Automação, Modelagem, Controle e Simulação da Estação de Tratamento de Água Hengstey

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1 Automação, Modelagem, Controle e Simulação da Estação de Tratamento de Água Hengstey Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso Marcelo De Lellis Costa de Oliveira Florianópolis, outubro de 2006

2 Automação, Modelagem, Controle e Simulação da Estação de Tratamento de Água Hengstey Marcelo De Lellis Costa de Oliveira Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Dipl.-Ing. Marc Kuchenbecker Orientador Empresa Prof. Marcelo Ricardo Stemmer Orientador do Curso Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Max Hering de Queiroz, Avaliador Eduardo Valim, Debatedor Rafael Gonçalves d Ávila da Silva, Debatedor

3 Agradecimentos Nada no mundo se alcança sozinho, de forma isolada. Assim, o trabalho aqui apresentado não poderia ter sido realizado sem a participação direta e indireta de muitas pessoas, amigos, familiares, professores, os quais através dos anos de convivência e ensinamento, ou mesmo nas mais pequenas contribuições, colaboraram para a consolidação e sucesso deste projeto de fim de curso. Primeiro eu gostaria de agradecer ao meu pai Alvaro e à minha mãe Rejane, com cujo amor e apoio incondicional pude contar desde a mais tenra idade. Nunca mediram esforços para ofertarem-me as melhores oportunidades de estudo e aprendizado, não só acadêmicas, mas de vida. Antes de tudo foram meus melhores amigos, sempre foram meus maiores incentivadores, desde os brinquedos de criança até esta experiência de engenharia no exterior. Tudo lhes devo. Muito obrigado pai e mãe, isto é para vocês. Imprescindível foi a participação de meus companheiros de jornada acadêmica, que com o tempo se tornaram muito mais que companheiros, mas sinceros amigos. Com eles aprendi muito. Em especial agradeço ao meu colega Adriano Bess por apresentar-me a oportunidade de estágio no Laboratório de Automação Industrial (LAI) do Departamento de Automação e Sistemas (DAS), além dos ensinamentos em programação e software. Ao meu colega Renato Leal, lhe agradeço profundamente pela oportunidade deste projeto de fim de curso na empresa GreyLogix, na Alemanha, além dos frutos que se seguem. Ao meu professor José Cury, agradeço pelos ensinamentos e incentivo no estudo de Sistemas a Eventos Discretos, além de seu especial companheirismo. Agradeço muito a todo o apoio e dedicação de meus colegas na GreyLogix. Em especial sou muito grato a Lars Malter, Gerd Witzel e Matthias Buch, pela estrutura que me ofereceram de sua empresa, pela oportunidade de visita à feira de Hannover e acomompanhamento in loco do projeto, além da confiança em mim depositada para os planos futuros. À Stephanie Blank, muito obrigado pelo planejamento e apoio burocrático do meu projeto na empresa e estadia na Alemanha. Aos meus colegas de projeto, em especial ao meu orientador Marc Kuchenbecker, sou grato por toda a disposição e paciência no ensinamento sobre as ferramentas de desenvolvimento Simatic-Siemens, além do auxílio no aprendizado da língua alemã. i

4 Sou especialmente grato à toda minha família pelo apoio nesta jornada, pelo amor, companheirismo e amizade profundos que sempre nutrimos. Ainda que a faculdade tenha nos distanciado geograficamente, nos aproximamos ainda mais. Muitas vezes deixamos de nos reunir em prol dos compromissos acadêmicos. Em especial agradeço aos meus avós paternos Mirocem e Maria, pelo exemplo de trabalho, seriedade e dedicação que sempre me apresentaram. Aos meus avós maternos Miguel (In Memoriam) e Evanir, por todo o apoio e carinho sinceros com os quais pude contar por todos estes anos, assim como à minha dinda Rosane e à minha irmã Aline. Por último, agradeço aos meus amigos que me acompanharam por toda esta importante etapa, tornando o cotidiano mais fácil e descontraído. A todos, sou muito grato. Graças a Deus. ii

5 Resumo O trabalho aqui apresentado foi realizado no âmbito do projeto de automação e controle da estação de tratamento de água (ETA) Hengstey, no município de Hagen, Alemanha. No momento da apresentação deste relatório o projeto ainda encontrase em desenvolvimento, com duração estimada em pelo menos um ano e meio, de maneira que neste documento constam os resultados parciais obtidos nos seis meses de duração das atividades deste aluno, entre fevereiro (início do projeto) e agosto de Essencialmente trata-se de um projeto de retrofitting, através do qual toda a infra-estrutura de hardware é renovada e as diversas partes da planta são integradas através da implantação de um sistema supervisório. Além disso, um modelo de infiltração e distribuição da água no subsolo foi elaborado, o qual não existia de maneira formal até o momento, permitindo uma melhor sistematização e controle da etapa de purificação da água no lençol freático. Outra colaboração relevante do aluno foi na elaboração de uma simulação geral da planta, com a qual pôde-se testar diversas situações de demanda de água e verificar o comportamento dos módulos, auxiliando no processo de ajuste de seus controladores. O projeto foi desenvolvido utilizando produtos Siemens da linha Simatic, tais como controladores lógico-programáveis (CLPs) das classes S7-300 e S7-400, switches Ethernet com suporte à fibra-óptica, painéis de controle para operação in loco e integração com os CLPS, computadores de arquitetura IBM-PC, entre outros. As principais ferramentas de desenvolvimento (software) foram as aplicações da suíte PCS7 para programação de CLPs e demais componentes do nível de campo e o ambiente de desenvolvimento do sistema supervisório (SCADA) WinCC. Três protocolos de redes industriais foram empregados: Profibus, MPI e Ethernet (wireless, fibra-óptica e par-trançado). Em suma, as atividades desenvolvidas abrangeram diversas disciplinas do curso de graduação em Engenharia de Controle e Automação Industrial da UFSC, em especial: Informática Industrial (CLPs, sistemas SCADA, programação C), Modelagem e Controle de Sistemas Automatizados (sistemas a eventos discretos, autômatos, grafcets), Avaliação de Desempenho de Sistemas (indicadores de desempenho, modelos de simulação) e Redes para Automação Industrial (Ethernet, Profibus). iii

6 Abstract The work presented in this document was realized in the scope of the automation and control project for the Hengstey water treatment station (ETA) in the city of Hagen, Germany. At the moment of presentation of this report the project is still in development, with a total estimated duration of one and a half year, so that hereby will be presented the partial results obtained by the student between the months of February (project s beginning) and August, Essentially it consists of a retrofitting project, whereby all the hardware infrastructure is renewed and all the parts of the plant are integrated by means of a supervisory system. Moreover, an infiltration and subsoil water distribution model was elaborated, one that so far did not exit in a formal way, making it possible a better systematization and control of the water purification stage through the underground. Another relevant colaboration from the student took place on the creation of an overview simulation of the water station s operation, wherewith one can test several water demand circumstances and verify how each one of the modules respond to that, helping in the process of adjusting their controllers. The project was developed using Siemens (Simatic line) products, such as programmable logical controllers (PLCs) from classes S7-300 and S7-400, Ethernet switches with optic fiber support, control panels for in loco operation and integration with PLCs, IBM-PC computers, among others. The main development tools (software) utilized were the applications from the PCS7 suite for PLC and correlated field devices programming and the development environment for the WinCC supervisory system (SCADA). Three industrial network protocols were used: Profibus, MPI and Ethernet (wireless, optic fiber and twisted-pair). In summary, the developed activities covered several subjects of the Engineering of Control and Automation s UFSC graduation course, specially: Industrial Informatics (PLCs, SCADA systems, C programming), Modelling and Control of Automatized Systems (discrete-event systems, automata, grafcets), Evaluation of Systems Performance (performance indicators, simulation models) and Networks for Industrial Automation (Ethernet, Profibus). iv

7 Sumário 1 Introdução 1 2 Descrição do Processo Etapas do Tratamento Tratamento de Água Residual Filtragem pelo Subsolo Poços Artesianos e de Captação Fornecimento de Água Tratada Especificações de Projeto Tecnologia Empregada Industrial Ethernet Fieldbus Profibus Controladores Lógico-Programáveis S Estações ET PCS7: Sistema de Controle de Processos Programação direta em Blocos Bausteine Programação em Diagramas Pläne Programação em SCL Quellen WinCC: Sistema SCADA Introdução WinCC Windows Control Center Modelagem da Planta Reservatórios de Água v

8 4.2 Interação entre Reservatórios Subterrâneos Drivers para Atuadores Motor On-Off Válvula Simples Válvula de Posicionamento Intermediário Sistemas de Controle e Automação Controlador Discreto de Nível Controle do Reservatório Superior Controle do Reservatório de Água Tratada Distribuição de Água nas Piscinas Mecanismo de Previsão de Demanda Tratamento de Água Residual Simulação e Resultados Metas e Indicadores de Desempenho Parametrização Simulação de Demanda Normal Teste de Capacidade de Resposta Conclusões e Perspectivas 70 Bibliografia 74 vi

9 Capítulo 1: Introdução A água no planeta Terra encontra-se em um constante ciclo de chuvas e evaporação e não é um recurso finito como o petróleo ou gás natural. A água não é verdadeiramente consumida, ainda que a linguagem corriqueira assim sugira: ela é simplesmente usada e então reingressa ao ciclo [1]. Dados obtidos do Ministério de Meio-Ambiente, Conservação da Natureza e Segurança Nuclear (BMU [2]) da Alemanha apresentam o país como um dos que possuem os mais abundantes reservatórios de água. Cerca de 3% da água disponível é utilizada para o fornecimento de água potável. Mais de dois terços da água potável provêm de lençóis subterrâneos. A água não é um produto comercial como qualquer outro, mas sim uma herança que deve ser protegida, defendida e tratada como tal... A citação acima foi extraída do documento de Diretivas Européias para Manipulação de Água [3]. O BMU vem implementando políticas segundo estas diretivas, concentrando-se fundamentalmente na manutenção e restabelecimento do equilíbrio ecológico de aquíferos, na garantia do suprimento de água potável e na providência de instrumentos legais a longo prazo que garantam a utilização de água em prol do benefício público. Não somente o fornecimento, mas o tratamento da água residual dos processos industriais e consumo residencial é alvo de tais políticas, em especial na prevenção da poluição de reservatórios subterrâneos e superficiais com substâncias ofensivas, tóxicas e/ou orgânicas persistentes, assim como metais pesados, reduzindo a inserção destes agentes poluidores nos mares do Norte e Báltico. De fato, este documento de diretivas somente veio a formalizar uma atitude responsável e concreta que a Alemanha vem assumindo cada vez mais a de agregar ao desenvolvimento sócio-econômico a sustentabilidade ambiental. As atividades e requisitos técnicos relacionados à captação, tratamento, armazenamento e distribuição no âmbito de água potável são executados por aproximadamente 6 mil e 700 companhias em toda a Alemanha. Elas operam aproximadamente 18 mil plantas de captação, que por sua vez fornecem água a 98,9% da população. Anualmente as residências da cidade de Hagen consomem aproximadamente 12 milhões de metros cúbicos por ano de água potável. Para preservar e garantir o alto 1

10 padrão de qualidade da água fornecida, a empresa Mark-E, responsável pela operação e manutenção da ETA Hengstey, está investindo 19 milhões de euros em um vasto programa de retrofitting (modernização) da planta Hengstey e Haspe, ambas abastecedoras de Hagen. Este grande investimento é motivado, entre outras razões, pela busca de uma considerável economia de energia atribuída principalmente ao aumento da eficiência da planta através da renovação do hardware e da automação inteligente. As atividades de acionamento, sensoriamento, controle e automação foram delegadas à empresa GreyLogix. A figura 1.1 apresenta a localização geográfica da planta e da empresa. Figura 1.1: Localização geográfica da ETA Hengstey e da GreyLogix, na Alemanha. A empresa GreyLogix GmbH originou-se do departamento especializado de automação, criado pela HGC Hamburg Gas Consult GmbH, em Em 1 o de abril de 2000 o departamento tomou independência, com a fundação oficial da empresa sob comando acionário da HGC. Aliadas à GreyLogix GmbH existem hoje as subsidiárias GreyLogix Aqua e GreyLogix DrinkTek, as quais oferecem soluções industriais especializadas em tecnologia de automação. Atualmente o grupo GreyLogix, cuja matriz encontra-se na cidade de Flensburg, dispõe de um grupo de 180 colaboradores altamente motivados e qualificados, e conta com filiais em Hamburg, Berlin, Brunsbüttel e Gelsenkirchen, todas na Alemanha, realizando projetos inclusive no exterior. Além disso, a empresa atua hoje com a perspectiva de se instalar também no mercado 2

11 brasileiro e latino-americano. Os principais setores nos quais a GreyLogix realiza seus projetos de automação são o de gás natural, tecnologia de calor (e.g. plantas de vapor), fornecimento de água potável e tratamento de esgoto e água de rejeito industrial, usinas de energia elétrica (principalmente termoelétricas), plantas de biogás, fábricas alimentícias, indústrias de papel, e empresas de logística. A maioria dos projetos conta com a implantação de sistemas supervisórios para a integração dos diversos setores da planta trabalhada. A empresa concentra as atividades de elaboração do projeto de automação e controle através da configuração, programação e instalação de equipamentos, na maioria da Siemens, tais como CLPs, PCs, sensores e atuadores em geral. Um projeto geralmente envolve equipes de hardware responsável pela listagem de sinais da planta, e montagem dos equipamentos e cabines de controle e de software comprometida com o desenvolvimento da lógica de controle e automação e a respectiva programação dos elementos inteligentes do projeto, como os CLPs. Durante a fase de testes e implantação dos sistemas projetados, representantes das duas equipes são levados à planta para a sua realização. Em projetos relativamente maiores, como o da ETA Hengstey, a tarefa de instalação do hardware foi terceirizada, possibilitando à GreyLogix concentrar-se na principal tarefa, a de elaborar a programação da integração, controle e automação da ETA. Pelo deferimento do certificado Simatic Solution Provider and WinCC Professional à GreyLogix, o grupo empresarial Siemens AG confirma a alta competência da empresa na utilização de software e hardware da família Simatic, especializada em automação industrial. 3

12 Capítulo 2: Descrição do Processo A ETA Hengstey é dividida simplificadamente em sete módulos: (1) captação de água bruta, (2) filtragem rápida, (3) tratamento de água residual, (4) filtragem pelo subsolo, (5) poços artesianos e de captação, (6) torre de reação e (7) fornecimento de água tratada. Dentre estes, o aluno atuou diretamente na programação dos módulos 3, 4, 5 e 7. A figura 2.1 apresenta um esquema simplificado do processo de tratamento de água [4] na ETA Hengstey através de seus módulos. Figura 2.1: Esquema simplificado do processo de tratamento de água e módulos. 2.1: Etapas do Tratamento A água bruta é captada do lago Hengstey pelo módulo 1, o qual faz o controle do volume de água captada através de suas comportas. Normalmente não é necessário o bombeamento e a condução da água se dá pela força gravitacional por uma tubulação de 600m até o módulo 2. Antes da filtração rápida à água é adicionado policloreto de alumínio (A l n(oh)mc l (3n m)) como elemento floculante, de modo a incrementar a eficiência da filtração. Após, lhe é insuflado oxigênio (O 2 ) atmosférico para repor as perdas deste elemento, como consequência do processo de filtração. 4

13 A água então pré-purificada e enriquecida com oxigênio chega ao subsolo através das piscinas de infiltração lenta (módulo 4). Através desta filtração lenta com areia a água é biologicamente purificada: substâncias orgânicas são parcialmente convertidas através da ação de bactérias (oxidação) em dióxio de carbono (CO 2 ) e água (H 2 O), sendo que através de outras bactérias amônia (NH 3 ) e nitritos (NO 2 ) são oxidados a nitratos (NO 3 ) nitrificação. A recuperação da água do subsolo artificialmente enriquecida ocorre por meio de 81 poços artesianos, que são conectados através de 6 galerias a 3 poços de captação (módulo 5). Cada poço artesiano conecta-se somente a um poço de captação por meio de uma galeira. A água que sai destes poços é desinfetada com óxido de cloro (Cl 2 O). Como um passo posterior de tratamento, lhe é adicionada uma mistura de mono e polifosfato (P O 3 4 ), de maneira a garantir um grau suficiente de proteção à corrosão na tubulação à jusante. Na torre de reação (módulo 6) a água é neutralizada (deacidificação) com adição de soda cáustica (NaOH); além disso, ali ar lhe é novamente insuflado, para enriquecer a água com oxigênio. A torre é ligada a um reservatório, do qual através de bombas hidráulicas a rede de distribuição de água potável é alimentada. Entretanto, antes do bombeamento ocorre uma desinfecção com adição de cloro (Cl 2 ). A água resultante do processo de limpeza dos filtros rápidos, antes de ser devolvida ao rio, é tratada e limpa no módulo de tratamento de água residual (2), através de processos de decantação de partículas em suspensão e pela filtragem da água em filtros de areia dinâmicos (Dynafilter), de modo a garantir os valores mínimos de pureza da água a ser devolvida ao meio-ambiente. Após a finalização do projeto de retrofitting a ETA será capaz de operar em condições normais praticamente de forma automática total, com protocolamento dos dados de processo através do sistema supervisório. Entretanto, em qualquer etapa do processo de tratamento podem ocorrer intervenções manuais de controle, quando desejáveis e/ou necessárias. A ETA Hengstey possui uma capacidade atual de fornecimento de até 2500m 3 /h de água potável. A seguir descrevem-se em maiores detalhes os módulos nos quais o aluno atuou diretamente. 5

14 2.2: Tratamento de Água Residual Este módulo realiza o tratamento da água produto do processo de limpeza dos filtros rápidos antes da sua reinserção ao meio-ambiente. Consiste essencialmente de dois tanques de decantação, dois tanques de compressão, um reservatório de água poluída (RP) e três filtros de areia Dyna, conforme apresentado esquematicamente na figura 2.2. Figura 2.2: Esquema do módulo de tratamento de água residual. A água turva proveniente do módulo de filtragem rápida é inserida inicialmente em um reservatório de entrada, de onde pode ser direcionada para um dos dois tanques de decantação através de suas respectivas válvulas à montante T V m. Lá ocorrem a floculação e decantação das partículas de impurezas. A lama resultante é concentrada através dos limpadores T L l na parte mais profunda do reservatório, onde encontram-se as bombas de água lamaçenta T B a, as quais a enviam para os tanques de compressão, onde a lama é comprimida para ser desidratada e poder ser removida como material sólido da planta. Antes e depois do processo de densificação da lama ocorre uma medição do nível de turbidez 1 da água, com fins de monitorar a eficiência e qualidade deste processo. A água que sai dos tanques de decantação através das válvulas à jusante T V é conduzida para o RP, onde encontram-se três bombas Bp que realizam o bombeamento da água para os filtros de areia Dyna. Após o tratamento neste filtros a água 1 Medida da dificuldade de um feixe de luz atravessar uma certa quantidade de água. A turbidez é causada por matérias sólidas em suspensão, como argila, colóides e matéria orgânica. 6

15 despoluída pode finalmente ser devolvida ao rio, e a água ainda não suficientemente despoluída é reinserida no reservatório de entrada para novo tratamento. Os tanques de decantação e compressão possuem sensores de ultra-som para medição de nível. Ao RP chega uma tubulação, controlada pela válvula V b, de água proveniente do lago Hengstey. Durante o inverno, quando a temperatura é suficientemente baixa para o congelamento da água em tratamento nestes tanques ao ar livre, a introdução de água com temperatura mais amena do lago (ao menos 4 o C) colabora para evitar o congelamento. 2.3: Filtragem pelo Subsolo Este módulo é composto de 10 piscinas de infiltração, cada qual com uma válvula controladora da vazão de entrada. A água provém do módulo de filtragem rápida, de modo que toda a água fornecida tem de ser distribuída pelas piscinas, de acordo com o grau de abertura das válvulas. A área média das piscinas é de 4442m 2 e o nível máximo admissível é de 1, 80m, entretanto na prática o nível máximo operado é de 1m. Tem-se também o lençol freático, com um nível de saturação de aproximadamente 5m, o qual é dividido em três reservatórios subterrâneos, de acordo com as galerias de poços artesianos (e poços de captação) aos quais estão conectados. Cada poço artesiano é acompanhado por um pequeno canal paralelo para medição do nível do lençol no local. A figura 2.3 apresenta um esquema deste módulo. Considera-se Bec o indicador de piscina de infiltração, Gal o de galeria de poços artesianos e Br indica os poços de captação. Segundo a experiência dos operários da planta, as setas indicam qual a rede de galerias (portanto reservatório subterrâneo) na qual a água infiltrada das piscinas será recuperada. A figura também apresenta a localização geográfica do módulo de filtragem rápida (SFA) e de tratamento de água residual (SWB). O reservatório subterrâneo 1 possui uma área total de cerca de m 2, o reservatório 2 dispõe de m 2, e o 3 é o menor de todos, com uma área de 65000m 2. 7

16 Figura 2.3: Esquema (vista aérea a 930m) do módulo de filtragem pelo subsolo. 2.4: Poços Artesianos e de Captação Os poços artesianos recuperam a água do solo e a conduz através de galeria até um poço de captação. O poço de captação 1 recebe água da galeria C (17 poços artesianos), E (8), F (12) e G (8 poços); o poço de captação 2 é conectado às galerias A (15 artesianos) e B (8); já o poço 3 está conectado apenas à galeria D com 13 artesianos. A água é extraída dos poços artesianos através de vácuo criado nas galerias por duas bombas de vácuo Bv instaladas no poço de captação. Quando em operação, cada uma dessas bombas produz aproximadamente 900m3 /h de vazão de entrada no poço. Por outro lado, a água é fornecida do poço para o reservatório de água tratada através de um conjunto de três bombas centrífugas Bc, cada qual com uma vazão nominal de 700m3 /h. A figura 2.4 contém um esquema do poço de captação. Uma vez atingido o nível de disparo no reservatório de vácuo (RV), a válvula Va é fechada, as válvulas direcionais V d conectam as galerias ao RV e ao menos uma bomba de vácuo Bv é ligada; após algum tempo o nível no RV terá atingido o 8

17 Figura 2.4: Esquema de um poço de captação. de desligamento, portanto as Bvs são desligadas, V a é aberta e as V ds passam a conectar o RV ao poço, liberando a água para o poço de captação. 2.5: Fornecimento de Água Tratada Este módulo consiste de um reservatório de água tratada (RT), 6 bombas centrífugas P movidas a motor elétrico e uma movida a motor diesel (emergencial). Nem todas as bombas possuem vazões iguais e estão na mesma casa de máquinas, podendo então serem organizadas nos grupos das tabelas 2.1 e 2.2. Subgrupo Bombas Vazão (m 3 /h) A P1 P B P2 P3 600 C P5 P Tabela 2.1: Bombas de água tratada agrupadas segundo vazão. As bombas centrífugas retiram água do RT e a deposita no reservatório superior (RS), ao qual está conectada a rede de distribuição de água potável da cidade. 9

18 Subgrupo I II III Bomba P1 P2 P3 P4 P5 P6 Tabela 2.2: Bombas de água tratada agrupadas segundo lugar. 2.6: Especificações de Projeto Os seguintes comportamentos e implementações mais relevantes para cada um dos módulos previamente descritos devem ser atingidos. Aqui não convém apresentar detalhes sobre os modos de operação dos equipamentos, por serem demasiados. 1. Tratamento de água residual: sequenciamento de atividades para o funcionamento automático do processo de floculação e limpeza dos tanques de decantação nos modos normal, rápido e anti-congelamento. Operação automática dos filtros de areia Dyna segundo o nível do RP, com atuação sobre as bombas de água poluída Bps. Intertravamento deste módulo com o de filtragem rápida; 2. Filtragem pelo subsolo: algoritmo de distribuição de água para os grupos de piscinas de infiltração segundo o nível dos reservatórios subterrâneos; modelo de infiltração no subsolo. Controle do nível do lençol freático; 3. Poços artesianos e de captação: controle do nível dos poços de captação. Acionamento das bombas Bc segundo política de revezamento (tempo de operação); 4. Fornecimento de água tratada: controle do nível do RT. Acionamento das bombas P segundo política de revezamento, com possíveis restrições de operação por lugar duas bombas de uma mesma casa de máquinas não podem operar simultaneamente e/ou por capacidade duas bombas de mesma vazão nominal não podem operar simultaneamente. Controle do nível do RS; 5. Mecanismo de previsão de demanda e de compensação do atraso de transporte entre produção (liberação) de água por parte do módulo de filtragem rápida e reação do nível do lençol freático; 6. Integração entre os diversos setores da ETA por meio de sistema supervisório (SCADA), com o maior nível possível de interação entre usuário do SCADA e a planta. 10

19 Capítulo 3: Tecnologia Empregada Tendo em vista a apresentação sintetizada da planta no capítulo 2, e antes de abordarem-se as técnicas de controle e automação utilizadas no projeto, convém primeiro uma apresentação das principais tecnologias de hardware utilizadas. A figura 3.1 apresenta um esquema dos CLPs, PCs, dispositivos de campo e rede e de suas conexões projetados para a ETA Hengstey. Figura 3.1: Esquema dos dispositivos de campo, rede, CLPs e PCs projetados para a ETA Hengstey. Comparando a estrutura da figura 3.1 com a de um sistema de manufatura integrada por computador (CIM), podem ser identificados três níveis de integração, cujas redes correspondentes serão abordadas nas seções a seguir. Nível de Campo Corresponde ao patamar inferior, ou chão de fábrica da ETA, constituindo-se das redes Profibus entre os CLPs S7-400 e seus respectivos S7-300; Nível de Processo Trata-se da camada intermediária de integração, correspondendo ao anel de processo; 11

20 Nível de Gerência É o patamar mais alto da hierarquia correspondendo ao anel terminal onde os sinais da planta são trabalhados e compilados em informações de maior significado para o administador/operador da planta. CIM pode ser resumida em uma filosofia de integração de hardware e software procurando atingir maiores níveis de automação fabril/empresarial. A chave para o sucesso de uma implementação baseada em CIM reside na compatibilidade de comunicação entre os elementos computadorizados e comunicáveis da rede; eis o grande desafio. Ainda que padrões de comunicação existam, nos diferentes níveis de integração padrões adequados e por isso distintos são utilizados, o que requere elementos tradutores chamados gateways nas interfaces de integração. Dois tipos de protocolos de redes industriais foram largamente utilizados no âmbito deste projeto: (Industrial) Ethernet e Profibus-DP. Um terceiro protocolo também foi empregado significativamente, o MPI Interface Multi-ponto, em inglês; trata-se de um padrão proprietário da Siemens para a linha de equipamentos S7, destinado à conexão entre PGs (dispositivos de programação, como PCs), OPs (dispositivos de operação, e.g. painéis de operação), CLPs, entre outros. O protocolo MPI é baseado na norma EIA-485 (o antigo padrão RS-485) e opera em uma taxa de transferência de até 12M bps. No projeto da ETA Hengstey, esta interface foi utilizada na conexão entre os painéis de operação e seus respectivos CLPs. Na sequência, descrevem-se os principais protocolos de redes, ferramentas e hardware empregados. 3.1: Industrial Ethernet O protocolo Ethernet [5] (IEEE 802.3), concomitantemente com sua variante Industrial Ethernet, foi empregado para o estabelecimento da comunicação entre os PCs da planta (servidores e clientes do SCADA) e os CLPs da classe S Segundo [6], a diferença fundamental entre Industrial Ethernet e Ethernet consiste no tipo de hardware utilizado. Em Industrial Ethernet os equipamentos são projetados para operar sob condições adversas como altas temperaturas, choques e vibrações; por isso contêm componentes mais robustos, refrigeração forçada com cooler, entre outros. Cada estação (ponto) da rede possui um switch Scalance X para a formação de anéis lógicos redundantes de comunicação sobre Ethernet. A vantagem 12

21 de se usar switches já é bem sabida: redução no número de colisões de pacotes quando os caminhos entre dois pares de emissor-receptor são distintos. Não obstante, sabe-se que o protocolo IEEE é de barramento, com broadcast e não forma um anel contínuo (como o Token Ring IEEE 802.5), caso contrário os pacotes poderiam permanecer circulando na rede por um tempo maior que o necessário, ocasionando desnecessárias colisões. De fato, o switch gerenciador de redundância posicionado entre as terminações virtuais do barramento não fecha um anel, porém monitora se o barramento está ativo em ambos os lados. Em caso de interrupção em um dos lados, o Scalance chavea (em 0, 3s após a detecção de interrupção) as duas terminações, recompondo a continuidade do barramento. Em caso de recuperação do barramento original, o switch volta a desconectar as terminações. A figura 3.2 ilustra o funcionamento do anel lógico em protocolo Ethernet. Figura 3.2: Anel lógico Ethernet com gerenciador de redundância. Dois anéis lógicos são formados com Ethernet. O principal objetivo na separação em dois anéis está na distinção entre equipamentos de campo e de gerência, o que define o fluxo de dados típico em cada um dos anéis: 1. Anel terminal: ao qual se conectam os terminais do SCADA, tais como os PCscliente, PC-servidor (e redundante) e impressoras de relatórios do SCADA. O 13

22 gateway desta rede é a interface de rede Ethernet do PC-servidor. Caracterizase por pacotes maiores com intervalos entre envios também maiores (pequena periodicidade); 2. Anel de processo: ao qual se conectam os CLPs da classe S7-400, que por sua vez alimentam periodicamente o servidor do SCADA com as variáveis de processo e recebem comandos dos PCs-cliente do anel terminal. Naturalmente, o gateway desta rede é também o PC-servidor, com a interface de rede sendo o cartão Siemens CP1613 (Industrial Ethernet). Devido a limitações estruturais (distâncias e cabeamento) um PC-cliente foi conectado a este anel, tratandose de uma exceção à organização proposta. Aqui os pacotes são um pouco menores, com uma periodicidade maior nas suas trocas. 3.2: Fieldbus Profibus Criado pela Siemens, fieldbus Profibus [7] é definido como sendo um protocolo de comunicação essencialmente para o nível de campo 1 em ambiente industrial, de acordo com o padrão EN , com a técnica de acesso ao meio híbrida Token Bus (IEEE 802.4) e Mestre-escravo. O meio físico pode ser elétrico (par-trançado, coaxial), fibra-óptica ou wireless. A topologia pode ser de barramento (bus) ou árvore estruturada com uso de repetidores. As velocidades de transmissão variam entre 9, 6Kbps, com alcançe de 1Km, a 12Mbps, com alcançe de 100m. A figura 3.3 ilustra o princípio de funcionamento deste protocolo. A grande vantagem do Fieldbus (neste caso Profibus) é a inocorrência de colisões entre pacotes, os quais são pequenos se comparados aos do padrão Ethernet o que possibilita pequenos períodos de varredura, permitindo o controle de sistemas dinâmicos com pequenos períodos de amostragem. Na ETA Hengstey foi utilizada a variante Profibus-DP com cabo coaxial e conectores RS-485 e também fibra-óptica, com o uso do módulo de link óptico OLM. O uso da fibra-óptica permite segmentos com até 12Km de comprimento, além das vantagens de isolação elétrica entre nodo e meio de transmissão e ausência de interferência eletromagnética, entre outras. A topologia empregada foi somente (bus). Cada CLP S7-300 é escravo em um barramento Profibus, cujo mestre é um CLP S Em muitos casos usam-se modems (M) ou os módulos OLM para alterar o meio de trans- 1 Principalmente para interligação dos dispositivos de controle (e.g. CLPs), sensores e atuadores. 14

23 Figura 3.3: Princípio de funcionamento do protocolo Fieldbus Profibus. missão, possibilitando aumentar a relação velocidade de transmissão/comprimento do meio. Geralmente os CLPs S7-300 ficam com o acionamento de motores e válvulas e o tratamento de sinais propriamente dito, recebendo e enviando instruções de mais alto nível para os mestres S7-400, os quais possuem as lógicas de sequenciamento de atividades e tarefas de supervisão. Pode-se interpretar os CLPs S7-400 como sendo os gateways entre as redes Profibus e o anel de processo Ethernet. 3.3: Controladores Lógico-Programáveis S7 Os CLPs [8] surgiram no final da década de 1960, sob a necessidade de se dispor de um dispositivo que eliminasse os altos custos envolvidos na troca de complexos sistemas de controle à base de relés. A empresa Bedford Associates propôs o Controlador Digital Modular (Modular Digital Controller MODICON), o qual se destacou perante a outras arquiteturas propostas e consequentemente foi o primeiro CLP a ser produzido comercialmente. Estes novos controladores tinham de ser facilmente programáveis pelas equipes de manutenção e engenharia, o período de vida-útil deveria ser suficientemente maior que o dos sistemas com relés, além de que deveriam resistir às condições de operação do ambiente industrial. Estes requisitos motivaram a implementação da difundida lógica ladder com a qual a grande maioria dos trabalhadores estavam familiarizados e a substituição das partes mecânicas (relés) por elementos eletrônicos de estado-sólido. 15

24 Atualmente os CLPs incorporam funções que vão muito além da tradicional lógica de contatos booleana, cuja função era praticamente a única dos CLPs primitivos. Hoje estes dispositivos comunicam-se em vários tipos de redes e protocolos, possuem diversas formas de programação, assim como uma gama de periféricos que podem lhes ser acoplados [9]. Em suma, aproximam-se cada vez mais do conceito de PC industrial, no sentido em que apresentam equiparáveis robustez ao ambiente industrial e capacidades de processamento e comunicação. Apesar da capacidade intrínseca muito menor de armazenamento de dados, apresentam uma grande vantagem em relação aos PCs industriais: pequenos ciclos de varredura com mecanismos fáceis e eficientes de interrupções, com possibilidade de ciclos com tempos máximos rigorosamente definidos, ou seja, são os dispositivos mais apropriados para operações com tempo-real no meio industrial. Foram utilizados ao todo 18 CLPs S7-300 e 16 CLPs S A escolha entre estas duas classes da linha Simatic Siemens baseou-se em estimativas do tamanho do programa a ser desenvolvido, interfaces disponíveis, capacidades de programação e memória e previsão de reservas para futuras manutenções/retrofittings. No entanto, não coube ao aluno fazer as especificações de hardware, mas ao engenheiro-chefe da equipe, com a experiência necessária para tal tarefa. As principais características dos CLPs empregados neste projeto são apresentadas a seguir: Memória de trabalho: corresponde à memória RAM dos PCs, ou seja, é utilizada para o processamento das instruções pelo processador. Não é expansível. S DP: 64kB integral; S DP: 700kB p/ programa e 700kB p/ dados; Memória de carga: corresponde ao disco-rígido dos PCs, armazenando toda a programação contida no CLP, por tempo indeterminado. S DP: 96kB RAM não-expansível e FEPROM 2 até 4MB; S DP: 256kB RAM expansível a 16MB e FEPROM até 64MB; Tempos de processamento (mínimos): S DP: p/ instruções com bit 0, 3µs, word 1µs, double-integer 2µs e floating-point 50µs; S DP: p/ instruções com bit, word e double-integer 0, 06µs, floating-point 0, 18µs; Capacidade de blocos: números e tamanhos máximos dos blocos 3. S Flash Erasable Programmable Read Only Memory. 3 Componentes fundamentais do programa de um CLP Siemens, são abordados na seção

25 DP: 255 DBs de até 16kB cada, OBs de até 16kB, 192 FBs e FCs cada de até 16kB; S DP: 4095 DBs de até 64kB, OBs de até 64kB, 2048 FBs e FCs cada de até 64kB; Os CLPs da linha Simatic Siemens contêm uma lista com sequência de execução de blocos de instruções (funções: FBs e FCs); por sua vez, estas funções podem estar localizadas dentro de grupos de execução, os quais encontram-se dentro de um ou mais OBs (blocos de organização). OBs são como a função main em programação C. A sequência de processamento do programa inicia-se nos OBs. OBs são executados sob circunstâncias distintas; exemplo: execução cíclica normal de varredura (OB1), em caso de interrupção no fornecimento de energia (OB81), em caso de falha em cartão de entrada-saída (OB84), etc. A prioridade de execução dos OBs cresce com o seu número, ou seja, um OB de número maior pode preemptar (interromper) a execução de outro de número menor. Exemplo: OB1 está em execução e ocorre uma interrupção de timer para a execução do OB35 (Weckalarm, que pode conter instruções do programa do usuário); então a próxima instrução do OB1 a ser executada é armazenada na pilha do processador e as instruções do OB35 são executadas. Ao final, as instruções pendentes do OB1 são executadas e, ao término destas, o ciclo de execução do CLP é finalizado com a atualização dos sinais de saída. A figura 3.4 ilustra o esquema de funcionamento dos CLPs da Siemens empregados neste projeto. T i é o tempo inicial do ciclo e T f o tempo final. A fatia Operating system corresponde à execução do sistema operacional, como cópia da imagem das interfaces de entrada/saída, instruções de comunicação, diagnóstico, etc. Na fatia User program está a programação realizada pelo usuário. É interessante notar que, nesta arquitetura, qualquer OB (salvo OB1) que seja invocado inclusive durante o intervalo de leitura de entradas (PII início do ciclo) e/ou escrita de saídas (PIO final do ciclo) irá preemptar o intervalo em questão. Como consequência das características dos OBs, existem basicamente dois conceitos de programação de um CLP Siemens, sob a perspectiva temporal: 1. Programação assíncrona (ou cíclica): ocorre como consequência da programação do usuário somente no OB1. O tempo do ciclo é sempre o menor possível, ou seja, assim que terminar a última instrução e a escrita nos sinais de saída, um novo ciclo de execução inicia-se; 17

26 Figura 3.4: Ciclo de funcionamento de um CLP S7 Siemens. 2. Programação síncrona: empregada para aplicações que exigem períodos bemdefinidos e imutáveis para início da execução de instruções, consegue-se com a utilização dos Weckalarme (OBs 30 a 38), Uhrzeitalarme (OBs 10 a 17), etc. Para tal, define-se um período de lançamento P v tal que P v > T e, onde T e é o tempo necessário de execução do OB síncrono em questão. Na prática define-se P v 10T e, de maneira a evitar uma dominância excessiva do OB no escalonador do sistema operacional do CLP. Devido justamente à possibilidade de ocorrências de interrupções durante um ciclo de varredura, tem-se que T t = T f T i = T c + T s é o tempo total para execução das instruções em um ciclo, sendo T c o tempo de execução das instruções cíclicas e T s o tempo de execução das instruções síncronas. Não obstante, 0 T s K, onde K > 0 é o tempo máximo para execução de todas as instruções síncronas em um ciclo, o que é na maioria das vezes altamente improvável. Com T s = 0 obtém-se o tempo mínimo de ciclo de varredura, e com T s = K garante-se o tempo máximo possível. Como consequência tem-se a garantia de operação em tempo-real dos CLPs para tempos de amostragem muito pequenos. Eis um exemplo de cálculo do tempo de ciclo para uma CPU 314 com 32 entradas digitais e 32 saídas digitais: 0, 26ms para atualização das entradas + 0, 26ms para atualização das saídas + 1ms para execução do Operating system + 1, 8ms de tempo fixo do User program + 240µs de tempo máximo de execução de interrupções do User program resulta em um tempo máximo de ciclo T max = 3, 56ms. 18

27 3.3.1: Estações ET-200 Neste projeto de controle e automação da ETA Hengstey foram utilizados cartões de entrada/saída descentralizados (desacoplados do CLP) ET-200. Sua função é simples: estabelecer a comunicação entre planta e CLP, assim como os cartões tradicionais acoplados ao controlador; entretanto a comunicação entre o ET-200 e o CLP é feita através de protocolo Profibus. O uso destes dispositivos justifica-se principalmente na redução do número de fios entre planta e CLP. Quando o número de fios (e sinais) é muito grande, distâncias não pequenas o suficiente já justificam o emprego de ET-200 para reduzir os custos com cablagem, redução da bitola de eletrodutos e diminuição das possibilidades de erro e perturbações nos sinais elétricos provenientes e destinados à planta. Um fator praticamente determinante ocorre quando as distâncias entre planta e CLP são demasiadamente grandes para o transporte dos sinais elétricos digitais e principalmente analógicos, como ocorre entre as piscinas de infiltração e uma das salas de controle, localizada no prédio do módulo de filtragem rápida, por exemplo. As distâncias, que variam entre 400m e 2000m, requerem inclusive o uso de fibra-óptica (a 12Mbps) como meio físico para o protocolo profibus entre ET-200 e CLP. Para tal conversão de meio físico usam-se acopladores OLM Siemens. O emprego destas estações e acopladores OLM pode ser visto no diagrama da figura : PCS7: Sistema de Controle de Processos PCS7 é a suíte de ferramentas da Siemens para a programação de CLPs e controladores de processos industriais, da linha Simatic. A sigla origina-se do inglês Process Control System, ou seja, Sistema de Controle de Processos. A principal aplicação é o Simatic Manager, através da qual pode-se instanciar um projeto de automação inteiro e estruturá-lo sob as perspectivas hierárquica e de hardware. Somente então inicia-se o desenvolvimento da programação dos seus componentes. Existem duas perspectivas muito importantes no projeto: a tecnológica (Technologischesicht) e a de componente (Komponentensicht), conforme ilustra a figura 3.5. Na vista de componente todos os elementos físicos (hardware) do projeto são declarados e devidamente configurados: CLPs (CPUs), cartões de expansão (ETs), 19

28 Figura 3.5: Perspectivas do sistema supervisório da ETA Hengstey: tecnológica (esq.) e de componente (dir.). painéis de operação (MPs), servidores e clientes do sistema SCADA utilizado (WinCC), redes (Profibus, Ethernet, MPI), entre outros. Por exemplo, na vista de componente da figura 3.5 verifica-se no sub-projeto Brunnen1 dois CLPs: Brunnen_1 e Einlaufb_1. A estação Brunnen_1 é composta de uma CPU DP e dois cartões de comunicação (CPs): (Ethernet) e Ext (Profibus); os quais são acoplados à CPU, que possui um diretório de programas S7 composto de três sub-diretórios: Quellen (códigos-fonte em SCL), Bausteine (blocos fundamentais do programa) e Pläne (diagramas CFC ou SFC). As programações em SCL, CFC e SFC serão abordadas mais adiante. Já na vista tecnológica é estabelecida a hierarquia entre os elementos do projeto, ou seja, a disposição e interconexão dos mesmos. Observa-se na figura 3.5 que o multiprojeto Hengstey é composto de vários sub-projetos, desde o Brunnen1 até o WinCC. Explorando a hierarquia do primeiro, nota-se que o diretório Parameter encontra-se dentro do path: Wasser Werk Filterung Brunnen Brun- 20

29 nen1. Cada diretório pode conter vários CFCs ou SFCs, porém apenas uma tela de processo, que será mapeada para o servidor do SCADA para monitoramento em PCcliente. Observa-se em ambas as perspectivas da figura 3.5 a existência de uma biblioteca (ícone de um livro azul) chamada Hengstey, com um diretório de programas S7 contendo os três sub-diretórios de programação já mencionados. Tipicamente, sempre que uma nova função deve ser incorporada à um componente processador (CPU, CP, etc) qualquer do multiprojeto Hengstey, primeiro se desenvolve esta função como componente da biblioteca, e logo então se incorpora a função ao elemento de processamento desejado. O objetivo deste procedimento é simples e óbvio: possibilidade de reutilização do mesmo código em qualquer parte do multiprojeto. A seguir serão abordados os diversos meios de programação destes elementos : Programação direta em Blocos Bausteine Por programação direta em blocos (Bausteine) entende-se o desenvolvimento de funções por edição direta de um ou mais tipos de blocos. Além dos OBs já abordados na seção 3.3, tem-se: DBs Blocos de dados. Atuam como estruturas de organização (concentração) de variáveis criadas pelo programador, ou então instanciadas automaticamente por FBs (DBs-instância); FBs Blocos de função com uso de DBs-instância. Trata-se de funções que podem ter seus parâmetros de entrada-saída armazenados em DBs-instância, de maneira a permitir com que vários FBs do mesmo tipo coexistam de forma independente com relação a seus dados. Típico exemplo: FB de um motor específico, sendo que há vários motores no processo; FCs Funções sem DBs-instância. Empregados para funções que não necessitam reter seus parâmetros de entrada-saída além do ciclo de execução atual da CPU. Todos estes tipos de blocos são armazenados em diretório Bausteine. A programação pode ser feita sob três formas visuais distintas: KOP Kontaktplan diagrama de contatos, também muito conhecido por linguagem ladder ou escada ; 21

30 FUP Funktionsplan diagrama de funções. Conexão gráfica das interfaces de blocos de função; AWL Anweisungsliste lista de instruções. Semelhante a uma linguagem assembly. A figura 3.6 ilustra os três tipos de programação direta em blocos (OBs, FBs e FCs), além da estrutura de um DB. Figura 3.6: Programação em AWL, KOP e FUP, e estrutura de um DB. A programação direta em blocos é a mais comum na linha Simatic Siemens, abrangendo as séries de CLPs S7-200, S7-300 e S É o tipo de programação utilizada nos CLPs (dois S7-200 e um S7-300) que o DAS/UFSC possui no Laboratório de Automação Industrial (LAI). Entretanto, para lógicas mais complexas do ponto de vista sequencial (tomada de decisões), ou mesmo intuitivo, pode não ser a melhor alternativa. 22

31 3.4.2: Programação em Diagramas Pläne Existem dois tipo de diagramas: CFC do inglês Continuous Flowchart e SFC do inglês Sequential Flowchart sendo que a programação com SFCs somente é possível para CPUs da linha S7-400; CFCs já podem ser programados a partir da linha S Apresenta como vantagem principal a intuitividade, pois trata-se de uma linguagem gráfica. A programação em CFC utiliza blocos gráficos de FBs, com sua interface disponível (entradas e saídas), de modo que o programador pode construir sua lógica realizando as devidas conexões. É amplamente usada para o nível mais alto de programação das CPUs, quando todos os blocos básicos já estão elaborados, restando apenas a instanciação e a elaboração da lógica de sequenciamento/acionamento dos mesmos. Um aspecto interessante deste modelo de programação é que, a priori, não se tem controle sobre o fluxo de execução das instruções em um mesmo ciclo de varredura da CPU, diferentemente da linguagem estruturada em uma programação textual (C, C++, etc). Ou seja, ainda que se tenha a topologia do diagrama, a ordem de execução entre os blocos não é necessariamente sequencial, mas definida automaticamente pela ordem de introdução dos blocos no diagrama; esta ordem pode (e muitas vezes deve) ser posteriormente redefinida pelo programador na lista de execução de instruções. Já a programação em SFC é ideal para tarefas de sequenciamento de atividades. Em sua essência, um SFC é uma Rede de Petri binária, com todas as chamadas boas propriedades que permitem a sua reinicalização, com um grafo de marcações acessíveis (estados) limitado, etc; também pode-se chamá-lo de Grafcet. A cada lugar (etapa) de um SFC é atribuído um conjunto de ações, sendo que a rede evolui de um estado para outro através de transições relacionadas às variáveis mapeadas pela CPU onde é executado o SFC. A figura 3.7 ilustra programações em CFC e SFC : Programação em SCL Quellen A programação em SCL 4 assemelha-se muito à linguagem de programação C, no sentido em que apresenta os típicos laços de controle do fluxo de execução como FOR, IF-ELSE, WHILE, estruturas de dados como STRUCT, vetores de uma ou mais dimensões, ponteiros, etc. De todas as possibilidades de programação de CPUs 4 Do inglês Structured Control Language. 23

32 Figura 3.7: Exemplos de programação em diagramas CFC e SFC. Simatic, é a mais flexível, como consequência da facilidade de implementação de lógicas e fluxos de execução relativamente complexos; no entanto, não está disponível para CPUs da linha S7-200 (nenhuma CPU S7-200 está sendo utilizada no projeto). No projeto da ETA Hengstey, é essencialmente empregada para a elaboração de FBs a serem utilizados em CFCs. A figura 3.8 ilustra a programação em SCL. Figura 3.8: Exemplo de programação em SCL. 24

33 3.5: WinCC: Sistema SCADA SCADA é uma sigla em inglês para Controle Supervisório e Aquisição de Dados. Na Europa, sistemas SCADA também costumam ser chamados de HMI Interface Homem-Máquina. A sigla refere-se a um sistema distribuído de medição e controle, em larga escala, usado tipicamente com processos químicos, físicos ou de transporte : Introdução Sistemas HMI/SCADA surgiram essencialmente da necessidade de um frontend (interface) amigável para sistemas de controle com CLPs. Ainda que CLPs possam realizar um controle automático pré-programável sobre processos, eles são usualmente distribuídos pela planta em questão, tornando difícil a aquisição manual de seus dados; além disso, os dados do CLP são geralmente brutos, no sentido em que necessitam de um pós-processamento para serem disponibilizados ao usuário do processo industrial. Os sistemas HMI/SCADA podem reunir informações dos CLPs através de vários métodos e protocolos de comunicação, os combinam e formatam a informação de maneira adequada para a interpretação do usuário. Desde o início da década de 1990 o papel de tais sistemas foi incorporando maiores funcionalidades automáticas, com a conexão a bancos de dados para o fornecimento de gráficos em tempo-real, informações de diagnóstico e logística, procedimentos agendados de manutenção, esquemas detalhados para máquinas e equipamentos, entre outros. A partir de 1998 praticamente todos os grandes fabricantes de CLPs vêm oferecendo sistemas HMI/SCADA integrados, muitos fazendo uso de protocolos de comunicação abertos e não-proprietários. A figura 3.9 apresenta um exemplo de estrutura dos sistemas em questão. Os três componentes principais de um sistema SCADA são: 1. Unidades Terminais Remotas Mútliplas (RTUs): São na maioria dos casos os CLPs distribuídos no nível de campo (chão de fábrica). Conectam-se aos equipamentos físicos, lêem informações de status como o sinal aberto/fechado de uma válvula, realizam medições como pressão, fluxo, tensão e corrente. Também controlam tais equipamentos através do envio de sinais com comandos como abrir/fechar ou definir o set-point de uma bomba hidráulica; 25

34 Figura 3.9: Típico exemplo de um sistema SCADA. 2. Estação Mestre e HMIs: O termo Estação Mestre refere-se ao servidor e software responsáveis pela comunicação com os equipamentos de campo (RTUs, CLPs). HMIs são os elementos de visualização (clientes) das informações geradas pela estação mestre. Em pequenos sistemas SCADA pode haver apenas uma estação mestre, inclusive no mesmo PC em que consta a HMI; por outro lado, em grandes sistemas SCADA pode haver várias estações mestres (servidores) com aplicações (software) distintas. Neste projeto, os PCs-servidor são as estações mestres e os PCs-cliente são as HMIs; 3. Infraestrutura de Comunicação: Sistemas SCADA utilizam tradicionalmente combinações de rádio e conexões diretas seriais ou por modem para satisfazer os requisitos de comunicação; no entanto, a partir do ano 2000, difundiram-se as aplicações com Ethernet (IEEE 802.3) e IP sobre SONET (GR-253-CORE), principalmente em grandes plantas como linhas de trem e geradoras de energia. Protocolos-padrão como IEC ou 104, Profibus e DNP3, muitos atualmente com extensões para TCP/IP, são reconhecidos pela maioria dos fabricantes de sistemas SCADA. 26

35 3.5.2: WinCC Windows Control Center Simatic WinCC é o sistema SCADA utilizado no projeto da ETA Hengstey, aplicável desde a simples aplicações de usuário único a complexos sistemas industriais multiusuários e/ou sistemas distribuídos com vários servidores e clientes, inclusive na Web. A sigla WinCC significa em inglês Centro de Controle em Windows e é o front-end de visualização da suíte de controle de processos PCS7, ou seja, a rigor corresponde à Estação Mestre e/ou (configurável) HMI da estrutura apresentada anteriormente. Em suma, WinCC dispõe das seguintes principais funções de um sistema SCADA: 1. Gerenciamento de usuários: pode-se atribuir e controlar permissões de acesso dos usuários ao sistema, inclusive em runtime; 2. Interface gráfica: suporte a várias línguas e zoom, com monitoramento das váriáveis mapeadas nas telas definidas no projeto gráfico. WinCC conta com scripts que podem ser gerados com as linguagens de programação VBScript ou ANSI- C; tais scripts são usados amplamente para configurar ações atribuídas a objetos gráficos; 3. Sistema de mensagens: não apenas gera e apresenta mensagens de processos, mas também as armazena em arquivos circulares e as disponibiliza através de filtros (classificações) específicos; 4. Sistema de armazenamento de dados: mensagens, variáveis de processo, configurações de usuário, etc. Utiliza o servidor e banco de dados do Microsoft SQL Server 2000, com um desempenho de até 10 mil medições e 100 mensagens por segundo (em um servidor dedicado); 5. Sistema de registros e relatórios: possibilita a formatação dos dados obtidos da planta e a geração de relatórios pré-definidos pelo usuário, os quais podem ser agendados para impressão rotineira ou exportados para outras aplicações. Além disso o sistema registra continuamente os eventos gerados pela interação com o(s) usuário(s); 6. Sistema de diagnóstico: capaz de diagnosticar os canais de comunicação no reconhecimento de falhas e na busca de melhor desempenho (no caso de canais redundantes). 27

36 Versões mais atuais do WinCC permitem o mapeamento de até 80 mil variáveis de processo e o emprego de até 12 servidores e 32 clientes por servidor em uma configuração contínua. Os servidores podem ser dedicados servidor de mensagens, de arquivos, etc ou redundantes mesmas funcionalidades. Pode-se estabelecer um servidor Web-WinCC em um cliente WinCC, de modo que um cliente Web-WinCC possa acessar os projetos de cada um dos servidores WinCC mapeados para o cliente WinCC, de qualquer parte do mundo. Pode-se conectar até 50 clientes Web-WinCC a um servidor Web-WinCC simultaneamente através de um protocolo TCP/IP em uma Intranet/Internet. No projeto de automação da ETA Hengstey uma estrutura de servidores redundantes foi utilizada. Simplificadamente, o funcionamento é o seguinte: Em operação normal, os dois servidores operam completamente em paralelo, ou seja, cada estação tem a sua própria conexão com o nível de campo (ex: CLPs) e seus próprios bancos de dados, sempre em sincronia (integridade dos dados). Os clientes podem ser atribuídos a qualquer um dos servidores, o que contribui para a redução da carga de comunicação para cada servidor; Se um dos servidores falha, todos os clientes conectados ao servidor que falhou são redirecionados ao servidor redundante (stand_by) que se mantém íntegro em operação. Isto assegura uma visualização e operação contínua da planta em todos os clientes; Quando o servidor com falha retorna às condições de operação, o sistema inicialmente sincroniza todas as variáveis de processo, mensagens e registros de processo do banco de dados referentes ao período de falha do servidor redundante com o primeiro. Logo então os clientes são redirecionados aos seus servidores originais, sem influenciar a operação on-line. Além da utilização da função de redundância de servidores WinCC em paralelo, é possível a um servidor WinCC implementar canais de comunicação redundantes com o nível de campo. WinCC suporta os principais canais de comunicação (protocolos) para o mapeamento de CPUs Simatic S5, S7 ou da linha 505, assim como protocolos não-proprietários como Profibus-DP/FMS e OPC (OLE para controle de processos). A interface do WinCC com o usuário ocorre através de telas de processos. A disposição hierárquica das telas segue a hierarquia definida na perspectiva tecnoló- 28

37 gica (figura 3.5). Nas telas o programador pode definidir elementos gráficos estáticos ou dinâmicos. Os elementos dinâmicos são conectados às variáveis de processo mapeadas pelo sistema SCADA, e podem ser criados essencialmente de duas formas: 1. Manualmente: o elemento é criado isoladamente, e as conexões com as variáveis têm de ser definidas uma a uma. É o método utilizado quando se integra o WinCC puro, sem ferramentas de instanciação automática de objetos, portanto sem uso da suíte PCS7; 2. Automaticamente: o elemento pode aqui ser chamado de um objeto propriamente dito, em um sistema orientado a objetos, assim como aquele instanciado de uma classe. A classe é o FB correspondente e a instância é o DB-instância. Dessa forma, o objeto gráfico possui atributos e métodos, sendo estes últimos os scripts disparados sob circunstâncias pré-definidas, como a mudança de estado da variável booleana liga de um FB de um motor. Este método de programação visual é disponível com ferramentas de integração incluídas na suíte de aplicativos Simatic PCS7. A maior parte dos elementos gráficos dinâmicos do projeto da ETA Hengstey foram definidos dessa maneira. Cada objeto pode estar associado a um ou mais faceplates pequenas janelas pop-up, como a da figura 3.10, que surgem ao clicar-se sobre o objeto. Faceplates são extremamente úteis para despoluir a interface gráfica, concentrando as opções de interação com os elementos da planta. Figura 3.10: Exemplo de faceplate do FB de motor simples, para comando manual via SCADA. 29

38 Capítulo 4: Modelagem da Planta Baseado na tecnologia empregada e apresentada no capítulo 3, e antes de se elaborar o controle e automação, realizou-se uma respectiva modelagem do sistema, sob os seguintes aspectos gerais. 1. Modelo dos reservatórios de água: piscinas de infiltração, tanques e reservatórios subterrâneos; 2. Modelo de interação no lençol freático; 3. Modelo dos principais atuadores dos sistemas de controle: motores e válvulas. Aos FBs modeladores (drivers) são atribuídos objetos gráficos para o sistema SCADA, todos acompanhados de um ou mais faceplates, de modo a permitir a interação do usuário do sistema com os FBs e, consequentemente, com a planta; 4.1: Reservatórios de Água Para a simulação das piscinas de infiltração, tanques de água tratada, poços de captação e reservatórios subterrâneos, foi elaborado um FB com todas as funcionalidades necessárias, das quais um subconjunto aplica-se em cada caso. Uma funcionalidade, entretanto, comum a todos os tipos de reservatório é o da variação do nível segundo as diferenças de vazões de entrada e saída. Considera-se um reservatório de água em contato com o solo como as piscinas de infiltração da ETA Hengstey e com uma determinada densidade representando uma porcentagem do volume do reservatório que não está disponível para abrigar fluido como mostra o esquema da figura 4.1. Fornecidas as variáveis de vazão de entrada Q e (t), vazão de infiltração Q i (t) e vazão de saída por bombeamento Q a (t), juntamente com a área A do reservatório, o nível instantâneo h(t) pode ser calculado através da integral h(t) = t t 0 Q e (t) (Q a (t) + Q i (t)) dt (4.1) A Contudo, dado que o CLP é um dispositivo digital, para se avaliar a expressão 30

39 Figura 4.1: Reservatório com características de infiltração e densidade. 4.1 deve-se realizar uma aproximação por discretização, de acordo com o somatório da equação 4.2. Portanto considera-se um período constante T s, tal que [ ] i Q e [k] (Q a [k] + Q i [k]) h[i] = A 1 T s k=0 (4.2) Para cada iteração 1 i uma nova parcela do somatório deve ser executada, e como consequência pode-se escrever a expressão 4.2 sob a forma [ ] Qe [i] (Q a [i] + Q i [i]) h[i] = h[i 1] + T s A (4.3) No caso das piscinas de infiltração, a água infiltra-se no subsolo. No modelo matemático a seguir, a permeabilidade resultante d do subsolo foi considerada como estando concentrada na interface entre o fundo do reservatório e o solo 2, para fins de simplificação do modelo, sem perda de validade. Além disso, considera-se que a permeabilidade distribuída do subsolo abaixo do reservatório pode ser concentrada em um círculo, somente através do qual ocorrerá a vazão de infiltração. Parte-se da expressão da dinâmica dos fluidos de Bernoulli p A + ρgh A ρv2 A = p B + ρgh B ρv2 B (4.4) 1 Cada iteração corresponde a um ciclo de execução do OB35. 2 Considera-se como solo a estreita camada da terra em contato com a atmosfera de até 1m de profundidade; abaixo tem-se o subsolo. 31

40 Onde p é a pressão relativa em um ponto exercida de fora do volume de fluido, ρ é a densidade da água (fluido), h o nível (altura) do ponto e v é a velocidade do fluido na direção da aceleração gravitacional. Para o ponto A, devido ao seu contato direto com a atmosfera, sua pressão relativa será p A = 0. Para o ponto B, como ele encontra-se sobre o nível de referência, tem-se h B = 0. A permeabilidade 0% d 100% determina o quão facilmente a água se infiltrará no solo. Se d = 0 então tem-se uma piscina sem qualquer infiltração (um tanque fechado); por outro lado, se d = 1 é como se o fundo do reservatório estivesse completamente aberto (em contato direto com a atmosfera); já para valores intermediários a interface comporta-se como uma esponja de permeabilidade definida, com os seguintes efeitos. 1. A pressão relativa no ponto B é p B = ρgh A (1 d); 2. A área resultante, para cálculo da vazão de infiltração, é definida como A e = d A. Aceita-se com naturalidade que se não há infiltração então d = 0 = v A = 0; de maneira oposta, quando a infiltração for a máxima possível então d = 1 = v A = v B. Uma vez que verifica-se uma relação aproximadamente linear entre os dois efeitos da variação da permeabilidade e v A, ou seja, v A = f (p B ) e v A = f (A e ) sendo f(x) = a + bx, pode-se assumir que v A = v B d 2 (4.5) Aplica-se então as simplificações e relações até aqui apresentadas na fórmula 4.4, de modo a obter-se a expressão de v B. 2ghA d v B = (4.6) 1 d 4 Sabe-se que a relação entre vazão q, área A e velocidade v dá-se através da relação q = A v. Assim, alcança-se o modelo teórico de vazão de infiltração q e 2 g ha d q e = A d (4.7) 1 d 4 Caso a vazão de infiltração não seja significativa em relação às dimensões do reservatório, pode-se assumir v A = 0. Isto implica em um limite superior d d m < 100% da permeabilidade de forma que a simplificação v A = 0 possa ser aplicada. 32

41 Dessa forma, a expressão 4.6 seria redefinida como v B = 2gh A d (4.8) E consequentemente obtém-se o modelo da fórmula 4.9, o qual foi implementado no FB de simulação de reservatório. q e = A d 2 g h A d (4.9) Neste caso (simplificação v A = 0), estabelecendo-se uma discrepância máxima de 1% entre valor real e aproximado (simplificado) da vazão de infiltração, calcula-se o limite superior d m. Aproximação = 0, 99 Realidade Ad m 2ghA d m = 0, 99 Ad m 2ghA d m 1 d 4 m 1 d 4 m = 0, 99 (4.10) d m = 0, 3756 = 37% Para o cálculo do valor da permeabilidade a ser utilizado na simulação das piscinas de infiltração, toma-se a equação 4.9 e isola-se d. (qe ) 2 1 d = 3 A 2gh (4.11) Considerando-se uma situação discutida com o pessoal de operação da ETA, na qual todas as piscinas de infiltração estejam com um nível de 0, 5m, resultando numa vazão de infiltração estimada em q e = 3000m 3 /h = 0, 8333m 3 /s, e sabendo-se que a área total das piscinas é A = 44421m 2 e g = 9, 82m/s 2, é obtido o parâmetro de permeabilidade homogênea para todas as piscinas, conforme a expressão Nota-se que a permeabilidade calculada apresenta um valor extremamente pequeno, e a infiltração só se torna significativa devido às grandes áreas das piscinas. d = 0, = 0, % (4.12) Em tratando-se dos reservatórios subterrâneos, é sabido que grande parte do volume de reservatório considerado, i.e. aquele relacionado à altura real atribuída a ele, encontra-se já preenchido com material tais como rochas, areia, etc. Portanto, a mesma diferença entre vazões de entrada e saída no reservatório com o tempo causaria uma variação de nível maior, considerando-se a existência de volume exis- 33

42 tente mas indisponível para água. Para simular tal efeito elaborou-se um modelo de densidade do reservatório, representada pela variável D. O comportamento desejado é que, à medida em que D cresce, maior será a inclinação da curva de variação do nível como função da diferença entre vazões de entrada e saída, e vice-versa. Assim, define-se uma variável auxiliar h m relacionada ao nível máximo h m do reservatório, como demonstra a equação h m = (1 D) h m (4.13) Esta relação aplica-se também à condição inicial de nível h 0. Sendo assim, o nível efetivo (real) do reservatório é obtido segundo a expressão 4.14, ou seja, como função do nível auxiliar h que desconsidera o efeito densidade e de D. h = h m h = 1 h (4.14) h m 1 D 4.2: Interação entre Reservatórios Subterrâneos A necessidade de se criar um modelo para a interação entre os reservatórios subterrâneos, através de uma determinada vazão, advém de duas constatações principais: 1. Os três setores do lençol freático da planta não são isolados entre si. Isto é verificado na prática ao se realizar uma distribuição de água às piscinas de tal forma que a relação vazão de infiltração/área seja igual para cada reservatório subterrâneo, assim como a relação vazão de saída/área. Em tal circunstância, iniciando-se com níveis diferentes nos reservatórios, após algum tempo (horas) as diferenças entre níveis terão se reduzido; 2. A vazão de infiltração de cada piscina não é totalmente direcionada para um reservatório subterrâneo específico, em geral. Toma-se o exemplo da piscina 1 (figura 2.3): apesar de experimentalmente saber-se que, mantendo-se a vazão de saída do reservatório 1 constante e aumentando-se o nível desta piscina implica em um aumento principalmente no nível de tal reservatório, o aumento do nível da piscina 1 também acaba por afetar (aumentar, no caso) o nível do reservatório 2. Devido ao fato de mostrar-se um pouco complexo, em princípio, 34

43 elaborar um algoritmo de distribuição de vazão 3 baseado em quotas de participação da vazão de infiltração de cada piscina para cada reservatório, decidiu-se por modelar o efeito destas quotas indiretamente através das vazões de interação entre reservatórios. A figura 4.2 contém um esquema de dois reservatórios subterrâneos adjacentes, supondo que abaixo deles há uma camada impermeável de tal forma que não há mais infiltração. Figura 4.2: Esquema de dois reservatórios adjacentes através de interface permeável. Nota-se que a área de interação entre os reservatórios é definida como F g = h 3 l k. Parte-se novamente da equação de Bernoulli. p 1 + ρgh ρv2 1 = p 2 + ρgh ρv2 2 (4.15) Considerando-se que o ponto 1 sofre pressão atmosférica, determina-se p 1 = 0. Uma vez que a vazão de interface não é significativa em relação às dimensões dos reservatórios, então v 2 v 1 = 1 2 ρv2 1 = 0. Sabe-se que a pressão estática cresce linearmente com a profundidade em um líquido, o que significa que a maior velocidade de água provavelmente ocorrerá nas proximidades do fundo comum dos reservatórios. Por esse motivo, estabeleceu-se o ponto 2 quase ao fundo (nível de referência), e portanto pode-se simplificar h 2 = 0 = ρgh 2 = 0. Realizando a substiuição desta e das simplificações anteriores na equação 4.15, resulta em ρgh 1 = p ρv2 2 (4.16) 3 A ser visto no capítulo 5. 35

44 O objetivo é obter uma função da velocidade v 2 (h 1, h 3, W ), onde W é a constante de penetrabilidade da interface. Para tal, procura-se uma expressão para p 2 na equação de Bernoulli entre os pontos 2 e 3. p 2 + ρgh ρv2 2 = p 3 + ρgh ρv2 3 (4.17) Na equação 4.17 pode-se igualmente admitir que v 2 v 3 = 1 2 ρv2 3 = 0, p 3 = 0 e h 2 = 0 = ρgh 2 = 0, pelos mesmas razões do ponto 1, de tal forma que da equação 4.17 obtém-se p ρv2 2 = ρgh 3 (4.18) Agora necessita-se de uma expressão representativa de W. Já que h 3 é uma variável que deve constar na expressão final e ρ é também uma constante, pode-se definir W = 1v 2 2, obtendo-se uma função para p 2. p 2 = ρgh 3 ρw v 2 (4.19) Infere-se que W é uma grandeza de velocidade. Pode-se então inserir a expressão 4.19 na equação 4.16; antes, porém, é importante notar que v 2 do reservatório B é o conjugado de v 2 do reservatório A, isto é, v 2A = v 2B. Efetuadas as substituições resulta em ρgh 1 = ρgh 3 + ρw v ρv2 2 v W v 2 + 2g (h 3 h 1 ) = 0 (4.20) As soluções da equação 4.20 podem ser obtidas de forma literal através do método de Baskara, e a solução válida é v 2 = W + W 2 2g (h 3 h 1 ) (4.21) A outra solução representaria uma velocidade negativa, portanto não possui significado físico válido. Nota-se que, à medida em que W cresce v 2 diminui, e v 2 aumenta com o aumento da diferença h 3 h 1. Finalmente, a vazão de interface Q w entre reservatórios subterrâneos é definida como Q w = v 2 (h 3 l k ) (4.22) O valor da constante de penetrabilidade W foi determinado por meio de simulação: estabeleceu-se um espaço de estados para o lençol freático e foi-se ajustando 36

45 o valor de W até se obter uma vazão Q w coerente com a situação. h 1 = 4m h 3 = 3m l k = 480m W = 170m/s Q w = 101, 68m 3 /h Portanto o valor W = 170m/s foi utilizado para a interface entre os reservatórios 1 e 2, e entre 2 e 3. Os reservatórios 1 e 3 não possuem interface. No entanto, W deve ser revalidado quando da implantação do sistema na ETA. 4.3: Drivers para Atuadores Na ETA Hengstey foram previstos 3 níveis distintos de operação: 1. Vor Ort (VO) operação direta no equipamento. Destinada para manobras manuais locais, para manutenções e emergências. Corresponde à operação no nível de campo; 2. Schaltschrank (SS) operação por botões e chaves na cabine de comando do módulo da ETA, relacionada ao nível intermediário de operação hierárquica da planta; 3. WinCC (OP) operação remota pelo sistema SCADA em sincronia com os painéis de controle (OPs). Corresponde ao nível superior de automação. A figura 4.3 ilustra esta estrutura hierárquica de acionamento. Acima da hierarquia, conectado ao 3 o nível (de menor prioridade), encontra-se o sistema de controle em malha fechada (SCMF) implantando nos CLPs. Descrevem-se a seguir as modelagens dos principais atuadores da planta motores e válvulas implementadas em FBs, os quais foram criados em CFCs a partir de FBs básicos da Siemens, adicionando e ajustando-se as funcionalidades desejadas. Originalmente tinha-se em vista modelar os atuadores utilizando um formalismo que permitisse a realização de um controle discreto/sequencial; por isso adotou-se a 37

46 Figura 4.3: Exemplo de acionamento de um atuador na hierarquia de operação da ETA Hengstey. linguagem de autômatos. No entanto, devido às mudanças (e descobertas) de especificações durante a fase de projeto, a modelagem por autômatos restringiu-se a fins de documentação : Motor On-Off Trata-se de um driver para motor do tipo liga/desliga, independentemente do princípio de funcionamento do mesmo (CA, CC, etc.); suas principais funcionalidades são: Função de lock que possibilita forçar a saída de controle do motor para um estado (ligado ou desligado); Função de monitoramento, através da qual o FB monitora o sinal de controle fornecido (saída) e a resposta do dispositivo físico (entrada). Caso comando e resposta não sejam iguais por um intervalo de tempo maior que o especificado pelo usuário 4, é gerado um erro e o comando vai para um estado de segurança 4 Este e demais parâmetros do driver estão disponíveis ao usuário através de faceplate no SCADA. 38

47 pré-definido (geralmente desligado); Conexões para painel de operação (OP), cabine de comando (SS) e operação in loco manual (VO), todas devidamente sincronizadas; Conexão de falha externa: sinais booleanos externos provenientes de sensores podem indicar falhas no motor, como sobretemperatura, sobrecorrente e/ou sobretensão, fazendo com que o FB desligue o comando (saída). Funcionamento manual/automático. Na operação manual o usuário pode espontaneamente definir o sinal de comando para o dispositivo físico. Em modo automático o sinal de comando é obtido através de uma entrada correspondente ao SCMF no bloco do motor. O autômato determinístico de estados finitos (ADEF) da figura 4.4 especifica o comportamento (simplificado) do motor, através da seguinte quíntupla. G = (X, Σ, f, x 0, X m ) (4.23) Por simplificado entende-se que estados como locked e outras características herdadas do FB básico da Siemens não influenciam ou não são utilizadas no projeto em questão. O estado inicial x 0 é o pronto e o conjunto de estados marcados X m é constituído por pronto e opera. O alfabeto Σ é composto de: com_inicia comando para iniciar operação falha, conserto, resp_opera confirmação de operação com_para comando para terminar operação e resp_parado confirmação de parada. O espaço de estados X é composto por pronto, iniciando, danificado, opera e parando. A modelagem não diferencia os tipos de falhas possíveis, pois caso houvesse tal diferenciação obteria-se um atômato equivalente com maior número de estados cuja complexidade é desnecessária. Dois FBs foram derivados do FB de motor simples: motor de 2 velocidades e motor com dois sentidos de rotação : Válvula Simples Trata-se de um FB modelador de uma válvula com duas posições de operação distintas (fechada/aberta), com entradas para seus respectivos sensores de realimen- 39

48 Figura 4.4: Autômato respresentativo do comportamento simplificado do FB de motor simples. tação de posição. Sempre haverá um sinal de comando lógico aplicado à válvula de maneira que, em condições normais de operação, ela jamais permanecerá em uma posição intermediária. Aqui também é indiferente o princípio de funcionamento da válvula (esfera, globo, comporta, etc). As principais funções deste FB são semelhantes às do motor: Função de lock que possibilita forçar a saída de controle da válvula para um estado aberto/fechado; Função de monitoramento: caso o comando do driver e a resposta do atuador físico difiram por um tempo maior que o especificado, gera-se um erro de monitoramento e a válvula é comandada para uma posição de segurança (aberta ou fechada); Conexões para painel de operação (OP), cabine de comando (SS) e operação in loco manual (VO), com sincronização; Conexão de falha externa: sinais booleanos externos provenientes de sensores para indicar falhas mecânico-elétricas na válvula; Funcionamento manual/automático. Na operação manual o usuário pode definir o sinal de comando para a válvula física. Em modo automático o sinal de 40

49 comando é obtido através do SCMF em uma entrada no FB da válvula. válvula. O autômato ADEF da figura 4.5 especifica o comportamento (simplificado) da Figura 4.5: Autômato do comportamento simplificado da válvula simples. O autômato descritor da válvula possui uma estrutura diferente da do motor, pois é necessário salvar a informação de abertura/fechamento do dispositivo sob a ocorrência de uma falha de modo a saber qual será o estado da válvula após o conserto. Um exemplo de aplicação deste autômato é para válvulas de acionamento por solenóide com retorno por mola: ainda que exista somente um comando físico para abrir, a negação deste sinal constitui o comando para fechar. O estado inicial x 0 é fechada. O espaço de estados X é formado por fechada, problema abrindo falha na abertura abrindo, aberta, problema fechando falha no fechamento e fechando. O conjunto de estados marcados X m é composto por fechada e aberta. O alfabeto é o conjunto de eventos constituído por conserto, falha, com_abre comando para abrir resp_aberta confirmação de abertura com_fecha comando para fechar e resp_fechada confirmação de fechamento. 41

50 4.3.3: Válvula de Posicionamento Intermediário Este FB modela uma válvula que pode assumir qualquer posição intermediária entre as posições-limite aberta e fechada. A interface deste FB apresenta duas entradas de realimentação distintas para detecção de abertura e fechamento. No entanto este bloco não realiza qualquer controle realimentado, representando apenas o comportamento em malha aberta do atuador. O autômato ADEF representativo deste FB difere um pouco daquele da válvula simples, conforme pode ser visto na figura 4.6. Precebe-se que o autômato da válvula simples pode ser considerado um caso particular do aqui apresentado. Figura 4.6: Autômato modelador da válvula de posicionamento intermediário. Em relação ao autômato da válvula simples, este ADEF possui em X o estado parada válvula em posição intermediária e parada. O estado inicial x 0 também é o fechada, e no conjunto de estados marcados X m adicionou-se parada, pois é aceitável que a válvula permaneça neste estado por tempo indeterminado, possivelmente significando objetivo alcançado (e.g. seguimento de referência). O alfabeto foi acrescido dos eventos falha_fecha falha com posicionamento da válvula em aberto falha_abre falha com posicionamento da válvula em fechado e com_para comando para manter a válvula na posição atual. 42

51 Capítulo 5: Sistemas de Controle e Automação De posse dos blocos fundamentais modeladores da planta e dos atuadores, parte-se para a elaboração dos controladores e sistemas de automação com vistas a satisfazer os requisitos de projeto apresentados na seção 2.6. Sob o ponto de vista de controle, o processo de tratamento de água pode ser considerado como um sistema puxado, uma vez que um degrau na demanda de vazão de saída da ETA (reservatório superior) causa uma reação em cadeia por todos os módulos até a captação de água bruta. Na figura 5.1 é apresentado o diagrama de blocos do sistema de controle [10] geral de Hengstey. 5.1: Controlador Discreto de Nível O problema de controle de nível dos reservatórios na ETA Hengstey apresenta uma particularidade que o torna não-trivial: os atuadores para controle do reservatório superior e o de água tratada são de operação liga/desliga. Estas bombas utilizam como driver chaves soft-starter para redução de corrente de partida através da configuração de uma curva de aceleração, entretanto não disponibilizam um mecanismo de variação de velocidade das bombas o que poderia ser feito através de inversores de frequência, por exemplo. Até então, havia um mecanismo de sensores discretos de nível alto e baixo dos reservatórios, os quais serviam, respectivamente, para se desligar e ligar o conjunto de bombas, manualmente definido pelo operador. Em períodos de maior demanda o operador devia escolher um grupo de bombas cuja vazão resultante fosse maior, caso contrário as proteções contra esvaziamento eram ativadas e o atendimento à demanda era temporariamente prejudicado. Conlui-se, portanto, que a tarefa de controle deve ser realizada através da escolha das classes (vazão, se diferir) de bombas a serem utilizadas, assim como o número de bombas de cada classe, o que caracteriza o sinal de controle do controlador. Esta requisição do número de bombas da classe é aplicada a um bloco sequenciador o qual aciona bombas de uma mesma classe considerando intervalos de tempo entre acionamentos, tempos de operação, entre outras funcionalidades. O objetivo é elaborar um algoritmo de controle capaz de selecionar o grupo de bombas ideal para se otimizar o controle de nível dos reservatórios. 43

52 Figura 5.1: Diagrama de blocos do sistema de controle geral da ETA Hengstey. 44

53 5.1.1: Controle do Reservatório Superior Considerar-se-á, primeiro, o caso das bombas de água tratada. A proposta inicial foi realizar o controle a partir de um controlador clássico (e.g. PID) adjunto a um mecanismo de resolução, o qual determinava quais bombas deveriam ser acionadas dependendo do valor do sinal de controle, ou seja, estabeleceu-se faixas relacionadas às vazões atingíveis a partir de todas as combinações possíveis das bombas. O problema desta técnica é que, quando o valor atual de nível atingisse as redondezas do valor desejado, o número de chaveamentos por hora de bomba se torna muito grande (frequência alta), o que diminui a vida útil dos atuadores. Para reduzir-se esta frequência, a meta é operar com as bombas pelo maior intervalo de tempo ininterrupto possível. Para tal, duas estratégias foram definidas: 1. Definir uma histerese ao redor do valor desejado. Para atingir-se a menor frequência, faz-se o intervalo de histerese ser praticamente a altura do reservatório, e consequentemente o valor desejado será a metade do nível máximo, i.e. abre-se mão da regulagem do set-point do reservatório; 2. Procurar reduzir ao máximo a inclinação da curva de nível, em relação ao eixo das abscissas (tempo). Isto significa que, quando a curva de nível atingir um ponto de histerese (ponto de inversão), deve-se selecionar uma combinação de bombas tal que a derivada da curva seja a de menor módulo possível e com sinal oposto. Realizando-se todas as possíveis combinações de bombas, de acordo com a vazão nominal de cada uma, são obtidos os estágios de controle, conforme mostra a tabela 5.1. É requisito de controle que o operador do módulo possa configurar se apenas uma bomba por capacidade (tabela 2.1) e/ou uma bomba por lugar (tabela 2.2) deva operar, i.e. as duas bombas desse(s) grupo(s) nunca devem operar simultaneamente. Estas limitações resultam em eliminações de estágios de controle possíveis. Na tabela 5.1, na coluna Combinação um e significa uma operação lógica e assim como um o representa a operação ou; na coluna CAP um OK significa que o estágio é possível sob a restrição de apenas uma bomba por capacidade, e na coluna LUG um OK representa a viabilidade do estágio para a restrição de apenas uma bomba por lugar. Uma vez escolhido o estágio de controle desejado, deve-se verificar a possibilidade de ativá-lo segundo quais bombas encontram-se disponíveis para operação 45

54 Estágio Vazão (m 3 /h) CAP LUG Combinação 0 0 OK OK OK OK 2o OK OK 1o OK 2u OK OK [(1o4)u(2o3)] o(5o6) OK 1e OK OK [(1o4)e2e3] o [(5o6)e(2o3)] OK [(1o4)e(5o6)] o [1e4e(2o3)] OK OK [(1o4)e(2o3)e(5o6)] o(5e6) OK 1e4e(5o6) [5e6e(2o3)] o [(1o4)e2e3e(5o6)] [5e6e(1o4)] o [1e4e(2o3)e(5o6)] e3e5e (1o4)e(2o3)e5e e4e5e e3e5e6e(1o4) e4e(2o3)e5e e4e2e3e5e e4e2e3e5e6e7 Tabela 5.1: Estágios de controle possíveis. automática (SCMF). Além disso, deve-se definir a requisição de controle R a ser enviada para os blocos sequenciadores das bombas. Assim, da tabela 5.1 se obtém a tabela 5.2. Considera-se a mesma notação empregada na tabela anterior, acrescida de A, B e C representantes do grupos de bombas. Para os estágios 4c e 8a, vale também que sejam pré-definidas (com maior prioridade) as prioridades de acionamento nos blocos sequenciadores como (p 4 = p 2 = 1) o (p 3 = p 1 = 1). O operador também pode escolher manualmente o estágio de controle quando o valor atual de nível encontrar-se entre as regiões de ativação e desativação caracterizando o modo de operação parcialmente automático sem qualquer influência do algoritmo de controle. Em todo caso, se o valor atual tornar-se inferior ao ponto de ativação, porém ainda estiver acima do ponto emergencial de ativação caracterizando a região de ativação após cada período de controle T co um novo estágio será calculado e ativado, como tentativa de corrigir a curva, buscando o menor estágio de maior valor (menor ângulo α), tal que faça a curva de nivel subir. Todavia poderia ocorrer que, apesar do nível atual encontrar-se dentro da região de ativação, sua derivada continuasse negativa até que o respectivo ponto emergen- 46

55 Estágio Condição CAP LUG Requisição R 0 OK OK 1 B 1 OK OK B = 1 2 A 1 OK OK A = 1 3 B = 2 OK B = 2 4a C 1 OK OK C = 1 4b (A 1)e(B 1) OK (A = 1)e(B = 1) 4c (4e2)o(3e1) OK (A = 1)e(B = 1) 5 A = 2 OK A = 2 6a (B 1)e(C 1) OK OK (B = 1)e(C = 1) 6b (A 1)e(B = 2) (A = 1)e(B = 2) 7a (A 1)e(C 1) OK (A = 1)e(C = 1) 7b (A = 2)e(B 1) (A = 2)e(B = 1) 8a [(4e2)o(3e1)] e(c 1) OK OK (A = 1)e(B = 1)e(C = 1) 8b (A 1)e(B 1)e(C 1) OK (A = 1)e(B = 1)e(C = 1) 8c C = 2 C = 2 9 (A = 2)e(C 1) OK (A = 2)e(C = 1) 10a (C = 2)e(B 1) (C = 2)e(B = 1) 10b (A 1)e(B = 2)e(C 1) (A = 1)e(B = 2)e(C = 1) 11a (C = 2)e(A 1) (C = 2)e(A = 1) 11b (A = 2)e(B 1)e(C 1) (A = 2)e(B = 1)e(C = 1) 12 (B = 2)e(C = 2) (B = 2)e(C = 2) 13 (A 1)e(B 1)e(C = 2) (A = 1)e(B = 1)e(C = 2) 14 (A = 2)e(C = 2) (A = 2)e(C = 2) 15 (B = 2)e(C = 2)e(A 1) (B = 2)e(C = 2)e(A = 1) 16 (A = 2)e(B 1)e(C = 2) (A = 2)e(B = 1)e(C = 2) 17 (A = 2)e(B = 2)e(C = 2) (A = 2)e(B = 2)e(C = 2) 18 max(a) + max(b) + max(c) + P 7 Tabela 5.2: Estágios com respectivas condições e requisições de controle. cial fosse atingido; então, por medida de segurança para evitar o esvaziamento total do reservatório, o maior estágio (no caso, 18) seria disparado. As regiões de controle são ilustradas na figura 5.2. Por outro lado, caso o valor atual de nível ultrapasse o ponto de desativação porém ainda esteja abaixo do ponto emergencial de desativação, após cada período de controle um maior estágio de menor valor possível será escolhido, como forma de tornar a derivada da curva de nível negativa (com menor α). Se o nível atingir o valor emergencial de desativação, todas as bombas serão desativadas (estágio 0, o menor) para evitar uma iminente transbordagem do reservatório. 47

56 Figura 5.2: Regiões de controle do controlador de nível discreto. O controle do nível do reservatório superior com a utilização deste controlador é exemplificado com o gráfico da figura 5.3. Figura 5.3: Curva de nível do reservatório superior com controle proposto e fator de tempo F = 10. A frequência f de chaveamento não é constante, especialmente quando o fluxo de saída do reservatório muda (e.g. devido à alteração na demanda). Entretanto, a frequência do reservatório superior é menor do que a do de água tratada. Na figura 5.3 tem-se 4 chaveamentos em aproximadamente = 200 minutos 1, o que resulta em f = (4/200) 60 = f = 1, 2/h. Notam-se perturbações nas subidas e descidas da curva, as quais podem ocorrer devido aos seguintes fatores: 1 A simulação foi feita com o tempo 10 vezes mais rápido do que o normal. 48

57 Comutação de bombas devido a tempo de operação esgotado; Alteração na diferença entre vazão de entrada e de saída do reservatório; O modo de correção alterou o estágio de controle selecionado, dado que o sentido de variação da curva foi invertido na região de operação, o que por sua vez ocorreu devido a uma das razões acima. Devido às dimensões do reservatório e vazões operadas podem ser geradas ondas na superfície da água, o que inviabiliza a medição instantânea do nível para a eleição de uma ação de controle adequada. Para contornar este problema, a estratégia escolhida foi a de implementar um período de amostragem do nível, após o qual uma nova estimativa do nível real é fornecida, que por sua vez será considerada pelo algoritmo de controle. No FB de controle construiu-se um vetor com 20 posições; toma-se o período de amostragem T a de nível definido pelo usuário e, considerandose o período de chamada T s do OB no qual o FB controlador é executado e o fator de tempo F, calcula-se o número n de chamadas sucessivas necessárias do FB para o preenchimento de uma nova posição do vetor, o qual comporta-se como uma fila FIFO (First In, First Out). Na equação 5.1, a função int converte o resultado do tipo real para int. ( ) T a n = int T s F 20 (5.1) É importante salientar que, para realizar-se um controle minimamente adequado, deve-se assegurar que T co T a. Por último, definiu-se o modo de correção, o qual determina a manutenção do sentido da curva de nível, quando dentro da região de operação. Por exemplo, se a curva está crescendo e uma perturbação ocorre e.g. o fluxo de saída do reservatório superior torna-se maior que o de entrada fazendo α < 0, então o controlador irá atuar como se estivesse na região de ativação : Controle do Reservatório de Água Tratada O método de controle empregado neste caso mantém-se essencialmente o mesmo. No entanto, sua eficácia é reduzida devido à restrição de operação de um mesmo número de bombas centrífugas em cada poço de captação; com isso, em muitos casos obtém-se uma ação de controle relativamente forte, e como consequência, 49

58 em média, a frequência de chaveamento das bombas no controle de nível do reservatório de água tratada será maior do que a do reservatório superior. A tabela 5.3 contém os estágios para o controle deste reservatório. Estágio Vazão (m 3 /h) Requisição R = = = = 9 Tabela 5.3: Estágios de controle para o reservatório de água tratada. O comportamento em malha fechada do nível do reservatório é o apresentado na figura 5.4, com um fator de tempo F = 10. Figura 5.4: Nível do reservatório de água tratada em malha fechada e com fator de tempo F = 10. Percebe-se que até t = 10 : 23h a frequência f era de 2 chaveamentos a cada aproximadamente 1 10 = 10 minutos, o que implica em f = 12/h. Em t = 10 : 23h a vazão de saída do reservatório aumentou, ocasionando uma diminuição no ângulo α como consequência da redução da diferença entre vazões de entrada e saída; portanto a nova frequência foi de f = 2 1, = 8/h. 5.2: Distribuição de Água nas Piscinas Conforme consta na malha de controle geral da figura 5.1, quando o valor atual i s (j) do nível do reservatório subterrâneo j for menor que o nível desejado s s (j), seu respectivo controlador PI irá fornecer um sinal de controle c s (j) > 0, o qual somado àqueles dos demais reservatórios, será entregue ao módulo de filtragem rápida. Não 50

59 obstante, caso i s (j) > s s (j) 2 então o controlador PI não poderá fornecer c s (j) < 0, uma vez que não há como forçar as bombas de vácuo a devolver água para os reservatórios subterrâneos; neste caso permanecerá c s (j) = 0. O módulo de filtragem rápida, por sua vez, irá captar água bruta necessária para atender à demanda, e a água processada será disponibilizada para as piscinas de infiltração de tal maneira que a infiltração em cada piscina colabore da melhor forma possível para o atendimento da demanda no lençol freático. De aqui em diante considerar-se-á por piscina o grupos de piscinas 1, 2 e 3, cada qual relacionada a seu reservatório subterrâneo de mesmo número. na lei Em outras palavras, o controle do nível do lençol freático pode ser sintetizado q e (j) = c s (j) P (j) + E(j) (5.2) Onde q e (j) é a vazão de infiltração instantânea no reservatório subterrâneo, P (j) são as perdas devido à dissipação de água no subsolo e evaporação, e E(j) é o erro de controle atual. O objetivo é fazer E(j) = 0 no menor intervalo de tempo possível. Entretanto, da fórmula 4.9 sabe-se que q e = f(h), sendo h o nível de água em um reservatório com infiltração, portanto obtém-se agora um valor desejado s(j) de nível na piscina. Dado que na maioria das vezes não se tem a vazão de água exatamente suficiente para satisfazer aos sinais de controle dos controladores PI devido à dinâmica e atraso de transporte inerentes ao processo deve-se estabelecer um algoritmo de distribuição ótimo, no sentido de procurar ser o mais justo possível caso falte vazão total ou então tentar prejudicar o menos possível o lençol freático quando ocorrer excesso de vazão. Para tanto, o controlador (distribuidor) recebe o nível atual i(j) da piscina e o compara com s(j). Geralmente ter-se-á uma diferença de nível e(j) = i(j) s(j) 0. O algoritmo de distribuição prevê duas situações: 1. Ao menos uma diferença negativa: j tal que e(j) < 0. Neste caso todas as piscinas (grupos) tal que e(j) < 0 receberão uma quota ν da vazão total ν T. As quotas são determinadas pela relação ν(j) = e(j) e T ν T (5.3) 2 Na verdade, devido ao atraso da ação integral do controlador, pode-se ter por certo intervalo de tempo i s (j) < s s (j) tentando gerar um sinal de controle negativo. 51

60 Onde e T < 0 é a soma de todas as diferenças negativas. Percebe-se que desta forma, as piscinas com as menores diferenças (maiores módulos) necessitam de mais água e portanto recebem uma maior quota; 2. Todas as diferenças são positivas: j vale e(j) 0. O interessante aqui é que todas as piscinas já possuem água suficiente. Logo, o objetivo é injetar menor vazão de água nas piscinas com a maior diferença. O algoritmo se subdivide em três etapas: (a) Ordenação das diferenças e(j) em uma lista, da maior para a menor; (b) Criação de um ponteiro entre e(j) e sua posição x na lista ordenada. Isto se deve à necessidade óbvia de se saber, após a ordenação, quais diferenças pertencem à quais piscinas. Os ponteiros são números inteiros com o valor de posição na lista ordernada e são armazenados em uma outra lista. Cada posição na lista de ponteiros corresponde à respectiva piscina de mesmo número; (c) Determinação das quotas de vazão ν(j). Assume-se as variáveis H à maior e(j), M à intermediária e K à menor. A lei de distribuição é composta das seguintes relações. Onde e T ν(h) = e(k) e T ν T ν(m) = e(m) e T ν T ν(k) = e(h) e T ν T (5.4) 0 é a soma de todas as diferenças. Nota-se que, com esse método, procura-se fazer com que o reservatório com maior excesso de água receba a menor quota de vazão, aquela proporcional à do reservatório com menor excesso. Com o tempo a tendência é que as diferenças vão se aproximando de um valor comum, até que a vazão produzida pelo módulo de filtragem rápida se adapte aos valores definidos pelos controladores PI, i.e. lim t ν T (t) = 3 c s (j) (5.5) Caso uma piscina já esteja cheia, então ela receberá ν(j) = 0 como medida de segurança, desde que ao menos uma outra piscina não esteja completamente cheia. Em uma situação extrema, caso todas as piscinas já encontrem-se cheias, então o algoritmo irá executar como em condição normal, pois não haveria como evitar uma transbordagem de qualquer piscina. j=1 52

61 5.3: Mecanismo de Previsão de Demanda Devido ao atraso de transporte entre a ação do módulo de filtragem rápida e o lençol freático, ocorrendo principalmente durante o processo de infiltração nas piscinas, o controle do nível nos reservatórios subterrâneos se torna difícil e necessariamente bastante lento, para se evitar uma possível instabilização. Por exemplo, ao ocorrer um degrau forte na demanda, este efeito vai se propagando desde o reservatório superior até as bombas de vácuo, as quais começam a retirar bastante água do lençol freático, fazendo o nível cair relativamente rápido. Os controladores PI então fornecem uma ação de controle para o módulo de filtragem rápida, no sentido de suprir o volume de água faltante no subsolo; no entanto, até que a água depositada nas piscinas possa infiltrar-se e atingir o lençol freático, pode ser que ele já tenha atingido um estágio crítico de falta de água, podendo comprometer o atendimento da demanda. Na verdade, além do problema do atraso de transporte, o sistema piscina infiltração reservatório subterrâneo é fortemente não-linear, devido à característica do modelo da equação 4.9. Por outro lado, a decisão de se usar um controlador clássico linear, inicialmente, justifica-se no fato de que não há especificações rigorosas de controle para o nível do lençol freático. Além disso, definindo-se um fator integral bastante pequeno 3, em relação ao proporcional, consegue-se um comportamento estável, como será visto no capítulo 6. Uma proposta simples para contornar a lentidão da infiltração foi a elaboração de um mecanismo de previsão de demanda. Trata-se de uma tabela com os valores de vazão (Ausgangdurchfluss) previstas para cada hora do dia. O somatório das 24 vazões resulta no volume total (aktuelle Sollwert) de água previsto para o dia. Além disso, cada vazão representa uma porcentagem (Leistungsfähigkeit) do valor médio de vazão horária para o dia. O operador prevê os dados na tabela de amanhã e, ao trocar o dia, os dados são copiados para a tabela de hoje. A figura 5.5 apresenta a tabela para o dia de hoje (Heute). No campo höchste Durchfluss se tem o atual limite de capacidade da ETA que, ao ser alterado, faz com que todas vazões eventualmente superiores sejam igualadas a este valor. Trinkwasser zum Netz apresenta o atual fluxo de saída do reservatório superior para a rede de distribuição. A barra azul corresponde ao tempo já decorrido. As vazões já totalmente preenchidas pela barra não podem ser alteradas, mas as 3 Em sistemas sem compensação do atraso de transporte, a ação integral do controlador deve ser pequena o suficiente para não instabilizar o sistema. 53

62 Figura 5.5: Distribuição de demanda de água tratada por hora. restantes ainda podem ser manualmente redefinidas, se necessário. Sempre ao se alterar um valor de vazão o volume total é atualizado, assim como a porcentagem horária, entretanto a nova configuração somente passará a ser válida após a tecla Übernehmen ser pressionada. Ao se modificar uma procentagem de uma vazão as demais vazões devem manter-se inalteradas. Define-se, então, V como sendo o volume total, a a vazão média horária, ζ a vazão horária e l a porcentagem. As expressões matemáticas para cada uma dessas variáveis são apresentadas a seguir, para um instante de tempo t. a(t) = V (t) V (t) = ζ i (t) ζ i (t) = a(t) l i (t) (5.6) i=0 O problema pode ser definido como Dado uma nova porcentagem l k (t+1), encontre um novo volume total V (t+ 1) tal que satisfaça a nova porcentagem e não afete as demais vazões ζ i (t). Primeiro calcula-se V (t + 1). V (t + 1) = (V (t) ζ k (t)) + ζ k (t + 1) V (t + 1) = (V (t) ζ k (t)) + (a(t + 1)l k (t + 1)) ( ) V (t + 1) = (V (t) ζ k (t)) + V (t+1) l 24 k (t + 1) (24V (t+1) l k (t+1)v (t+1)) 24 = (V (t) ζ k (t)) V (t + 1) (24 l k(t+1)) 24 = (V (t) ζ k (t)) V (t + 1) = 24(V (t) ζ k(t)) (24 l k (t+1)) (5.7) Com isso encontra-se o novo valor médio de vazão horária a(t + 1) = V (t+1) 24, do qual, junto com a nova porcentagem se calcula a respectiva nova vazão horária ζ k (t + 1) = a(t + 1) l k (t + 1). No entanto, ainda que as demais vazões permane- 54

63 çam inalteradas, suas respectivas porcentagens devem ser recalculadas em função do novo volume. A configuração de distribuição de volume de hoje e amanhã é transformada em uma lista que contém as 24 próximas vazões, a partir do instante atual. Esta lista é repassada a uma espécie de driver do módulo de filtragem rápida, o qual definirá a operação do módulo como 1. Seguimento de referência da curva (lista) de distribuição de volume prevista, juntamente com o atraso de transporte (tempo de predição) θ p ; 2. Seguimento de referência da soma dos c s j provenientes dos controladores PI de nível do lençol freático; 3. Escolha do maior sinal de controle entre os dois itens anteriores. 5.4: Tratamento de Água Residual As operações no processo de tratamento de água residual constituíram outra atividade importante programada pelo aluno. Ainda que este módulo não conste na malha de controle geral da figura 5.1, possui um papel fundamental para a ETA, pois caso o módulo sature ou seja impedido de operar, o módulo de filtragem rápida acabará sendo bloqueado por impossibilidade de limpeza de seus filtros rápidos, o que por sua vez culminaria em uma gradual redução de fornecimento de água da ETA. Considera-se novamente o esquema do módulo, na figura 2.2. Os tanques de decantação são os primeiros na sequência de operação: procura-se deixar apenas uma das válvulas à montante T i V m abertas, de maneira que apenas um tanque esteja recebendo água por vez, o que implica em uma operação alternada dos tanques. O modo de operação normal é o n o 1, definido pelo Grafcet implementado como SFC na programação em PCS7 da figura 5.6, no qual ambas as válvulas T i V m e T i V j permanecem fechadas durante a operação. Entende-se, portanto, porque desejase que os tanques operem alternadamente: caso aconteça dos tanques operarem simultaneamente, não haverá mais possibilidade de se captar água para tratamento, e o módulo de filtragem rápida será impedido de realizar limpeza de seus filtros. No Grafcet da figura 5.6, no passo final End as instruções para fechamento da válvula à jusante e desligamento do limpador podem parecer redundantes, mas tratase de uma medida de segurança, uma vez que o operador pode abortar a operação 55

64 Figura 5.6: Grafcet do modo 1 de operação automática do tanque de decantação. do SFC em qualquer passo, entretanto antes do seu cancelamento o último passo é sempre executado. Há também o modo de operação 2, o qual pode ocorrer apenas durante o dia. Neste modo ambas as válvulas T i V m e T i V j permanecem abertas e o limpador permanece em operação contínua, conforme demonstra o Grafcet implementado da figura 5.7. O modo 2 é disparado quando há grande volume de água a ser tratado, o que reduz a disponibilidade de tempo para decantação, portanto ela passa a ocorrer de maneira dinâmica, com o auxílio de elementos floculantes. Para o disparo da operação automática de um tanque, todos os dispositivos envolvidos (limpador e válvulas) devem estar conectados à malha de controle (figura 4.3) e o sensor de nível deve estar se acusando com medição correta 4. Com estas 4 Os sensores de ultra-som de nível utilizados possuem um sistema de auto-verificação da integri- 56

65 Figura 5.7: Grafcet do modo 2 de operação automática do tanque de decantação. condições satisfeitas, o disparo pode ser automático há níveis de disparo diferentes para os períodos da noite e dia ou manual, quando o nível do tanque encontrar-se entre o de desligamento e o de ativação automática. Caso um tanque esteja operando em modo automático e uma das condições recém apresentadas passar a não valer mais, então o SFC é contido no passo atual, até que todas as condições voltem a ser válidas. Na situação de ambos os tanques operarem simultaneamente no modo 2, então seus níveis serão praticamente iguais, e portanto caso um dos sensores se tornar indisponível para medição por alguma razão, então o tanque com sensor danificado passará a utilizar o sinal do sensor do outro tanque. Há também um modo 3 de operação dos tanques de decantação: o modo de congelamento. Neste, quando a temperatura ambiente cair abaixo de um determinado valor e o(s) tanque(s) estiver(em) pronto(s) para operar em modo automático, a válvula à jusante do(s) tanque(s) será(ão) aberta(s) e o(s) limpador(es) operará(ão) continuamente, agitando a água e evitando o congelamento. Quando o nível no reservatório de água poluída atingir um determinado valor h a o processo de tratamento desta água é iniciado, e é encerrado quando o nível atingir dade de medição realizada. 57

66 h d, sendo h a > h d > 0m. Este processo implica, simplificadamente, nas seguintes operações: 1. A operação automática das bombas Bp i no reservatório de água poluída é disparada Para o acionamento das bombas se utiliza um FB sequenciador, o qual gerencia suas prioridades de ativação, tempos de operação e tempos entre ativações (para reduzir as correntes de partida); 2. Os filtros de areia Dyna são ativados; 3. Os compressores que fornecem ar-comprimido para os filtros são ativados. 58

67 Capítulo 6: Simulação e Resultados Uma vez tendo-se elaborado os controladores discretos dos reservatórios superior e de água tratada, tendo-se também todos os FBs de modelagem dos reservatórios, os FBs de tratamento dos dados de distribuição do volume para previsão de demanda, entre outros, partiu-se para a implementação da malha de controle da figura 5.1 através de programação em CFC. Por último, construiu-se uma interface gráfica da simulação no sistema SCADA. 6.1: Metas e Indicadores de Desempenho É importante estabelecer quais são as metas e os indicadores de desempenho que serão analisados para se qualificar a estrutura de controle proposta, de acordo com as especificações de projeto apresentadas no capítulo 2. Assim, foram levantados os seguintes critérios: 1. Indicadores de desmpenho. Traduzem-se em números, e servem para uma análise quantitativa. Por exemplo: frequência de chaveamento média das bombas de água tratada e das bombas centrífugas dos poços de captação; número de vezes em que os reservatórios superior, de água tratada e poços de captação esvaziam-se por completo ou transbordam; 2. Metas de desempenho. Utilizadas para uma análise qualitativa. As principais metas são: evitar o esvaziamento completo das piscinas, para manter o subsolo sempre encharcado; evitar oscilações fortes no nível do lençol freático; assegurar o fornecimento de água ininterrupto frente a intensos degraus na demanda de água tratada, entre outros. Outro aspecto importante da simulação é detectar como os requisitos de controle influem na consecução das metas de desempenho, tais como operar sempre com o mesmo número de bombas centrífugas em cada poço de captação. 59

68 6.2: Parametrização Antes de se realizar a simulação para avaliar o desempenho da planta com o sistema de controle integrado, deve-se fazer a devida parametrização dos reservatórios. Alguns dos parâmetros da planta aqui utilizados foram estimados a partir de conversas com os operadores e bom-senso, uma vez que muitos dados não encontravam-se prontamente disponíveis, e outros eram difíceis de determinar e.g. como o fundo do lençol freático. Reservatório Área (m 2 ) Altura (m) Volume (m 3 ) Reservatório superior Reservatório de água tratada Poços de captação (cada) Reservatório subterrâneo Reservatório subterrâneo Reservatório subterrâneo Grupo de piscinas Grupo de piscinas Grupo de piscinas Tabela 6.1: Parametrização dos reservatórios para simulação. Para a simulação dos elementos atuadores (ativos) da malha de controle da figura 5.1, criou-se um bloco simulador de sistemas dinâmicos de primeira ordem. Na verdade, tais FBs (instâncias) simulam a dinâmica do fluxo de água fornecido por tais atuadores. Por exemplo, no caso das bombas centrífugas que bombeam água dos poços de captação para o reservatório de água tratada é razoável assumir que a dinâmica da bomba (velocidade do rotor) aproxima-se da vazão por ela fornecida; por outro lado, tratando-se das bombas de vácuo que retiram água do lençol freático e a insere nos poços de captação a dinâmica do rotor da bomba é muito mais rápida do que a da vazão de água, i.e., primeiro a pressão negativa tem que ser gerada, para somente então a vazão nos dutos começar a aumentar. A figura 6.1 apresenta o comportamento do sistema de 1 a ordem implementado, com suas principais variáveis de interface 1 A particularidade do modelo aqui empregado é o fato de haver duas constantes de tempo distintas, uma para subida modelo da equação 6.1 e outra para descida modelo 6.2. Além do mais, o ganho do sistema é dinâmico e pode ir variando no decorrer da evolução do sistema. O ponto de operação o é referenciado ao zero 1 Variáveis de interface são aquelas públicas, que podem ser acessadas por outros FBs. 60

69 Figura 6.1: Modelo do sistema de 1 a ordem implementado. absoluto, e é utilizado para determinar quando o sistema pode ser considerado em operação. x(t) = K ) (1 e t τs L {x(t)} X(s) = K 1 + sτ s (6.1) x(t) = K e t τ d (6.2) O foco desta simulação é simular os fluxos de água e níveis de reservatórios, tão somente. A tabela 6.2 contém as dinâmicas e características atribuídas aos fluxos de água (vazões) geradas por cada elemento atuador da malha de controle. Atuador τ s τ d Saturação Ganho Rede de distribuição 2min 2min K > 0m 3 /h Bomba de água tratada 30s 10s K = ctem 3 /h Bomba centrífuga de poço 10s 5s K = 700m 3 /h Bomba de vácuo 3min 1min K = 900m 3 /h Módulo de filtragem rápida 1min 30s 2500m 3 /h 0 K 2500m 3 /h Tabela 6.2: Dinâmicas das vazões geradas pelos atuadores. A simulação dividiu-se em duas situações distintas: a primeira é o teste da planta sob circunstâncias corriqueiras de demanda, com uma curva prevista de volume distribuído cotidiana; a segunda representa um teste de reação ao degrau de demanda na rede de distribuição, de maneira a verificar se a ETA é capaz de garantir o fornecimento de água sob tal circunstância sem falhar com as metas de desempenho definidas. Ambas as simulações tiveram como condição inicial dos reservatórios a metade do nível máximo de cada um. 61

70 6.3: Simulação de Demanda Normal Definiu-se uma típica curva de demanda de água para o período de um dia no verão, conforme consta no gráfico da figura 6.2, e simulou-se o sistema sob estas circunstâncias ininterruptamente por um período equivalente a 14 dias. À demanda em cada hora foi atribuído um valor fixo, de forma que o chaveamento entre uma hora e a próxima corresponde a um degrau na demanda. Entretanto, na curva realizou-se uma interpolação linear. Figura 6.2: Curva típica de demanda de água no verão em um dia (24 horas). Em realidade, deixou-se o CLP operando por aproximadamente 1 dia e meio com um fator de tempo 10. Este mecanismo de manipulação do tempo não é um serviço disponibilizado nativamente pelo hardware, nem sequer pela biblioteca padrão de FBs da Siemens; para tanto, foi elaborado um FB manipulador do tempo, com algumas funcionalidades tais como seguir o tempo atual do sistema, ou então, a partir do tempo atual do sistema, passar a executar o tempo com uma velocidade diferente da normal, definida por um fator de tempo F R, tal que 0 < F 1 T s 60 (6.3) Onde T s é o período de chamada do OB no qual o FB manipulador de tempo e os FBs de simulação são executados. A constante 60 surge devido à contagem de tempo, cuja resolução é em minutos. O intervalo de F definido na expressão 6.3 exprime que o fator de tempo não pode ser nulo, senão um minuto duraria por um tempo real infinito. Por outro lado, F não pode ser excessivamente grande, caso contrário o 62

71 número de ciclos necessários de chamada do OB em questão seria menor do que 1. Nas simulações aqui abordadas, usou-se T s = 0, 1s, o que permite um fator de tempo máximo Fmax = 600. Assume-se para os controladores discretos dos reservatórios superior e de água tratada h S como o nível de desativação emergencial, h(d) como o nível de desativação, h a sendo o nível de ativação, h I representando o nível de ativação emergencial (figura 5.2), T co como o período de controle e T a o período para amostragem do nível. Os parágrafos a seguir tratam dos resultados da simulação. No reservatório superior a frequência média de chaveamento das bombas de água tratada ficou em = 1, 1/h, com configuração do controlador sendo h S = 4, 5m, h d = 4, 25m, h a = 2m, h I = 0, 5m, T co = 120s e T a = 20s. Esta frequência é bastante satisfatória, considerando a margem para se evitar esvaziamento e transbordagem do reservatório os quais não ocorreram e a impossibilidade de se realizar um controle contínuo clássico sobre o mesmo. Já para o reservatório de água tratada a frequência média de chaveamento das bombas centrífugas dos poços foi de = 6/h, com a seguinte configuração do controlador: h S = 3, 75m, h d = 3, 25m, h a = 1m, h I = 0, 25m, T co = 120s e T a = 20s. Como era de se esperar, a frequência de chaveamento aqui é mais alta, dado as dimensões menores deste reservatório, assim como o fato de se enviar a mesma requisição de controle para cada poço (bombas centrífugas) colabora para um sinal de controle muitas vezes forte demais. Como será visto na sequência, este não é o único problema desta especificação de controle. De qualquer maneira, a frequência aqui obtida foi menor do que a calculada em testes iniciais (seção 5.1.2), o que é um bom resultado para este indicador de desempenho, ainda mais considerando-se que em nenhum momento o reservatório esvaziou-se ou transbordou. Para os poços de captação fez-se a simulação do hardware de controle do nível do poço com os parâmetros h d = 4m e h a = 2, 5m (não há níveis emergenciais). A frequência de chaveamento obtida foi = 9, 3/h, a mais alta entre os três (tipos) de reservatórios abordados até aqui. Isto se deve à dinâmica lenta do fluxo de água sugado através das galerias pelas bombas de vácuo, fazendo com que as bombas tenham de ser ligadas (principalmente) e desligadas muito antes dos limites de capacidade dos poços. A operação foi simulada com as duas bombas por operação; caso se utilizasse apenas uma, o que é configurável pelo operador, a frequência de chaveamento passaria para cerca de 25/h, o que reduziria muito o período entre manutenções destes 63

72 equipamentos. Além disso, operando-se com as duas bombas de vácuo garantiu-se um volume mínimo e máximo de água dentro dos limites operacionais seguros com a menor frequência de chaveamento possível. O comportamento dos reservatórios subterrâneos 1 e 2 foram semelhantes, devido aos volumes semelhantes que possuem, assim como as áreas relativamente próximas dos grupos de piscinas que os alimentam. A figura 6.3 apresenta o gráfico do nível do reservatório 1 durante os 14 dias de simulação. Já a curva de nível do reservatório 3 convergiu para o valor desejado 2, 5m quase que com a metade do tempo, devido ao volume ser bem menor. Figura 6.3: Nível do reservatório 1, sob demanda típica, por 14 dias. A configuração do controlador clássico PI, implementado em um FB conforme a estrutura apresentada na figura 6.4, teve como constante proporcional K P = 1000 e constante integral K I = 0, 02. Figura 6.4: Estrutura do controlador PI implementado. Nota-se que, dada a condição inicial h(0) = 0, 5 hmax, o nível converge para a referência de 2, 5m aproximadamente como um sistema de segunda ordem, cujos pólos de malha fechada são complexos conjugados, ocasionando uma curva oscilatória 64

73 convergente. Daí conclui-se que, apesar desta malha interna de controle definida por controlador filtragem rápida piscinas de infiltração lençol freático ser não-linear, sendo o controle do tipo linear clássico (PI), devido ao grande atraso de transporte e da respectiva lenta ação de controle (pequena ação integral), o sistema é estabilizado, ao menos para este ponto de operação. Percebe-se também oscilações de menor porte, periódicas, durante as 2 semanas da curva de nível: elas representam o efeito da distribuição de vazão (demanda) diária, repassada ao lençol freático através da ação das bombas de vácuo. O atuador da malha interna de controle dos reservatórios subterrâneos, conforme consta na figura 5.1, é o módulo de filtragem rápida. O gráfico da ação de controle deste módulo é apresentado na figura 6.5. Nota-se que, a partir da condição inicial nula, o módulo vai também convergindo segundo o comportamento de um sistema de 2 a ordem, tendendo a estabilizar-se ao redor de 1300m 3 /h, o que é, aproximadamente, o valor médio (1246, 88m 3 /h) de vazão da curva definida na figura 6.2. Figura 6.5: Vazão de saída do módulo de filtragem rápida para demanda típica. Por último, o comportamento das piscinas reflte o desbalanço causado pela especificação de controle de se operar com o mesmo número de bombas centrífugas simultaneamente em cada poço de captação: enquanto, no grupo de piscinas 1 e 2, o nível raramente ultrapassou os 15cm, ocorrendo um pico de 20cm no grupo de piscinas 2 no quarto dia, já no grupo de piscinas 3 (piscina 12) o nível esteve até então sempre saturado em = 1m, possivelmente tendendo para convergir ao redor de 95cm. Isto se deve ao fato de, uma vez que a área de infiltração deste grupo é extremamente pequena, em relação ao volume de água retirado do reservatório subterrâneo correspondente (3), então o controlador distribuidor procura compensar 65

74 esta deficiência com um elevado nível na piscina. 6.4: Teste de Capacidade de Resposta Neste teste, simulou-se uma situação fictícia de demanda oscilatória crescente, na forma de degraus consecutivos alternados, conforme apresenta o gráfico da figura 6.6. O gráfico desta figura possui um aspecto diferente do da 6.2, no entanto a idéia é a mesma: cada hora possui uma demanda (vazão) constante, ocorrendo degraus na demanda no chaveamento entre as horas. Figura 6.6: Distribuição fictícia para teste de resposta ao degrau da ETA. Decidiu-se por realizar este teste para se detectar o limite de reação da planta, acima do qual não se garante o pronto e ininterrupto atendimento da demanda. O período de simulação foi também de 14 dias, realizado com fator de tempo F = 10. Os resultados obtidos foram os seguintes. A frequência de chaveamento do reservatório superior passou a ser f = 1, 3/h. Este aumento é devido, em parte, ao aumento do somatório do módulo da diferença entre demanda e sinal de controle mais próximo possível 23 i=0 ζ[i] c p [i], como mostra a tabela 6.3, o que faz com que o sinal de controle se torne mais forte, aumentando a inclinação α da curva de nível e, portanto, diminuindo o tempo entre chaveamentos consecutivos. Contudo, com o mesmo ajuste do seu controlador discreto, continuou não havendo quaisquer transbordagens ou esvaziamentos do reservatório. Já para o reservatório de água tratada ocorreu uma diminuição na frequência 66

75 23 i=0 Demanda Normal Teste de Capacidade ζ[i] c p [i] 2325m 3 /h 2800m 3 /h Demanda média 1246, 88m 3 /h 1350m 3 /h Volume total 29925m 3 /h 32400m 3 /h Tabela 6.3: Valores comparativos entre demanda normal e teste de capacidade. de chaveamento, passando para f = 4, 5/h. Além disso, não houve esvaziamentos, entretanto ocorreu uma transbordagem. Acontece que, quando a diferença entre os degraus na demanda é muito forte e negativa como ocorre entre 21h e 22h, com 200m 3 /h 2400m 3 /h = 2200m 3 /h a demanda de água do reservatório superior é intensamente reduzida, o que reduz bastante o sinal de controle aplicado às bombas de água tratada, as quais passam a retirar menos água do reservatório de água tratada. Portanto, o controlador reduz o sinal de controle aplicado às bombas centrífugas, mas, uma vez que esta reação exige um determinado tempo, até lá pode acontecer de o reservatório de água tratada transbordar. A configuração do controlador discreto deste reservatório manteve-se inalterada. A garantia contra esvaziamentos é assegurada por um sistema de proteção de baixo-nível, com maior prioridade do que o sinal de controle aplicado às bombas: à medida em que o nível em um reservatório cai abaixo de um valor mínimo inicial, o número de bombas disponíveis vai se reduzindo, até um nível mínimo crítico, debaixo do qual nenhuma bomba pode ser acionada. Nos poços de captação, a frequência de chaveamento também foi reduzida, agora para f = 6, 6/h. A justificativa é consequente à anterior: a redução no sinal de controle aplicado às bombas centrífugas dos poços de captação 2 faz com que o seu controlador (hardware) desligue as bombas de vácuo; no entanto, dados o tempo de reação do controlador e a grande inércia da vazão de entrada nos poços de captação devido ao vácuo maior do que a inércia da vazão de saída das bombas de água tratada acaba ocorrendo a transbordagem. No poço 1 ocorreram duas transbordagens, no poço 2 nenhuma, e no poço 3 aconteceu uma transbordagem. De qualquer maneira, sob reduções fortes no sinal de controle, surgem patamares (transbordagem saturação) longos nas curvas de nível dos reservatórios de água tratada e poços de captação, o que influi diretamente para as reduções na frequência de chaveamento. A figura 6.7 mostra o comportamento do nível do reservatório subterrâneo 1, 2 Reação em cadeia, ou sistema puxado, com fluxo (de água) em somente um sentido. 67

76 que foi idêntico ao dos demais. A configuração do controlador PI manteve-se a mesma. Nota-se que o nível segue a referência de 2, 5m conforme o desejado e, de igual forma, segundo o comportamento de um sistema de 2 a ordem. No entanto, os degraus na demanda perturbam menos as curvas de nível dos reservatórios subterrâneos, uma vez que o aumento da amplitude dos degraus combinado com a periódica oscilação entre eles simula um efeito de aumento de frequência, sendo que nesse caso, devido à dinâmica extremamente lenta do lençol freático, o sistema acaba atuando como um filtro passa-baixa, atenuando os efeitos das oscilações horárias de demanda. Figura 6.7: Nível do reservatório 1, sob teste de capacidade, por 14 dias. Finalmente, analisando-se a curva de tratamento de água (vazão) do módulo de filtragem rápida, apresentada na figura 6.8, verifica-se que o seu pico passou de 2072m 3 /h para 2125m 3 /h, assim como nesse caso a curva tende a estabilizar-se em 1400m 3 /h, aproximadamente o valor médio de demanda (tabela 6.3) para o teste de capacidade. Além disso, percebe-se um menor efeito de perturbação das vazões horárias, devido ao caráter de filtro passa-baixa do lençol freático, explicado anteriormente. Não obstante, o comportamento das piscinas de infiltração manteve-se praticamente o mesmo, apenas com uma ligeira elevação nos níveis de estabilização (convergência); logo, a piscina 3 saturou em 1m, reforçando o problema na especificação de controle das bombas centrífugas. Em síntese, mantidas as configurações dos controladores utilizadas para a simulação de demanda normal (típica), obtiveram-se as seguintes variações nos indicadores de desempenho: Melhorias: diminuições nas frequências de chaveamento do reservatório de água tratada e poços de captação; comportamento mais suave das curvas de 68

77 Figura 6.8: Curva de vazão do módulo de filtragem rápida em teste de capacidade. nível dos reservatórios subterrâneos e curva de vazão do módulo de água tratada; Deteriorações: aumento da frequência de chaveamento do reservatório superior; transbordagens nos reservatórios de água tratada e poços de captação; saturação completa no nível do grupo de piscinas 3 3. No entanto, mesmo sob condições adversas como neste teste de capacidade, garantiu-se o fornecimento de água tratada na rede de distribuição a longo prazo, através do não-esvaziamento dos reservatórios. 3 Só não ocorre transbordagem do grupo de piscinas 3 por causa do algoritmo de distribuição, limitando a vazão de entrada na piscina. 69