UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU RODRIGO LUIZ GUEDES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU RODRIGO LUIZ GUEDES SISTEMA DE CONTROLE, UTILIZANDO CLP E SUPERVISÓRIO, PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA E BALANCEAMENTO DE FASES NO SECUNDÁRIO DE UM TRANSFORMADOR DE UMA SUBESTAÇÃO. MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2009

2 2 RODRIGO LUIZ GUEDES SISTEMA DE CONTROLE, UTILIZANDO CLP E SUPERVISÓRIO, PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA E BALANCEAMENTO DE FASES NO SECUNDÁRIO DE UM TRANSFORMADOR DE UMA SUBESTAÇÃO. Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro Co-orientador: Dr. Agnaldo José de Rocha Reis Ouro Preto Escola de Minas UFOP Dezembro / 2009

3 3 G924s Guedes, Rodrigo Luiz. Sistema de controle, utilizando CLP e supervisório, para correção de fator de potência e balanceamento de fases no secundário de um Luiz transformador de uma subestação [manuscrito] / Rodrigo Guedes f. : il., color. ; graf. ; tab. Orientador: Prof. Agnaldo José da Rocha Reis, Marcos de Barros Monteiro. D Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia Controle e Automação. Área de concentração: Automação industrial. Fonte de catalogação: 1. Sistemas de controle. 2. CLP (controle lógico programável). 3. Fator de potência Correção. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título. CDU: 681.5

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5 5 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, por ter permitido mais este importante passo na caminhada de minha vida, alcançado o objetivo de concluir o curso de engenharia. Agradeço a meus pais, minhas irmãs, minha sobrinha, enfim a minha amada família da qual recebi, apesar da distância, todo a apoio necessário durante esta importante fase de minha vida. Agradeço às verdadeiras amizades aqui seladas, com certeza as levarei comigo. Davi, Fabiano, Gilberto, Lantiel Jr, Maicon, Marlos Brum, Rafael Koeler, Robson Lage, Shimith, muito obrigado! Agradeço a meus orientadores Agnaldo Reis e Paulo Monteiro pelo apoio, dedicação e acima de tudo pela amizade e confiança. A professora Karla e ao laboratório de Tecnologias industriais.

6 6 RESUMO Sistemas de controle que tem em sua base controladores lógicos programáveis e sistema supervisório são usados de forma abrangente na indústria. Aqui estas ferramentas são aplicadas para tratar dois problemas em sistemas elétricos de potência: a correção dinâmica de fator de potência, e o complexo problema do balanceamento de cargas em um sistema trifásico. Neste texto são descritos os procedimentos e conceitos utilizados na construção de um sistema de controle utilizando controlador lógico programável e sistema supervisório, aplicados ao secundário de um transformador, cuja funções são monitorar e corrigir o desbalancemento de cargas e o fator de potência. A correção do fator de potência é feita utilizando-se bancos de capacitores previamente calculados em paralelo com as cargas, e para o problema do desbalanceamento de cargas é aplicado uma implementação do algoritmo baseado baseado em otimização combinatória denominado algoritimo de três fases. Palavras chave: Sistemas de controle, controlador lógico programável, correção de fator de potência, balanceamento de cargas.

7 7 ABSTRACT Control systems which have on his base programmable logic controller and supervisory systems are very much used in industry. On this text this tools are apply to solve two problems in electrical systems: the dynamic potency factor correction, and the complex problem of swaying load in a three phase systems. It s describe the behaviors and concepts used to build a control system based in programmable logic controller and supervisory systems applied on transform secondary how s function are monitoring and correct swaying load, and the potency factor. The potency factor correction is done by introducing capacitors previously calculate in parallel with loads, and to solve the swaying load problem is applied an implementation an algorithm which have on his base optimization named three phase algorithm. Key words: Control systems, programmable logic controller, the potency facto correction, swaying load.

8 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 PIB x Consumo de energia elétrica no Brasil Figura 2.1 Dispositivo Eletrônico Inteligente (IED) Figura 2.2 Aplicação Ladder Figura 2.3 Tensão em fase com Corrente Figura 2.4 Tensão e Corrente, defasadas Figura 2.5 Potência Reativa Figura 4.1 Pirâmide de automação Figura 6.1 Montagem da maquete no Painel Figura 6.2 Diagrama Elétrico do circuito para uma fase Figura 6.3 Circuito Montado na Matriz de contatos Figura 7.1 CLP Ge Fanuc VersaMax Figura 8.1 Tela Transformadores Figura 8.2 Detalhes - Transformador A Figura 8.3 Tela Relatórios Figura 8.4 Tela Histórico Figura 8.5 Tela Balanceamento de Cargas... 38

9 9 LISTA DE QUADROS Quadro 1.1 Capacidade instalada do SIN em Quadro 9.1 Cargas Tempo defasagem... 39

10 10 LISTA DE ABREVIAÇÕES CLP Controlador Lógico Programável PIB Produto Interno Bruto LIGTH Companhia de Energia FURNAS Furnas Centrais Elétricas CPFL Companhia Paulista de Força e Luz CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais CHESF Companhia Hidro Elétrica do São Francisco ELETROBRAS Centrais Elétricas Brasileiras SEP Sistemas Elétricos de Potência FP Fator de Potência ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas SIN Sistema Interligado Nacional ONS Operador do Sistema Elétrico IED Dispositivo Eletrônico Inteligente SCADA Supervisory Control And Data Acquisition CPU Unidade Central De Processamento IEC Internacional Electrotechnical Commission UNIFEI Universidade Federal de Itajubá Mbs Mega bits por segundo EPS Enterprise Production Systems ERP Entreprise Resource Planning MES Manufacturing Execution System PIMS Plant Information Management System SCDC Sistema Digital de Controle Distribuído UFOP Universidade Federal de Ouro Preto IHM Interface Homem Máquina LCD Liquid Crystal Display PWM Pulse width Modulation

11 11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Relevâncias do Trabalho Histórico do Sistema Elétrico Brasileiro Objetivos Objetivos Gerais Objetivos Específicos CONCEITOS FUNDAMENTAIS Sistema Elétrico De Potência Principais dispositivos utilizados em SEP Sistema Supervisório O Controlado Lógico Programável Linguagem De Programação De Clp s Desequilíbrio De Tensão Fator de potência PRINCIPAIS TRABALHOS DESENVOLVIDOS Paredes Souto e Fonseca HIERARQUIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Sensores e atuadores - Nível CLP / SCADA Nível Gerência de Informação Nível MES Manufacturing Execution System PIMS - Plant Information Management System Sistemas Integrados de Gestão - Nível METODOLOGIA Embasamento teórico Desenvolvimento prático... 32

12 Testes de conformidade A MAQUETE A PROGRAMAÇÃO DO CLP Correção FP Balanceamento de Cargas O SUPERVISÓRIO ANÁLISE E RESULTADOS CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 45

13 13 1 INTRODUÇÃO Devido à importância do uso da energia elétrica no parque industrial brasileiro, bem como a dependência desta fonte de energia e o alto custo a ela vinculado, faz-se necessário a utilização deste recurso de forma eficiente. Assim pode-se garantir a economia de recursos, segurança de operação, melhoria no uso de equipamentos e melhor aproveitamento de recursos naturais. A conscientização para este assunto e consequentemente a mudança de atitude, tanto por parte das indústrias quanto por parte da população ganhou força em 2001, momento em que diversos fatores dirigiram o Brasil a uma situação de crise no setor elétrico. Diante deste contexto o processo de automação e digitalização de subestações elétricas, apresenta-se como proposta de solução e, devido aos bons resultados já alcançados vem recebendo crescentes incentivos. Em uma subestação existem diversas variáveis a serem controladas e monitoradas. No presente trabalho serão tratados os problemas da correção dinâmica do fator de potência e da inclusão de cargas em um sistema de forma a promover o balanceamento de cargas entre fases. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de controle baseado em Software Supervisório e Controlador Lógico Programável (CLP), com os seguintes requisitos funcionais: Comunicação com os equipamentos de uma subestação; Aquisição dos dados do fator de potência e grau de desbalanceamento das cargas nas linhas de alimentação; Apresentação do estado destas variáveis na tela do software; Análise o e correção das variáveis em tempo real.

14 14 Para atender a estes requisitos será utilizado como ferramenta o Elipse Scada, um software supervisório de mercado, de propriedade da Elipse Software, um CLP GeFanuc VersaMax e o software Proficy Machine, da General Eletric para a programação do CLP. 1.1 Relevâncias do Trabalho Conforme é exposto por Bueno (2006) o consumo de energia elétrica apresenta uma alta correlação com o desempenho da economia de um país como um todo. Praticamente todos os setores econômicos, que no somatório anual de sua produção definem a magnitude do Produto Interno Bruto (PIB), têm um componente de consumo de energia elétrica. Figura PIB X Consumo de Energia Elétrica no Brasil. FONTE: Anuário Estatístico Furnas, Pelo gráfico apresentado na figura 1.1 pode-se verificar a observação feita por Bueno. Também é possível identificar uma tendência de aumento de demanda de energia, e levando em consideração o fato de que a maior parte da energia consumida no Brasil atualmente tem sua origem em usinas hidrelétricas (vide quadro 1.1), considerando também o alto investimento necessário para a construção destas usinas, todo o impacto ambiental e social envolvido no processo de sua instalação, pode-se concluir que é de extrema importância uma utilização mas eficiente dos recursos já existentes. Com um baixo fator de potência, faz-se necessário que se produza mais energia do que a que realmente será transformada em trabalho nas indústrias e residências. Por outro lado, estabelecer um índice mínimo para o fator de potência contribui significativamente para aumentar a eficiência do consumo da energia já disponível.

15 15 Quadro 1.1 Capacidade instalada do SIN em FONTE: BUENO, Fonte MW (%) Hidrelétrica ,50 Gás ,15 Nuclear ,10 Óleo Combustível ,30 Carvão Mineral ,50 Outras 462 0,50 Potência Instalada ,00 A implantação de um sistema de supervisão se justifica não apenas pelos fatores globais apresentados acima, mas também por benefícios internos e específicos de cada sistema de transmissão. Com a operação do sistema de supervisão da subestação é possível fazer a monitoração de cada variável e sua correção em tempo real. Também é beneficio do sistema de supervisão a monitoração de alarmes, facilitando a identificação do local específico onde ocorreu algum problema. O sistema supervisório tem ainda a possibilidade de fazer o registro de eventos e histórico das grandezas elétricas (tensão, corrente, potência) por meio de gráficos, viabilizando uma posterior análise de modo a facilitar as tomadas de decisão por parte dos responsáveis. 1.2 Histórico do Sistema Elétrico Brasileiro Segundo Andrade (1993 apud BRANCO 1975) o setor elétrico braseiro teve suas atividades iniciadas no final do século passado, apoiado em uma tendência desenvolvimentista pioneira dos estados de Minas Gerais e de São Paulo, que por iniciativa privada teve inicio em Juiz de Fora. Ainda seguindo Andrade (1993 apud CALABI 1983) o processo de desenvolvimento deste setor ganhou impulso com as atividades de multinacionais como a LIGHT e a AMFOPR, que

16 16 depois de estabelecidas em regiões de maior demanda como o eixo Rio - São Paulo e também no interior do estado de São Paulo, estendendo-se posteriormente para outras capitais do país. Como a maior parte dos investimentos tinha origem externa, as empresas de distribuição elegiam estas regiões por possuir maior circulação de renda e concentração de pessoas, o que provocava a exclusão das demais áreas do país e inflacionavam o preço do serviço. Estas áreas mais isoladas eram então obrigadas a utilizar a produção própria de energia. (SANTOS, 2008). Sobre conexões no sistema, existiam apenas algumas em pontos isolados entre empresas como LIGHT, FURNAS, CPFL E CEMIG, que visavam atender os maiores centros de consumo do país (ANDRADE, 1993). A partir dos anos 30, por clara incompatibilidade entre os interesses da iniciativa privada e as necessidades do país, a responsabilidade em investimentos e principalmente do desenvolvimento do sistema elétrico brasileiro é transferida ao poder público. Diante deste problema o país foi obrigado a conviver com uma situação de racionamento de energia entre 1940 e o início dos anos 60. A partir de então são iniciados grandes feitos do governo como a construção da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF) em 1945, Furnas Centrais Elétricas em 1958 e a criação das Centrais Elétricas Brasileiras (ELETROBRAS) em 1962 que receberia as atribuições de promover estudos, projetos de construção e operação de usinas geradoras, linhas de transmissão e subestações destinadas ao suprimento de energia elétrica do país. (SANTOS, 2008). 1.3 Objetivos Como o presente trabalho apresenta conceitos multidisciplinares seus objetivos são divididos em gerais e específicos, e são apresentados abaixo.

17 Objetivos Gerais O presente texto retrata uma das partes de um trabalho mais amplo, envolvendo o desenvolvimento de um sistema supervisório para correção do fator de potência e balanceamento de cargas de um sistema trifásico realizado simultaneamente pelos alunos Davi Leite, Rodrigo Guedes e Robson Lage. Todos estes alunos do curso de Engenharia de Controle e Automação, da Escola de Minas de Ouro Preto. 1.5 Objetivos Específicos Desenvolver um Sistema Supervisório para monitoração e controle do fator de potência e balanceamento de cargas de uma Subestação Elétrica.

18 18 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Não é intenção de neste tópico explorar exaustivamente o conteúdo que compõem cada um dos subitens, mas de apresentar uma breve revisão sobre os principais conceitos que se fazem necessários para auxiliar na compreensão deste trabalho. Serão aqui apresentadas informações importantes sobre Sistema Elétrico de Potência, Controladores Lógicos Programáveis, Software Supervisório, Fator de Potência (FP) e Desequilíbrio de fases. 2.1 Sistema Elétrico De Potência Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), um Sistema Elétrico de Potência é um conjunto das instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até a medição, inclusive. No Brasil existe o Sistema Interligado Nacional (SIN) que é de responsabilidade do Operador do Sistema Elétrico (ONS), sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. O Sistema Interligado Nacional é formado pelas empresas das regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da região Norte e conta com aproximadamente 96% da capacidade de produção de energia do Brasil. 2.2 Principais dispositivos utilizados em SEP A partir do final da década de 90 observa-se a tecnologia da eletrônica digital conquistando espaço em sistemas integrados de proteção e controle de subestações. Surge então o conceito de Dispositivo Eletrônico Inteligente (IED), o qual incorpora funções de execução de lógicas e automatismos. Na figura 2.1 apresenta-se um esquema das funções incorporadas por este dispositivo (PEREIRA, 2008).

19 19 Alem dos dispositivos digitais descritos temos também os dispositivos tradicionais Disjuntores dispositivos eletromecânicos de manobra, ou seja, ele pode abrir ou fechar parte do sistema elétrico. Tem função de proteção na instalação, proteção contra curto circuito ou sobre carga. Para uma correta especificação devem ser obtidas suas características junto ao fornecedor. Transformadores de Força é o transformador usado quando se faz necessário uma elevação da tensão para fins de transmissão e sub-transmissão, ou também reduzir o nível de tensão para efeito de distribuição e conseguir atingir as cargas menores. Figura Dispositivo Eletrônico Inteligente (IED). FONTE: PEREIRA, Para - Raios - Equipamentos que tem a função de proteção contra descargas atmosféricas, resultantes do acumulo de cargas elétricas em uma nuvem e a conseqüente descarga sobre o solo ou qualquer estrutura que ofereça condições favoráveis a esta descarga (CREDER, 2002, p. 288)

20 Sistema Supervisório Um sistema Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) é formado por terminais remotos que coletam dados de campo e transmitem esses dados a uma estação principal por meio de um sistema de comunicação. A estação principal exibe os dados adquiridos e também permite que o operador execute tarefas de controle remoto (BAILEY, 2003, p 12). No início de sua utilização (e ainda encontrados hoje em algumas indústrias), os primeiros sistemas SCADA eram formados por painéis nos quais as informações eram apresentadas por um conjunto de lâmpadas e levadas até o referido painel por uma enorme quantidade de cabos de dados. Todo este aparato não tinha um bom nível de confiabilidade, pois eram frequentemente encontrados vários problemas no sistema de comunicação e à pequena vida útil das lâmpadas que queimavam e podiam gerar alarmes falsos. Hoje, os sistemas SCADA utilizam modernas técnicas computacionais que permitiram a correção destes problemas. Juntamente com os sistemas supervisórios os sistemas de comunicação acompanharam esta evolução de forma que, hoje, facilmente são encontrados sistemas com altíssimos graus de confiança. Este resultado pode ser atribuído em primeiro lugar a toda pesquisa no que se diz respeito a novas técnicas de hardware e software, e a junção destes dois. Na presença deste contexto acompanha-se a difusão dos sistemas supervisórios no ambiente industrial, onde devido ao bom desempenho apresentado e crescente queda nos custos destes equipamentos pode-se acompanhar a sua utilização em larga escala.

21 O Controlado Lógico Programável O controlado Lógico Programável, ou simplesmente CLP, do inglês Programmble Logic Controller, é definido por Georgini (2006, p 48, traduzido) como um dispositivo de estado sólido, um computador industrial capaz de armazenar instruções para aplicação de funções de controle, além de realizar lógicas, cálculos, manipulação de dados e comunicação em rede, é utilizado no controle de sistemas automatizados. Um CLP assim como um computador pessoal é composto pelos seguintes componentes: Unidade Central De Processamento(CPU) que é responsável pelas operações matemáticas, módulos de entrada e saída, módulos de comunicação com outros equipamentos e por último o sistema de alimentação. Para a programação dos CLPs sentiu-se a necessidade da construção de um padrão que fosse seguido pelos fabricantes. Esta padronização começou em 1979 quando o Internacional Electrotechnical Commission, (IEC) iniciou seus trabalhos com este propósito e como resultado e temos hoje a IEC onde se encontra com divida em 5 partes sendo que algumas ainda não finalizadas. 2.5 Linguagem De Programação De Clp s Em 1992 o IEC publica um conjunto de normas o qual estabelece padrões para os controladores programáveis. Esta norma é dividida em cinco partes, sendo a IEC a parte que trata das linguagens de programação dos CLP s. Entre as linguagens adotadas pela IEC estão: a Linguagem Ladder, Blocos de Função, texto estruturado, lista de instrução e a Linguagem Grafcet. Neste texto apenas será apresentado a Linguagem Ladder, por esta ser a linguagem de programação adotada neste trabalho. Linguagem Ladder Os motivos que fazem a linguagem ladder ser uma das mais usada pela indústria são:

22 22 Apresentar grande facilidade de programação, Ser uma linguagem gráfica, baseada em desenhos, Ser tradicionalmente conhecidos em projetos de comando de quadros elétricos. Segundo MORAES (2007), a linguagem ladder é uma linguagem gráfica de alto nível que se assemelha ao esquema elétrico de um circuito de comando ou diagrama de contatos. Ainda segundo MORAES (2007) nesta linguagem todos os tipos de instruções pertencem a dois grandes grupos: as instruções de entrada e as de saída. As instruções de entradas são responsáveis por formular questionamentos, os quais são tratados com respostas pelas instruções de saída, essas por sinal são ainda responsáveis por executar algum tipo de ação. A CPU do controlador executa todas as funções descritas pelas linhas de comando de forma cíclica, ou seja, começando pela primeira passando por todas as intermediarias até a última linha, para então recomeçar o ciclo. Para exemplificar os princípios de funcionamento desta linguagem vamos fazer o acionamento de um motor por meio da linguagem gráfica. Figura 2.2 Aplicação Ladder. Na figura 2.2, vemos logo a representação de um contato normalmente aberto (LIGA) e um contato normalmente fechado (DESLIGA). Na pratica são os botões tipo push button, largamente utilizados em circuitos de controles elétricos.

23 23 As instruções de entrada são os contatos normalmente aberto e normalmente fechado, a instrução de saída, representado pelo símbolo abaixo da palavra LIGA_MOTOR da figura 2.2 é o estado do motor acionado ou parado. 2.6 Desequilíbrio De Tensão O desequilíbrio de tensão é por definição a diferença entre a magnitude das tensões de fase de circuitos polifásicos. Em uma rede de distribuição podem ocorrer desequilíbrios de naturezas distintas: como assimetria da rede gerada pelos tipos de transformadores de distribuição utilizados, e também na formar como estão conectadas as cargas nas fases e neutros da rede. 2.7 Fator de potência Fator de potência é definido como a relação entre a potência ativa e a potência aparente consumidas por um dispositivo ou equipamento, independentemente das formas que as ondas de tensão e corrente apresentem. Ao alimentarmos uma carga resistiva ideal em corrente alternada verifica-se a que variação de tensão e corrente se desenvolve da mesma maneira, quando essa situação ocorre podemos dizer que a tensão está em fase com corrente (figura 2.3). Essa é uma situação típica onde estão instaladas cargas resistivas idéias.

24 24 Figura 2.3 Tensão em fase com Corrente. No entanto, uma carga real pode ter componentes reativas capacitivas e ou indutivas. Quando essas componentes se fazem presente observamos uma defasagem entre a corrente e a tensão, (figura 2.4). Conforme a componente que se apresenta de forma predominante duas situações podem ocorrer: a primeira é a corrente estar adiantada em relação a tensão, a segunda é a corrente atrasada em relação a tensão. Figura 2.4 Tensão e Corrente, defasadas.

25 25 Figura 2.5 Potência Reativa. O resultado da componente reativa da carga é o aparecimento de uma potência reativa no circuito conforme é mostrado pela figura 2.5. Diante desta situação o circuito passa a consumir também essa potência aparente que é maior do que a que ele realmente necessita para transformar em trabalho.

26 26 3 PRINCIPAIS TRABALHOS DESENVOLVIDOS Devido à importância da energia elétrica na vida das pessoas e da indústria, muitos estudos estão em desenvolvimento e consequentemente muitas publicações nesta área. Muitos destes estudos enfatizam a economia de recursos, sendo esta economia obtida através de operações desassistidas em subestações, ou pelo melhor aproveitamento dos equipamentos já instalados. Existe grande incentivo por parte de concessionárias de energia como a ELETROSUL Centrais Elétricas, Compania Paulista de Força e Luiz e Companhia Energética de Minas Gerais. Observa-se o fornecimento por estas empresas de recursos como históricos de informações, recursos humanos e financeiros, fundamentais ao desenvolvimento de trabalhos de pesquisa. Porém este mesmo fato não é verificado em subestações de média tensão. Não sendo facilmente encontrados trabalhos publicados com a finalidade de estudos em controle em subestações de media tensão na literatura. Serão aqui apresentados dois exemplos destes trabalhos desenvolvidos, o primeiro no ano de 2002, onde o autor desenvolve um sistema de supervisão para uma maquete com objetivos didáticos para os cursos de Engenharia de Controle e Automação e Elétrica. Em seguida outro trabalho desenvolvido por dois engenheiros em uma indústria. 3.1 Paredes Paredes em 2002, desenvolve um trabalho em uma subestação elétrica protótipo chamada PowerNet1 instalada na Universidade Federal de Itajubá (Unifei). Seu trabalho envolve o desenvolvimento de um Software Supervisório para a PowerNet1. São utilizados por ele um Controlado Lógico Programável GE-FANUC 9070, e o software de supervisão Citect.

27 27 O autor tem como objetivo implementar proteções elétricas via software, que permitam a visualização de manobras, praticadas normalmente em subestações de energia elétrica, e também a parametrização dos equipamentos usados para suporte ao ensino nas aulas práticas nos cursos de Engenharia de Controle e Automação e Elétrica na Universidade Federal de Itajubá. Neste trabalho ele aponta algumas das principais vantagens e desvantagens observadas depois de concluída a implementação. Vantagens: Fácil manuseio do programa de supervisão, o qual fornece uma ampla variedade de comandos que permitem aos usuários a visualização e melhor compreensão dos acontecimentos para rápida análise e tomada de decisões e a possibilidade de implementar comandos automáticos de acordo com cada evento conhecido. Desvantagens: Devido a sua comunicação serial do controlado usado, a rapidez no envio de um comando pode ter seu efeito de proteção atrasado, comprometendo desta forma o sistema, isto é, podese evitar um prejuízo menor se pudesse obter um tempo de resposta menor. Todos os eventos devem ser bem conhecidos, pois o sistema responde automaticamente àqueles que foram programados. O autor ainda classifica como razoável, o resultado de seu trabalho para os fins didáticos desejados. 3.2 Souto e Fonseca Fonseca e Souto (2007) escreveram sobre um trabalho realizado em uma indústria. Neste trabalho eles descrevem a arquitetura do sistema implantado, falam sobre os dispositivos utilizados, a importância do sistema de sincronismo e supervisão. No trabalho desenvolvido pelos engenheiros é feita uma abordagem superficial sobre os itens descritos acima, não sendo mencionados maiores detalhes como as características dos dispositivos e softwares usados e também não são citados os resultados obtidos após a conclusão do trabalho.

28 28 4 HIERARQUIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Segundo Souza (2005) os sistemas de controle existentes até 1990 eram formadores de ilhas de automação, onde se tratava separadamente cada setor, o qual possuía o seu sistema de controle independente e não integrado aos demais. Um bom projeto de automação deve prever esta situação e evitar a formação destas ilhas, favorecendo a integração das informações provenientes dos diversos níveis da empresa, desde o chão de fabrica até os níveis gerenciais. Procedendo desta maneira os projetistas estarão desempenhando de forma eficiente sua tarefa, realizando a automação dos negócios da empresa como um todo e não apenas fornecendo uma solução isolada de automação de alguns processos ou equipamentos. Para representar os níveis citados acima na figura 5.1 é apresentada uma pirâmide, onde podemos escalonar os diversos níveis de automação encontrados em uma empresa. Estes níveis são descritos de forma resumida nas próximas linhas. Figura Pirâmide de automação. FONTE: People. 4.1 Sensores e atuadores - Nível 1 Na base da pirâmide encontramos o nível 1, o mais baixo nível de automação. Aqui os dados são transmitidos em bits, nas chamadas redes de campo. A velocidade dessa transmissão, a

29 29 freqüência e a reação é da ordem de milissegundos. São bons exemplos dos componentes deste degrau os sensores de nível, sensores de temperatura, sensores de velocidade, válvulas, inversores de freqüências entre outros. 4.2 CLP / SCADA Nível 2 Elevando um degrau na pirâmide apresentada, estaremos no nível 2 o nível dos CLP s e os sistemas SCADA, onde são localizados os procedimentos de controle, objeto deste trabalho. A partir daqui estão instaladas as redes ethernet, com velocidade de transmissão na ordem de mega bits por segundo (Mbs) e com a função de coleta dos dados gerados em campo. Estes dados são tratados e armazenados em servidores. Neste momento falamos em gerencia da planta. Todo acompanhamento do processo produtivo pode ser realizado baseado nas informações organizadas nesta camada. Informações tipicamente fornecidas neste nível são os estados das variáveis do processo e geração de alertas quando algum parâmetro está fora do especificado. Desta maneira são facilmente detectadas as origens de problemas, fazendo com que a resposta a esse problema seja rápida e eficiente. 4.3 Gerência de Informação Nível 3 Avançando mais um degrau na nossa pirâmide, chegamos ao nível de gerencia de informação onde estão instalados os Sistemas de Gerência de Informação de Processos da empresa. Estes sistemas são normalmente englobados pelo termo geral: Enterprise Production Systems (EPS) e consistem em soluções tecnológicas com o objetivo de gerenciar todas as etapas de produção. Sua principal função é cobrir a deficiência de comunicação existente entre o chão de fábrica, nível 2, e os sistemas corporativos Enterprise Resource Planning (ERP) nível 4. Sua definição é exposta no item 4.4.

30 MES Manufacturing Execution System Termo com origem na língua inglesa e que podemos traduzir como Sistema de Execução da Produção, é um dos principais sistemas de gerencia de informação. São algumas das funções que os sistemas MES costumam ter: Importação de dados do sistema ERP: itens, estações de trabalho, armazenagem, estoque, planos da qualidade, dados de funcionários, etc. Importação de parâmetros para a produção, como pedidos e prioridades de manufatura. Emissão automatizada de instruções para que o armazém entregue o material nas células de trabalho. Exibição da fila de trabalho, instruções e documentação específica para a célula de trabalho, em função das prioridades definidas anteriormente. Armazenamento das informações de atividades da produção: tempos de operação (por operador), tempos de máquinas, componentes usados, material desperdiçado, etc. Instruções para reposição de material na linha de produção. Armazenamento e divulgação dos dados de qualidade. Instruções para que a continuidade do fluxo de materiais pela linha. Monitoramento da produção em tempo real, e ajustes em todas as etapas conforme seja necessário. Análise de métricas e desempenho da produção. 4.5 PIMS - Plant Information Management System Basicamente, PIMS é um software que contém um repositório, onde são concentradas todas as informações relevantes das células de produção, diretamente ligadas aos sistemas de supervisão e controle. O PIMS coleta informações dos sistemas de supervisão, CLPs, Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCDs), sistemas legados e os armazena em uma base de dados real time. Tal base tem características não encontradas nos bancos de dados

31 31 convencionais, como: grande capacidade de compactação (tipicamente de 10:1) e alta velocidade de resposta a consulta em sua base histórica. Devido a isto, é capaz de armazenar um grande volume de dados com recursos mínimos, se comparado às soluções convencionais. 4.6 Sistemas Integrados de Gestão - Nível 4 Nos últimos anos, os sistemas integrados de gestão, ou ERP, passaram a ser largamente utilizados pelas empresas. São sistemas genéricos capazes de integrar todas as informações que fluem pela empresa por intermédio de uma base de dados única (MENDES 2002). Dentre as informações integradas por estes sistemas estão as de aspecto funcional da empresa como finanças, contabilidade, recursos humanos, fabricação, marketing, vendas, compras, manutenção etc. e também os aspectos estruturais e administração da empresa como o sistema de processamento de transações, sistemas de informações gerenciais, sistemas de apoio a decisão entre outros. Vantagens do uso de Sistemas Integrados de Gestão Eliminar o uso de interfaces manuais, Reduzir custos, Otimizar o fluxo da informação e a qualidade da mesma dentro da organização (eficiência), Otimizar o processo de tomada de decisão, Eliminar a redundância de atividades, Reduzir os limites de tempo de resposta ao mercado.

32 32 5 METODOLOGIA 5.1 Embasamento teórico Para iniciar este trabalho, foi feita uma pesquisa na literatura com a intenção de reunir informações e conceitos necessários para dar suporte ao embasamento teórico do trabalho. Foram consultados livros, artigos publicados em revistas especializados, dissertações de mestrado e doutorado e sites da internet. Este trabalho de pesquisa e revisão bibliográfica foi de extrema importância, visto que os resultados obtidos se baseiam nas informações reunidas nesta etapa do trabalho. 5.2 Desenvolvimento prático Em um segundo momento para desenvolvimento prático do trabalho, o software supervisório e a programação do CLP, foram buscadas informações junto a seus respectivos fabricantes. Sendo estas informações disponíveis em manuais, tutoriais, apostilas de cursos das ferramentas e no serviço de atendimento disponibilizado pelo fabricante. Foi escolhido o sistema supervisório Elipse Scada para desenvolvimento do supervisório. Esta escolha se deu pela universidade dispor de uma licença desta ferramenta e pelo material de apoio disponível. Foi escolhido o CLP da GE Fanuc série Versamax, em primeiro lugar por este dispositivo ser bem conceituado pelo mercado, e em segundo lugar pela disponibilidade deste controlador no laboratório de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Para a programação do Versamax, foi usado o Proficy Machine Edition 5.9, pela universidade dispor de uma licença deste software e também por ele ser disponibilizado pelo laboratório.

33 Testes de conformidade Para a realização de testes de conformidade com os requisitos foram utilizadas simulações computacionais disponibilizados pelos próprios softwares de desenvolvimento e um simulador de circuitos eletrônicos para o sensor desenvolvido. Também foi construída uma maquete com o objetivo de confrontar os resultados obtidos pela fase de simulação e implementação prática com os resultados teóricos. Nesta maquete foram conectados o CLP e o software supervisório, e a partir dos resultados obtidos com este acoplamento do será apresentada uma avaliação que será feita levando em consideração requisitos funcionais expostos no item 1.5 do capitulo 1.

34 34 6 A MAQUETE O desenvolvimento de um sistema de controle para ser aplicado no secundário de um transformador em sua etapa de projeto tem a necessidade de realização de uma série de testes para que sua eficiência seja certificada. Considerando os altos custos associados à aquisição de equipamentos de alta e média potência, considerando também o fator segurança de operação e principalmente a necessidade de suspensão temporária das atividades nos setores por ele abastecidos foi feita a opção de construir de uma maquete o que possibilita verificar situações de baixo fator de potência e desbalanceamento entre fases em escala normal de tensão. Esta maquete foi construída em media tensão, 127 V e baixa potência 80 W (valores nominais dos equipamentos). Os materiais e equipamentos utilizados na construção da maquete foram: Um sensor, para detecção de defasagem entre tensão e corrente, Cargas indutivas (03 Ventiladores), Cargas resistivas (02 Banco de lâmpadas), 04 bancos de capacitores, Uma prancha de madeira, (suporte para o painel), 08 Botões tipo Push Button ( com retenção), Bornes para conexões, Reles de bobinas (acionamento em12 V), Microcomputador (rodando o Sistema Supervisório), CLP GE Fanuc, 01 Disjuntor trifásico. Os materiais citados acima foram fixados em um painel de madeira como é mostrado na figura 6.1.

35 35 As cargas indutivas (três ventiladores) foram alocadas na parte superior do painel para evitar acidentes e foram alinhadas horizontalmente. As lâmpadas verde e azul, observadas a direita formam o primeiro banco de lâmpadas, o segundo é formado pelas lâmpadas vermelha e a verde localizadas a esquerda. Na parte inferior a esquerda pode ser visto o sistema de alimentação e proteção composto pelos disjuntores. Na parte central inferior encontram-se os botões, cada botão é responsável pelo acionamento de uma carga, sendo utilizados cinco dos oito disponíveis. Para efeito de expansões foram previstos e reservados três botões adicionais. E por ultimo, visto na parte inferior direita encontram-se os bornes, responsáveis pelas conexões elétricas. A eles são levados os sinais dos botões para seguir até o CLP, e nele chegam os comandos vindos do CLP para o acionamento dos reles que estão na parte traseira do painel. Figura Montagem da maquete no Painel.

36 36 O diagrama elétrico mostrado na figura 6.2 é a representação no sensor reduzido a uma fase e a figura 6.3 mostra o circuito, montado em uma matriz de contatos. Figura 6.2 Diagrama Elétrico do circuito para uma fase. Figura Circuito Montado na Matriz de Contatos

37 37 7 A PROGRAMAÇÃO DO CLP Todo o trabalho de programação foi desenvolvido para o controlador VersaMax, o qual é mostrado pela figura 7.1, nele foram inseridas a programação referente a correção do Fator de Potência e Balanceamento de Cargas. Figura 7.1 CLP GeFanuc VersaMax. 7.1 Correção FP A técnica usada para realizar a correção do fator de potência tem como base uma análise prévia das cargas instaladas. Desta maneira foi feito o cálculo dos bancos de capacitores e feita também uma divisão em quatro faixas, sendo elas: 0<FP<= 62, 62< FP<= 72, 72 < FP<= 82, 82<FP<=92. O CLP recebe, através de uma de suas entradas analógicas, os dados de defasagem entre tensão e corrente (medidos em mili segundos). De posse destes dados o CLP realiza uma serie de cálculos e retorna os valores instantâneos do Fator de Potência. Com base nesta informação e nas quatro faixas de correção, o programa decide quais os bancos de capacitores serão inseridos nos sistema elétrico.

38 38 Também é determinado um tempo para estabilidade do sistema, não permitindo que a verificação seja feita a todo ciclo de clock do CLP, evitando que o sistema entre em um loop infinito. Após o processamento destas informações o CLP envia ao sistema supervisório valores instantâneos de fator de potência, os quais são apresentados no capitulo Balanceamento de Cargas A técnica utilizada para desenvolvimento do programa no CLP foi baseada no algoritmo de três fases, desenvolvido por Deus (2007). O balanceamento é garantido pelo conhecimento prévio da corrente de cada carga e a decisão alocar a carga na fase A, B ou C é tomada antecipadamente, ou seja, antes da carga ter sido acionada. Podemos dividir o algoritmo em alguns passos: Passo 01 é feito a verificação da quantidade de corrente que circula por cada uma das três fases, o cálculo da corrente média ideal, e calculado o grau de desbalanceamento em cada fase medido em porcentagem. Passo 02 é feito a verificação de qual das fases possui a menor quantidade de corrente, isso definirá onde será alocada a próxima carga que faça uma requisição de entrada. Passo 03 é feito a monitorar as solicitações de acionamento de novas cargas, verificado uma solicitação o sistema procede enviando o comando para que a carga possa ser efetivamente acionada. Passo 04 é feito o monitoramento das solicitações de desligamento das cargas, verificado esta solicitação procede enviando o comando para que a carga possa ser efetivamente desligada. Passo 05 depois de verificado o desligamento de uma fase, fazer a realocação das cargas que estão em funcionamento de forma a promover um estado de balanceamento mais próximo da corrente ideal.

39 39 Para os passos de número 01, 02 e 03 foram desenvolvidos alguns procedimentos baseado no algoritmo de três fases, e foi inserida na programação do CLP. Os passos 04,05 não foram efetivamente implantados no controlador.

40 40 8 O SUPERVISÓRIO O supervisório incorpora a funcionalidade de IHM (Interface Homem Máquina), o software esta em constante comunicação com o CLP, lendo suas variáveis, armazenando-as em uma base de dados simples e apresentando seus valores instantâneos em uma tela de uma forma bastante intuitiva conforme é visto na figura 8.1. Nesta figura podemos ver as informações resumidas de corrente, tensão, potência e fator de potência no secundário dos três transformadores de uma subestação. É possível também aos usuários do software a navegação entre as diversas telas, tendo acesso a todas as informações em tempo real. Foi desenvolvida também uma tela específica para cada transformador, onde cada variável é exibida com mais detalhes, figura 8.2. Figura 8.1 Tela transformadores.

41 41 Figura Detalhes do Transformador A. Nesta tela temos acesso ao histórico de cada variável, com seus valores plotados em um gráfico. Temos também acesso a uma tela para geração de relatórios (figura 8.3) histórico (figura 8.4), podendo especificar dia e hora de início e fim. Dados monitorados: corrente na fase, corrente média ideal, diferença entre a corrente que circula na fase e a ideal e também o grau de desbalanceamento em porcentagem. Figura 8.3 Tela Relatório.

42 42 Figura Tela Histórico. Figura Tela Balanceamento de Cargas. Para os dados referentes ao desbalanceamento de cargas foi feita também uma tela especifica, mostrada na figura 8.5. Nela é mostrada a corrente em cada fase, a corrente media ideal e o grau de desbalanceamento.

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