X-007 SISTEMA DE MEDIÇÃO MICROPROCESSADO PARA ESTAÇÕES COMPACTAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO

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1 X-007 SISTEMA DE MEDIÇÃO MICROPROCESSADO PARA ESTAÇÕES COMPACTAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Celso J. Munaro Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Maria. Mestre e Doutor em Automação pela Universidade Estadual de Campinas. Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo. Suas áreas de interesse são automação industrial e estimação e controle robustos. Paulo Faria Santos Amaral Graduou-se em Engenharia Eletrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), e obteve os títulos de Mestre em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em 1979 e Doutor em Engenharia Elétrica na Escola Politécnica da USP, em É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFES e suas áreas de interesse envolvem robótica e sistema microprocessados. Leonardo Pereira Bastos Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo. Atualmente presta serviços na área de automação industrial e é aluno do Mestrado em Automação da UFES. Wagner Teixeira da Costa Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo. Atualmente é aluno do Mestrado em Automação da UFES. Rafael Peixoto Derenzi Vivacqua Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo. Atualmente é aluno do Mestrado em Automação da UFES. Endereço: DEL-CT-UFES. Av. Fernando Ferrari, s/n Bairro Goiabeiras - Vitória - ES - CEP: Brasil - Tel: (27) munaro@ele.ufes.br. RESUMO Esse artigo apresenta um sistema microprocessado desenvolvido para dar suporte ao monitoramento e automação em estações compactas de tratamento de efluentes. As informações mais importantes neste tipo de processo são medidas em um único equipamento, podendo ser visualizadas, armazenadas para posterior análise ou utilizadas para integrar um eventual sistema de automação existente. Ações de controle são também facilmente executadas pelo equipamento descrito, que consiste de sondas comerciais acopladas a um sistema microprocessado de alta capacidade através de circuitos de condicionamento e compensação de sinais. As calibrações são realizadas através do sistema microprocessado interligado a um computador portátil via porta serial. A flexibilidade e baixo custo do equipamento desenvolvido o tornam muito adequado para muitas aplicações em processos de tratamento de efluentes. A aplicação do equipamento a um sistema real é ilustrada e discutida. PALAVRAS-CHAVE: Aquisição de dados, instrumentação, sistemas microprocessados, biosensores, tratamento de esgoto sanitário. INTRODUÇÃO O desenvolvimento de estações compactas para o tratamento de esgoto sanitário (ETE)([1]), com baixa produção de lodo e baixo impacto ambiental, representa uma solução para problemas tais como falta de espaço e difícil aceitação das mesmas por parte da população. Entretanto, este processo de tratamento exige uma operação mais cuidadosa para garantir o desempenho dele esperado. Certas operações devem ser realizadas a intervalos regulares, o que é facilmente garantido por um sistema automatizado, que pode ter diferentes níveis de sofisticação. O sistema de automação mais avançado permitiria a operação autônoma da ETE, desde que não houvesse falhas que exigissem troca de equipamentos. Entretanto, a maior sofisticação da automação exige informações mais completas sobre variáveis do processo, cuja obtenção pode ser ABES Trabalhos Técnicos 1

2 dispendiosa([2]). O alto custo do sistema de automação pode, por sua vez, inviabilizar sua implantação em ETEs de pequeno porte e menor custo. Dentre os equipamentos utilizados para o sistema de automação, aqueles destinados à instrumentação do processo representam uma parcela significativa no custo total. Sua utilização é viável em grandes ETEs, mas não em pequenas, de menor custo. Destas considerações, surgiu a proposta aqui descrita de desenvolver um sistema microcontrolado de baixo custo que pudesse fornecer a um operador ou a um sistema de automação as principais variáveis de processo necessárias ao controle de uma ETE compacta, composta de um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) seguida de um biofiltro aerado (BF) submerso. Usando tecnologia de microcontroladores, os dados adquiridos em diferentes sondas são convertidos e disponibilizados para leitura, armazenamento ou controle, em um mesmo equipamento. O equipamento desenvolvido, a medição das variáveis e sua utilização no monitoramento e controle da ETE compacta são descritas neste artigo. O sistema aqui descrito é fruto de atividades de pesquisas conjuntas realizadas entre docentes/pesquisadores dos Departamentos de Engenharia Elétrica e de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO Para fins de análise, o equipamento desenvolvido pode ser dividido em três partes: sistema microcontrolado, interface com sondas de medição, comunicação com usuário e outros equipamentos. SISTEMA MICROCONTROLADO Para implementação do sistema de medição microcontrolado, uma placa de aquisição foi construída baseada no microcontrolador 80C196KB da Intel. Além do seu baixo custo, esse microcontrolador possui as seguintes características importantes para esse tipo de aplicação: arquitetura de 16 bits com instruções de multiplicação e divisão; sistema de interrupções eficiente com arquitetura baseada em registros; possibilidade de funcionamento como microcontrolador, permitindo expansões de memória e de periféricos; 8 canais multiplexados para conversão A/D (analógico/digital) de 10 bits; saída PWM de alta-freqüência para comando de motores e válvulas; entrada e saída de alta-velocidade com captura e comparação em tempo real; entradas e saídas digitais; interface independente de comunicação serial; 2 temporizadores de 16 bits e um temporizador de watchdog. Como expansão das características acima descritas, foram implementados na placa do medidor 16Kbytes de memória EPROM, 32Kbytes de memória RAM não volátil com relógio de tempo real embutido, mostrador alfa-numérico de cristal líquido de 2 linhas com 16 caracteres e iluminação traseira por diodos emissores de luz, conversor D/A (digital/analógico) de 12 bits, 3 circuitos com amplificadores de instrumentação com ganho variável e fonte de alimentação 110V/220V. INTERFACE COM EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO As diferentes medidas provenientes das sondas envolvem grandezas que devem ser condicionadas e compensadas para então serem utilizadas pelo usuário ou por um sistema de controle. Para a medição de ph, OD (oxigênio dissolvido) e vazão de gás, sondas comerciais foram adaptadas ao sistema microcontrolado. Para a medição de vazão de líquidos, uma sonda foi desenvolvida usando para isto transdutores ultra-sônicos. As sondas para medição de ph e OD têm natureza semelhante. Ambas fornecem tensões da ordem de milivolts proporcionais à grandeza medida. Possuem impedância muito alta em suas saídas, exigindo um 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 módulo pré-amplificador para reduzi-la. Este módulo deve ser protegido adequadamente do meio onde vai operar (umidade e corrosão). A informação da temperatura é usualmente disponível nestas sondas para compensação das medidas feitas. No equipamento desenvolvido, foram medidas a tensão (em milivolts) e a temperatura proveniente de um termistor das sondas acopladas a um pré-amplificador. A tensão é antes amplificada pelos amplificadores de instrumentação da placa e condicionada para a faixa do conversor A/D. O programa desenvolvido para o microcontrolador faz a compensação de temperatura e a conversão da tensão medida para a grandeza desejada. Para a medição da vazão de gás, utilizou-se uma turbina comercial com um disco ranhurado e um acoplador óptico. A adição de um circuito eletrônico permitiu a geração de sinais digitais padrão TTL (Transistor Transistor Logic) compatíveis com a entrada digital do microcontrolador. O somatório dos pulsos foi então convertido para a informação de vazão de gás, em litros/segundo. A vazão de líquido foi medida a partir da variação da altura do nível do líquido no tempo, via transdutores ultra-sônicos. Uma saída digital foi utilizada para gerar pulsos com a freqüência de ressonância do transdutor, que, após amplificada, foi aplicada ao mesmo. Tanto este amplificador quanto o circuito de detecção de eco foram incluídos na placa do microcontrolador. O programa então calcula a distância, compensada pela informação da temperatura ambiente (medida por um semicondutor) e gera a informação da vazão em litros/segundo que passa pelo mesmo. Finalmente, a disponibilidade de entradas e saídas digitais e analógicas não utilizadas permite que o equipamento possa ainda manipular novas informações, ampliando assim suas possibilidades de uso. COMUNICAÇÃO COM O USUÁRIO E OUTROS EQUIPAMENTOS As medidas feitas podem ser visualizadas em tempo real através de um mostrador alfanumérico de cristal líquido de 2 linhas com 16 caracteres e iluminação traseira por diodos emissores de luz. Informações sobre eventuais falhas são também indicadas no mostrador. Esta opção de operação é apropriada para plantas em que um operador faz as leituras das medidas e toma as ações necessárias. Isto é, não há automatismos. Outra opção de operação do medidor é a de data logger (registrador de dados). A memória de 32Kbytes permite que medidas sejam feitas e armazenadas por longos períodos. Por ser uma memória não-volátil, faltas de energia não implicam na perda dos dados armazenados. Um programa instalado em um computador pessoal permite que estes dados sejam transferidos para o usuário, com a data e hora de cada coleta. A freqüência com que estes dados são armazenados é selecionada pelo usuário. Uma terceira forma de uso do equipamento é como transmissor de múltiplas medidas a um sistema de automação já existente. Um CLP (Controlador Lógico Programável) pode selecionar, através de suas saídas digitais, a medida desejada, que será disponibilizada na saída analógica do medidor e poderá ser lida pelo CLP. O equipamento foi embutido em uma caixa hermética (grau de proteção IP-65) que garante sua proteção com relação ao ambiente hostil representado pela estação de tratamento de efluentes onde deve operar. Todas configurações e calibrações são feitas diretamente no software executado no PC. APLICAÇÃO A UMA ETE COMPACTA TIPO UASB+BF Descrevemos agora a aplicação do equipamento desenvolvido a uma ETE do tipo UASB+BF, instalada no Campus da UFES para fins de pesquisa. Na primeira, ele é utilizado para monitorar as principais variáveis do processo, de modo a subsidiar o operador com informações para suas decisões. Na segunda aplicação, o equipamento é interligado a um CLP para integrar um sistema de automação. A figura 1 será utilizada para descrever as duas aplicações. ABES Trabalhos Técnicos 3

4 SISTEMA DE MONITORAMENTO E REGISTRO Demonstra-se agora a utilização do sistema microcontrolado para medir e armazenar variáveis do processo com a freqüência desejada. Os dados medidos são visualizados continuamente em um mostrador de cristal líquido. São também armazenados na memória não-volátil, a cada período de 5 minutos. A ligação de um computador portátil via porta serial RS-232 permite que se leia todos os dados armazenados com sua transferência para o disco rígido. A calibração das sondas de ph, OD e distância via ultra-som também é feita através do computador, apresentando-se ao equipamento medidas padrão. O operador pode então, através das informações coletadas, operar de forma mais eficiente a ETE (vide figura 1). Na elevatória, os dados de nível e vazão são utilizados para ajustar o fluxo de esgoto bombeado. No reator anaeróbio, os dados de ph, temperatura e vazão de biogás permitem inferir o nível de atividade bacteriana, prevendo ainda eventuais falhas que possam ocorrer devido a um ph inadequado para as mesmas. O oxigênio dissolvido medido no reator aeróbio permite ajustar o nível de aeração do mesmo, evitando assim condições inadequadas para as bactérias aeróbias ou, no outro extremo, consumo desnecessário de energia. SISTEMA DE CONTROLE Na ETE piloto da UFES, o equipamento está instalado como mostrado na figura 1, subsidiando o CLP com informações para o controle de diferentes malhas. O CLP usa três saídas digitais para informar ao medidor a informação desejada, que é então disponibilizada em uma de suas entradas analógicas. Assim, o CLP controla o bombeamento de esgoto para o UASB através de um inversor. Controla também a lavagem do biofiltro, que deve ser feita periodicamente. Para isto, duas válvulas do biofiltro (descarte e saída) e uma de ar devem ser acionadas de forma controlada, bem como a bomba do reservatório, de onde vem a água para a lavagem. Um sistema supervisório permite o monitoramento remoto da ETE e o registro de todas variáveis do processo armazenadas. Serão implementados brevemente o controle automático do nível de aeração a partir da medida de OD já feita e de uma válvula de controle proporcional a ser instalada. Um procedimento automático para decidir o melhor instante da lavagem do biofiltro também será implementado, usando para isto a informação da perda de carga medida por um transdutor de pressão ligado ao equipamento desenvolvido. COMENTÁRIOS GERAIS Considerando a descrição do equipamento desenvolvido e de sua aplicação, pode-se perceber as contribuições que o mesmo pode dar dentro dos objetivos a que se propõe. Um mesmo equipamento reuniu um conjunto de características que permite uma grande redução nos custos em sistemas de medição e controle de uma ETE compacta. Nos medidores de ph, OD, vazão e outros, o custo do transmissor é normalmente superior ao da sonda. No sistema desenvolvido, um único transmissor foi utilizado em conjunto com sondas de baixo custo, resultando em um equipamento de custo muito baixo, se comparado à aquisição em separado de todos os medidores. Deve-se considerar ainda que funções de controle são também facilmente implementadas, uma vez que há saídas digitais e analógicas disponíveis. Na aplicação de controle da ETE citada, por exemplo, o sistema microcontrolado poderia ter executado as ações de controle do CLP. Isto não feito porque tanto o CLP quanto o sistema supervisório haviam sido instalados previamente. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 1. Aplicação do equipamento desenvolvido a uma ETE compacta tipo UASB+BF REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. R.F.Gonçalves, V.S.Bof, V.L.Araújo, (1998) - Balanço energético e produção de lodo em uma ETE do tipo UASB + biofiltros aerados submersos - Anais do VIII SILUBESA / ABES, Vol. 1, pp , J 2. Instrumentation in Wastewater Treatment Facilities, Manual of Pratice 21, by the Water Environment Federation Alexandria 1993, 332 pp. ISBN X ABES Trabalhos Técnicos 5