UM LABORATÓRIO WEB PARA ENSINO ORIENTADO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE

Cleonilson Protásio de. Souza – protasio@dee.ufma.br

José Tarcísio Costa Filho – tarcisio@dee.ufma.br Universidade Federal do Maranhão, Departamento de Engenharia de Eletricidade Campus do Bacanga 65040-080 – São Luís - MA Resumo. Este trabalho apresenta um laboratório de acesso remoto para realizar experimentos via Internet, possibilitando a disseminação de informações técnicas e científicas, de modo a fornecer um novo recurso ao ensino à distância ou no apoio ao ensino tradicional. Neste contexto, desenvolveu-se uma nova ferramenta tecnológica, chamada LabNet, no sentido de disponibilizar ao aluno a possibilidade de manipular e visualizar respostas on line de experimentos monitorados e controlados por uma estação de aquisição de dados. Deste modo, através de qualquer navegador é possível monitorar, controlar, interagir e atualizar experimentos com relação a análise e implementação de estratégias clássicas e avançadas de controle automático importantes na avaliação e projeto de controladores práticos de processos industriais. Palavras-chave: Laboratório, Internet, Educação a distância 1. INTRODUÇÃO A longevidade do treinamento em laboratório recebido por um estudante e a grande influência deste treinamento na sua prática profissional obriga os cursos a serem pioneiros no uso de novas tecnologias no auxílio da aprendizagem. Nossa experiência com práticas de laboratório indica que os estudantes que já possuem um conhecimento básico teórico parecem depender fundamentalmente da realização de experimentos continuados para suprir seus problemas conceituais e estimular sua capacidade inventiva. Para uma melhor qualidade e maior freqüência na elaboração e realização de experimentos, os laboratórios exigiriam uma maior infra-estrutura de assistência de suporte material e docente com custos operacionais, muitas vezes proibitivos, proporcionais ao aumento da demanda

discente. A constatação de tais problemas práticos nos levou, a partir dos resultados efetivos de nossa prática laboratorial dentro do princípio geral do Learning by Doing, aliados à pressão de estudantes que reivindicam a realização de experimentos, a considerar a possibilidade de, aplicando essa mesma orientação, propor um laboratório de acesso remoto baseado na Web. A questão, portanto, é viabilizar um canal direto de interação entre os estudantes e os experimentos através de uma estação digital inteligente.

Neste contexto, este trabalho propõe e descreve uma nova ferramenta didática tecnológica, chamada LabNet, que possibilita aos estudantes a realização de experimentos remotamente e praticados em qualquer horário e lugar. O LabNet almeja ser uma contribuição à educação a distância e consiste essencialmente em disponibilizar ao aluno, através da Internet, a possibilidade de manipular e visualizar experiências monitoradas e controladas por uma estação de aquisição de dados. 2. ESTRUTURA DO LABNET

O primeiro passo na implementação do LabNet foi o desenvolvimento de uma estação de aquisição de dados, conforme Souza et al. [1], que permitissem a aquisição de dados e por conseguinte a realização de experimentos por meio de um computador. Nestas estações ocorrem o acionamento e o monitorização dos experimentos, que são caracterizados pela simplicidade construtiva, robustez e aos baixos custos envolvidos.

Esta estação, chamada de Estação de Experimentos, tem o intuito de facilitar o interfaceamento, com o computador, de vários dispositivos como: conversores D/A e A/D, atuadores, sensores, instrumentos. Tecnicamente, a Estação de Experimentos é um servidor Web configurado com um sistema de aquisição de dados de 8 bits e permite a interface de até 256 dispositivos de entrada ou de saída de dados, como é visto na fig. 1.

Figura 1. Estação de experimentos

O LabNet utiliza a Internet para prover o intercâmbio de informações entre os estudantes e a Estação de Experimento, vista na fig. 2. Deste modo o estudante poderá enviar dados para a

estação, realizar os experimentos previamente implementado e receber imagens, gráficos, áudio de acordo com a realidade do processo.

É importante salientar que o tempo real do experimento é preservado, pois todos os procedimentos de aquisição de dados são realizados na Estação de Experimentos, sem a influência da taxa de transmissão da conexão do estudante com a Internet.

Figura 2. Estrutura do LabNet 2.1 Tecnologias no desenvolvimento do LabNet

Para disponibilizar a estação de experimentos para o uso via Internet é necessário um servidor de WWW. O servidor usado foi o Microsoft Personal Web Server que roda no sistema operacional da Microsoft (Windows 95 ou NT).

A interação do usuário com o ambiente LabNet é operacionalizada em ASP, de acordo com Homer et al. [2], e a dinâmica do LabNet para acesso ao hardware (Estação de Experimentos) é realizada por meio de COM (Component Object Model), um modelo utilizado para construir componentes de software, que pode ser um executável (EXE) ou uma biblioteca de ligações dinâmicas (DLL), conforme Thai [3]. Para o desenvolvimento da DLL de acesso ao hardware usou-se o ambiente C++Builder 3.0 e para implementar as imagens, gráficos, áudio dos experimentos usou-se a linguagem JAVA. Na fig. 3 ver-se a estrutura da comunicação Estudante (Browser ou Navegador) e experimentos.

Figura 3. Estrutura da comunicação: estudante (browser) e experimentos 3. EXPERIMENTO COM O LABNET

O módulo inicial, elaborado para teste piloto do LabNet, foi composto por experimentos em engenharia elétrica, ressaltando, inicialmente, a área de automação e controle de processos. Como aplicação inicial, realizamos experimentos com identificação e controle de motor de corrente contínua por computador de acordo com Leigh [4]. A Estação de Experimentos está configurada atualmente, para realização deste experimento remotamente, conforme mostra a fig. 4.

Figura 4. Experimentos com motor DC 3.1 Resposta do motor DC com excitação degrau

O acesso ao endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/aquisicao.htm é o ponto de entrada de experimento de aquisição de dados de um motor DC com vários tipos de sinais de excitação e sua tela é mostrada na fig. 5. O estudante escolhe qual o sinal de excitação que deseja submeter o motor DC e colher informação da resposta.

Na escolha da opção Degrau, clicando no botão Degrau, o estudante visualiza a tela da fig. 6 onde é solicitado informações sobre o procedimento específico deste experimento. Estas informações são enviadas a Estação de Experimentos para a execução da tarefa em questão. Os resultados experimentais são mostrados por meio gráfico em seu navegador.

Figura 5. Tela de escolha do tipo de excitação

Após inserir informações como: valor de tensão do degrau, número de amostras e tempo de amostragem, e atualizar os dados, clicando no botão Atualizar Dados, o estudante aciona o motor DC clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta. Neste momento as informações de acionamento são enviadas a Estação de Experimentos que processa essas informações e executa o experimento. O estudante visualiza a janela Motor Ligado, mostrada na fig. 7, no momento em que o motor estar ligado no laboratório e esta janela é removida no momento em que o motor é desligado, caracterizando deste modo uma certa resposta ao estudante do pragmaticismo do experimento.

Figura 6. Tela de operações do experimento

Figura 7. Janela indicando motor ligado

Os dados da resposta do experimento é mostrado ao estudante como na fig. 8. A resposta gráfica proporciona ao estudante uma visualização rápida da resposta do experimento e a partir deste gráfico pode ser realizado vários estudos e pesquisas.

Figura 8. Janela de resposta

3.2 Resposta do motor DC com outros sinais de excitação

Na tela mostrada na fig. 5, o estudante tem várias opções de sinais de excitação, por exemplo: pulso, rampa e sinal retangular. De acordo com cada sinal tem-se o pedido de informações, referente ao processo, específico de cada experimento. O procedimento de acionamento e recebimento dos dados da resposta é semelhante ao do processo com excitação degrau. 3.3 Controle PID do motor DC

A estrutura mostrada na fig. 4 permite também procedimentos de controle do motor DC em questão. O acesso ao endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/pid.asp, permite ao estudante realizar o controle PID do motor e nesta página, mostrada na fig. 9, ocorre a solicitação de parâmetros do controlador e informações referentes ao processo. A partir deste ponto, o estudante, clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta, aciona o controle do motor DC e recebe os dados da resposta controlada do motor em seu navegador como na fig. 10.

Figura 9. Controle de motor DC via Web

Figura 10. Resposta do controle do motor DC 4. CONCLUSÃO

O conceito de laboratório baseado na Internet não é novo. Shor e Bhandari [5] desenvolveram um aplicativo de aprendizagem a distância que permite aos usuários o uso de experimentos conduzidos remotamente no laboratório de engenharia de controle na Universidade Estadual de Oregon [6].

Neste trabalho foi apresentada uma ferramenta aplicada a realização de experimentos laboratoriais via Internet, chamada LabNet. As linhas de ação do LabNet fundamentam-se em um sistema de aquisição de dados (Estação de Experimentos) de baixo custo e de simples manuseio capaz de: oferecer meios de realizar experimentos e testes rapidamente; permitir aos estudantes realizar seus experimentos continuamente, em qualquer local; familiarizar o estudante com novas tecnologias; ampliar oportunidades de desenvolvimento de investigações científicas onde os recursos são escassos; reduzir custos na implantação de laboratório (vários estudantes poderão usufruir da estação de experimentos via Internet sem a necessidade de gastos com a construção de diversos módulos didáticos); trazer para a universidade um enorme potencial didático- pedagógico; dinamizar o ambiente acadêmico; e estender os espaços educacionais.

A estrutura do LabNet apresenta características que permite a inserção de novos experimentos laboratoriais de diversas áreas científicas de acordo com a implementação de novos servidores de experimentos

A partir do protótipo do LabNet e do uso dos seus recursos nas disciplinas de controle do departamento de engenharia de eletricidade da Universidade Federal do Maranhão percebemos que as Estação de Experimentos podem ser projetadas para atender experimentos em engenharia, física, química, ou qualquer área da ciência onde é possível realizar aquisição de dados por sensores ou medidores. Deste modo, com a realização de pesquisas no desenvolvimento das estações e das estruturas experimentais pode-se atender, de forma satisfatória, instituições de ensino no que se refere a realização de experimentos científicos por parte de seus alunos.

O web site http://labnet.dee.ufma.br permite o uso das capacidades do LabNet pelo estudante.

Agradecimentos Esse trabalho teve o apoio, em sua fase de elaboração e pesquisa, da CAPES e CNPq, através de concessões de bolsas de pesquisas. Agrademos também ao programa PRODENGE pela aquisição de equipamentos necessários para o desenvolvimento dos protótipos. Também somos imensamente gratos aos comentários e sugestões feitas pelos alunos das disciplina de laboratório de controle do departamento de engenharia de eletricidade da Universidade Federal do Maranhão que testaram a aplicação do LabNet como ferramenta de apoio didático. 5. REFERÊNCIAS [1] Souza, C. P.; Costa Filho, J. T., “Ambiente integrado para ensino de automação e controle

digital. In: III Congresso Nacional de Engenharia de Controle e Automação (CONET 2000), Porto Alegre. Anais... Porto Alegre, 2000. p. 32-37.

[2] Homer, A. et al., Professional Active Server Pages 3.0. Rio de Janeiro. Editora Ciência

Moderna Ltda., 2000. [3] Thai, Thuan L., Learning DCOM. O’Reilly & Associates, 1999. [4] Leigh, J. R., Apllied digital control: theory, design and implementation. 2. ed. New Jersey:

Prentice–Hall, 1992. [5] M. Shor and A. Bhandari, “Acess to an instructional control laboratory experiment through

the World Wide Web”. Amer. Contr. Conf., Philadelphia, PA, 1998, pp. 1319-1325. [6] KO, C. C. et all. “Development of a Web-Based Laboratory for Control experiments on a

Coupled tank Apparatus”. IEEE Transations on education, Vol. 44, No. 1, February 2001.