6].

Para escolher a marcha apropriada o sistema eletrônico da transmissão leva em conta algumas informações como a velocidade do veículo, rotação do motor, acionamento do pedal do acelerador, etc. Porém, vale destacar que por ser uma transmissão manual automatizada, durante as trocas de marchas, o condutor pode perceber a interrupção de força da tração, pois a embreagem é aberta para a seleção e engate preciso da marcha, não se trata de um problema e sim uma característica do próprio sistema.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com base na elaboração deste artigo, buscou-se ampliar os conhecimentos sobre a aplicação da automação em um sistema de transmissão mecânica automotiva. Segundo as pesquisas bibliográficas, pôde-se entender os conceitos da automação e suas aplicações em dois modelos de transmissões automatizadas além de conhecer suas características de funcionamento.

Foi possível concluir, que a concepção da automação em conjunto com uma transmissão mecânica descritos no Capítulo 3, proporciona inúmeros benefícios tais como: maior nível de segurança, conforto, redução de fadiga do condutor, precisão e otimização dos componentes, menor consumo de combustível e emissões de poluentes especialmente o CO₂ (dióxido de carbono), confirmando a hipótese proposta neste artigo.

REFERÊNCIAS

[1] BOSCH, R. Manual de Tecnologia Automotiva. 25. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005. 1232 p.

[2] CONSIGLIO, T. CARROS COM CÂMBIO AUTOMÁTICO JÁ REPRESENTAM MAIS DE 40% DAS VENDAS DE 0KM: Nos últimos cinco anos, carros com câmbio automático, automatizado e CVT cresceram 13,5%. 2017. Revista Auto Esporte. Disponível em: https://revistaautoesporte.globo.com/Noticias/noticia/2017/08/carros-com-cambio-automatico-ja-representam-mais-de-40-das-vendas-de-0km.html. Acesso em: 25 jun. 2018.

[3] DINIZ, A. L. M. Estratégias de Gestão e Organização Empresarial. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. 119 p. Disponível em: http://senaipe.bv3.digitalpages.com.br/users/publications/9788543004983/pages/-8. Acesso em: 24 jun. 2018.

[4] FONSECA, R. L. da. Tire dúvidas sobre as marchas e o sistema de transmissão de um carro: Veículos precisam de uma transmissão por causa das rotações do motor. 2008. Especial para o G1. Disponível em: http://g1.globo.com/Noticias/Carros/0,MUL758298-9658,00-TIRE+DUVIDAS+SOBRE+AS+MARCHAS+E+O+SISTEMA+DE+TRANSMISSAO+DE+UM+CARRO.html. Acesso em: 15 set. 2008.

[5] GROOVER, M. P. Automação Industrial e Sistemas de manufatura. 3. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2010. 583 p.

[6] MAGNETI MARELLI (Brasil). AMT (Transmissão Manual Automatizada). 2018. Disponível em: <https://www.magnetimarelli.com/pt/node/4982>. Acesso em: 24 jun. 2018.

[7] NOTÍCIAS DA OFICINA: edição 36., nº 252, novembro de 2014, trimestral. São Paulo: Germinal, nov. 2014. Disponível em: https://www.reparadorvw.com.br/noticias-da-oficina/edicoes/2014#revisa-edicao-252/1. Acesso em: 25 jun. 2018.

[8] NOTÍCIAS DA OFICINA: edição 38., nº 269, junho de 2016, mensal. São Paulo: Germinal, 2016. Disponível em: https://www.reparadorvw.com.br/noticias-da-oficina/edicoes/2016#revisa-edicao-269/1. Acesso em: 31 jul. 2018.

[9] SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E.. Automação e Controle Discreto. 9. ed. São Paulo: Érica, 2015.

[10] VOLKSWAGEN (Brasil). Câmbio manual automatizado de 5 marchas 0CT: Desenho e funcionamento. São Paulo: Academia Volkswagen, 2015. 40 p. (SSP 512 - Câmbio Manual Automatizado de 5 Marchas 0CT).

[11] VOLKSWAGEN (Brasil). Transmissão Automatizada ASG. São Paulo: Academia Volkswagen, 2009. 40 p. (SSP 009br Transmissão Automatizada ASG).

[12] QUEIROZ, C.; MELO, E.; CALABREZ, F. Revisão dos Sistemas de Transmissão Automotiva. Monografia. Fatec Santo André, 2015.

[13] CARDOSO, J. Estudo das Melhores Práticas Sobre A Vantagem Tecnológia da Transmissão Automática De Veículos de Passeio com Relação ao Consumo de Combustível, 2012. 62 f. (Monografia) – Pós-Graduação em Engenharia Automotiva. Escola de Engenharia de Mauá, Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, 2012.