IV TELEMETRIA DO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO DA CAESB - MONITORAMENTO REMOTO DE PEQUENAS UNIDADES A BAIXO CUSTO

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1 IV TELEMETRIA DO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO DA CAESB - MONITORAMENTO REMOTO DE PEQUENAS UNIDADES A BAIXO CUSTO Claudio Nazareno (1) Engenheiro Eletricista formado pela UnB. Atualmente responsável pela Seção de Engenharia e Desenvolvimento da Manutenção do Sistema de Esgotos da CAESB- Companhia de Saneamento do Distrito Federal. Fábio Fernando Borges Técnico em Mecânica formado pela Escola Técnica Federal de Goiás em Cursando Processamento de Dados na ICESP - Brasília. Atualmente supervisiona os serviços da Seção de Engenharia e Desenvolvimento da Manutenção do Sistema de Esgotos da CAESB- Companhia de Saneamento do Distrito Federal. Endereço (1) : Av. das Nações Sul - Estação de Tratamento de Esgotos - Brasília - DF - CEP: Brasil - Tel: 55 (61) RESUMO Este trabalho descreve o estado atual da Telemetria do Sistema de Esgotamento Sanitário da CAESB- Companhia de Saneamento do Distrito Federal utilizado no monitoramento das suas estações elevatórias de esgotos. Detalha como as unidades se comunicam em uma rede distribuída com o CCO- Centro de Controle Operacional, quais parâmetros são medidos, medidores e transdutores utilizados e os controladores lógicos programáveis e softwares utilizados para o monitoramento. Na solução técnica implementada foi levado em consideração os custos envolvidos a sua implantação. Com este sistema o extravasamento de esgotos para os cursos hídricos foi minimizado e o tempo de resposta para intervenções de manutenção foi significativamente reduzido, aumentando a proteção ao meio ambiente. Como benefício adicional está a possível implementação de um servidor de dados de telemetria, possibilitando o acesso de outros computadores a esses dados desde qualquer outro ponto da rede corporativa ou até mesmo da Internet. PALAVRAS-CHAVE: Telemetria, Elevatórias de Esgotos, Aquisição de Dados, Redes Distribuídas, Intranet e Internet. INTRODUÇÃO Brasília e sua área urbana estão localizadas em um frágil ecossistema denominado cerrado. Nesta região, vários cursos d'água são formados e como conseqüência a disponibilidade de água para consumo é reduzida. Para proteger esse ambiente, em 1996 a CAESB começou a desenvolver um sistema de telemetria para monitoramento das unidades elevatórias de esgotos, evitando a poluição das bacias hidrográficas do Distrito Federal. Em 1997 a CAESB começou a operação de oito novas unidades elevatórias de esgotos equipadas com a tecnologia necessária para o sistema. Foram definidos os parâmetros a serem medidos, tanto elétricos como operacionais. Os parâmetros operacionais são: nível do poço de sucção e vazão da unidade. A vazão é medida através de um medidor ultra-sônico ou magnético e o nível por um ultra-sônico. Os parâmetros elétricos medidos são: tensão de fornecimento, corrente de operação das bombas e diversas proteções elétricas usuais. Transdutores são utilizados para transformar as tensões e correntes de linha em sinais de 0 a 5 Volts ou Ampéres. Para medições de potência são utilizados transdutores cuja comunicação pode ser tanto analógica quanto digital. Todos esses sinais são coletados por um CLP - Controlador Lógico Programável. A fim de flexibilizar o uso de qualquer marca de CLP, é utilizado uma CPU de PC-microcomputador para comunicar com o CCO. O PC possibilita também a supervisão das unidades com uma câmara e microfone a qual grava localmente arquivos de áudio e vídeo possibilitando ser realizada a segurança patrimonial das unidades. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Para se comunicar com distâncias de até 45 km, em 1998 começou a transmissão dos dados locais ao CCO. Várias alternativas foram consideradas, tais como transmissão por rádio e linha privativa. O fator determinante para a tomada de decisão a respeito do meio escolhido sempre é resultado de uma análise da relação custo x benefício das alternativas possíveis. Uma vez escolhido o meio de transmissão, foi implementada uma rede distribuída de computadores com o uso preferencialmente de linhas telefônicas comutadas de dados. ESTAÇÃO REMOTA, NA ELEVATÓRIA Os esgotos coletados nas áreas urbanas podem precisar de uma força adicional para atingir uma ETE - Estação de Tratamento de Esgotos, quando este for o caso, uma EE- Estação Elevatória é inserida no sistema de coleta. É apresentada a seguir as EEs do sistema de esgotamento sanitário do Distrito Federal com suas principais características operacionais. Unidades Integradas Km KW Q (m 3 /mês) Vila Areal 30 2 x Guará 10 2 x Vila Metropolitana 15 2 x Lago Norte QL x Lago Norte QL x Sobradinho II 35 2 x Brazlândia Bruto 45 4 x Brazlândia Tratado 50 3 x Vila Varjão 22 2 x 3, Condomínio Privê 30 2 x Sobradinho Rezende 35 2 x 11 Não disponível Planaltina Sul 56 4 x 90 Não disponível Planaltina Norte 60 2 x 7,5 Não disponível 413 Norte 20 2 x Total (14 unidades) Unidades a Integrar Km KW Q (m 3 /mês) Gama 35 1 x Taguatinga QNG 25 2 x Senegal 16 2 x Norte 22 2 x Vila Planalto 17 2 x Lago Sul EE x 15 Não disponível Lago Sul EE x 75 Não disponível Lago Sul EE x 55 Não disponível Lago Sul EE x Riacho Fundo Coca-Cola 30 3 x Riacho Fundo Asa Alimentos 33 3 x 30 Não disponível Vila Aeronáutica 27 2 x 3, Total (12 unidades) Tabela I - Elevatórias de Esgotos da CAESB em Operação Integradas e a Integrar. Para aumentar a confiabilidade e a performance das unidades, as bombas possuem diversas proteções tais como térmico, sobrecorrente e falta de fase as quais são tratadas como sinais digitais de 200 VAC. Grandezas elétricas como corrente, voltagem e potência consumida também são medidas e avaliadas de modo a acompanhar o desempenho da unidade. Para medição desses valores, é necessária a utilização de transdutores, transformando em pequenas frações proporcionais de energia os sinais coletados dos equipamentos de campo. Essa transformação proporcional gera os denominados sinais analógicos. O padrão usual para leitura desses sinais é o de 4 a 20 miliampéres, os quais representam de 0 a 100% em unidades de engenharia que podem ser Volts, Ampéres ou Kilo Watts. Atualmente, existe uma tendência em se substituir ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 as medidas analógicas pontuais ou discretas pelos chamados TDU- Transdutores Digitais Universais. Estes equipamentos, possibilitam a leitura de até 50 grandezas elétricas através de um único canal de comunicação e mais ainda, podendo-se colocar na mesma rede de comunicação até 30 equipamentos distintos, dependendo do protocolo de comunicação utilizado. Como já foi dito anteriormente os dados operacionais mais importantes a serem medidos são vazão e nível do poço de sucção. A medição de vazão pode ser feita através da utilização de um medidor ultra-sônico em calha Parshall ou com medidor magnético instalado na tubulação de recalque. A medição do nível do poço de sucção é feita através de medidor ultrassônico o que evita o contato com sólidos favorecendo a acuidade e a confiabilidade da medição. Ao invés de se utilizar o CLP para o acionamento e revezamento das bombas, foi utilizado o medidor de nível. Assim, eliminou-se a necessidade de acionamento através de saídas digitais tornando a instalação mais robusta e econômica, eliminando circuitos eletrônicos de acionamento de potência pelo CLP. Além das saídas digitais, esses medidores de nível e vazão possuem também saídas analógicas informando ao CLP os valores instantâneos medidos. Para a coleta de todos esses sinais digitais e analógicos descritos anteriormente é utilizado um CLP. Este equipamento é responsável pela transformação desses sinais elétricos em dados que são lidos através de softwares de coleta de dados por microcomputadores do tipo PC. A comunicação entre o CLP e o PC utiliza comunicação serial de dados assim como utilizado por outros periféricos normalmente utilizados em informática. Este PC instalado na elevatória executa um aplicativo para coleta dos dados e supervisório do processo através de um "driver" específico para cada marca de CLP. Esses dados são disponibilizados então para uma IHM- Interface Homem Máquina a qual é responsável pela apresentação destes de maneira amigável para os operadores do sistema. A utilização de um PC em cada remota, unidade elevatória, é especialmente útil por dois principais motivos: flexibilidade na comunicação de dados entre as unidades e o CCO e possibilita a aquisição de marcas diferentes de CLP. A não padronização de CLP possibilita a utilização de diversas tecnologias sem estar preso a nenhum tipo de fabricante, podendo ser utilizado qualquer tecnologia ofertada desde e quando esta possua um protocolo de comunicação compatível com o sistema supervisório. Também, a comunicação entre computadores via rede distribuída- WAN é muito utilizada hoje em dia. Inúmeros fabricantes e prestadores de serviço oferecem equipamentos e serviços de comunicação o que torna essa solução muito mais fácil de ser implementada do que uma solução fechada e proprietária de um único fabricante de CLP. O uso de PC possibilitou também a vigilância patrimonial da unidade, onde a utilização de câmeras do tipo "webcam", capturam a imagem e o som da unidade gerando um arquivo local. Esses arquivos podem então ser transmitidos pela rede quando requeridos pelo operador do CCO. A implantação deste tipo de câmera demonstrou ser extremamente simples e o seu custo de aquisição baixo. Hoje em dia esses equipamentos estão profundamente disseminados até para uso doméstico. Essa solução inclui não somente a captura como também a transmissão de imagens como parte integrante do produto. Cabe salientar ainda que neste projeto optou-se ainda pela instalação somente do gabinete da CPU do PC sem nenhum periférico como monitor e teclado como forma de diminuição de custo, diminuição de espaço dos paineis e também mimetizando de certa forma a existência de um PC na EE. Uma interrogante que surge de maneira muito natural neste tipo de instalação é o porquê de ter sido utilizado um CLP para a aquisição dos dados independentemente do PC, quando poderia ter sido utilizado um sistema de aquisição na própria unidade de processamento. A experiência como usuário de informática indica que os PCs não são suficientemente robustos para a aplicação e podem simplesmente "travar". Quanto maior a exigência em termos de periféricos e capacidade de processamento maior é a demanda por máquinas melhores. Isso pode ser verificado em relação aos mais conhecidos sistemas operacionais, MS Windows 95, 98 e até o NT com a famosa tela azul. Quanto ao LINUX, sempre existe a possibilidade do software utilizado possuir uma "surpresa" uma vez que seu código é aberto ou ainda que a determinada instituição não o suporte mais com novas versões. Isso sem mencionar a ainda baixa lista de dispositivos com compatibilidade ofertada. Esta incompatibilidade e falta de suporte, em se tratando de mercado brasileiro, é extensiva a outros sistemas operacionais tais como OS2 e Mac. Hoje em dia, esse temor de controlar aplicações industriais com o próprio PC começou a ser desmistificado com a implantação da norma da International Electrochenical Commission -IEC e conseqüente ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 lançamento de vários produtos compatíveis com esse tipo de software normatizado para controle em PCs. Porém, a base instalada desse tipo de configuração indica que este tipo de padrão está longe de se tornar uma unanimidade no mercado atual. Para se comunicar com o CCO, a rede WAN implementada utiliza o protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Para enviar os dados pela rede, o PC possui uma placa de rede ethernet instalada, a qual se comunica diretamente com um roteador responsável por endereçar os dados a serem transmitidos pela rede. Os dados, divididos em pacotes, são então enviados serialmente para um modem que os transmite pelo meio físico escolhido como transmissão. É apresentada a seguir a configuração utilizada em uma EE. Todos os equipamentos indicados se encontram instalados no interior do CCM -Centro de Comando de Motores. CONCESSIONÁRIA TELEFÔNICA LOCAL REDE X-25 REDE DE DADOS COMUTADA MODEM WEB-CAM ROTEADOR PC CPU AUDIO CLP 220 vac, 4-20mA, RS-485 Figura 1 - Configuração da Estação Remota. MEIO DE TRANSMISSÃO Para a escolha do meio de transmissão, mais uma vez visando uma implantação de custo reduzido, optou-se preferencialmente pela utilização de linhas telefônicas comutadas de dados. As opções de transmissão são diversas e nem sempre a mais rápida é a mais viável ou necessária. Os diversos meios de comunicação podem ser via: rádio VHF ou UHF, banda larga de espalhamento espectral, fibra-ótica, linha discada, linha privativa de dados ou ainda linha comutada de dados. Cada uma têm suas vantagens e limitações. Para tentar esclarecer um pouco as características de cada uma é apresentada a tabela a seguir: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Meio de Transmissão Vantagens Desvantagens Rádio VHF/UHF simplicidade dos equipamentos, possibilidade baixa velocidade, grande de trafegar voz conjuntamente, atende quase manutenção, médio custo de todas as localidades implantação, baixa confiabilidade, Espalhamento espectral altíssima velocidade, eliminação de equipamentos, baixa manutenção, alta confiabilidade licença requerida distâncias menores, linha de visada necessária, atendimento restrito de localidades Fibra-ótica altíssima velocidade, manutenção zero dificuldade de implantação, custo de implantação Linha discada simplicidade da instalação baixa robustez, instalação de linha telefônica, alto custo mensal Linha Privativa de Dados Linha Comutada de Dados altíssima velocidade, alta confiabilidade, manutenção terceirizada média velocidade, manutenção terceirizada, baixo custo mensal, médio atendimento Tabela 2 - Meios de Transmissão. alto custo mensal, médio atendimento média confiabilidade, custo mensal, média velocidade Como pode ser visto na tabela anterior, não existe uma resposta unívoca para a escolha do meio de transmissão de um sistema com várias interligações. No caso da CAESB optou-se basicamente por três distintos meios: 1. Linha comutada de dados (12 remotas); 2. Rádio VHF (1 remota) e 3. Espalhamento espectral (1 remota). A tecnologia de espalhamento espectral é bastante nova e foi disponibilizada no mercado brasileiro posteriormente à instalação da maioria das unidades da Companhia e poderia ter sido utilizada em algumas poucas unidades que possuem linha de visada com o CCO. A única unidade onde a transmissão é via rádio é uma das mais antigas, a de menor velocidade. Porém, é a única forma viável encontrada até o presente momento. Esta localidade é completamente afastada de qualquer área urbanizada e sob um aclive de terreno de vários metros. Restaram então as 12 unidades com transmissão via linha comutada de dados, a grande maioria das unidades da Companhia. O fator principal que levou para a escolha dessa tecnologia foi a possibilidade de atendimento das unidades por parte da concessionária de transmissão de dados, os equipamentos de transmissão serem terceirizados e o custo mensal baixo, tarifado por bit transmitido. TELEMETRIA, A REDE DISTRIBUÍDA - WAN A comunicação entre as remotas e o CCO na configuração escolhida, nada mais é do que a comunicação entre micros de uma mesma rede através de um meio físico extenso. Como já foi dito anteriormente, a rede local em cada unidade utiliza o padrão Ethernet e para se comunicar com o CCO os dados devem ser endereçados e empacotados corretamente de forma a que cheguem ao seu destino final mesmo trafegando através de meios físicos compartilhados como é o caso da aplicação. Testes iniciais utilizaram o protocolo X.28 na camada de transmissão o qual demostrou ser ineficiente, tendo sido necessária a sua substituição para um protocolo múltiplo. Assim foram padronizados dois tipos de protocolos: o X.25 na camada de enlace de dados, para endereçamento dos pacotes, e o TCP/IP como o protocolo de transporte e de rede dos dados. Assim, cada PC em cada remota recebeu um endereçamento IP próprio para este sistema de telemetria, assim como o utilizado na Internet, e um endereço de circuito X.25 para comutação dos pacotes pela rede contratada e compartilhada com outras empresas e aplicações. O equipamento responsável por todo esse endereçamento tanto na ida dos dados quanto na volta dos mesmos é o roteador acoplado ao modem instalado em cada unidade. Com as velocidades escolhidas variando entre 2400 bps e bps para os diversos enlaces entre as remotas e o CCO, o tempo médio de comutação de pacotes é da ordem de 700 ms. Isto é o tempo médio que o pacote de dados leva para sair de um PC em uma remota até a chegada no computador do CCO. A ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 isso deve-se somar ainda os tempos necessários para processamento das informações por parte dos PCs e softwares supervisórios o que será discutido posteriormente. A seguir é apresentado o diagrama da rede distribuída implementada incluindo os PCs do CCO chamados de SUPER 01 e 02. PC PC LINHA DISCADA SUPER_02 BACK UP LAN ETHERNET HUB SUPER_01 MASTER ETHERNET ROTEADOR SERIAL MODEM REDE DE DADOS COMUTADA CONCESSIONÁRIA TELEFÔNICA LOCAL REDE X-25 REDE DE DADOS COMUTADA ELEVATÓRIA DE ESGOTOS ELEVATÓRIA DE ESGOTOS ELEVATÓRIA DE ESGOTOS Figura 2 - Rede Distribuída - WAN.SUPERVISÓRIO. No CCO foi desenvolvido um sistema supervisório SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition- Supervisório de Controle e Aquisição de Dados) com duas telas principais. A seguir é apresentada a tela inicial do sistema. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 3- Tela de entrada do supervisório. Apesar de ter sido mencionado anteriormente um tempo de tráfego dos dados de menos de um segundo, para otimizar o tráfego na rede, diminuindo a tarifação e evitando congestionamento da capacidade de processamento dos diversos equipamentos que compõem o sistema, o tempo de varredura definido para esta tela é de 1 minuto. Este tempo é muito menor do que a freqüência de ocorrência de eventos em uma elevatória de esgotos, onde a variação no nível é feita de forma muito lenta e uma bomba entra em funcionamento no máximo 3 vezes por hora. Caso ocorra um alarme, o operador pode verificar toda a elevatória selecionando a unidade que apresentou problema. Quando carregada a tela correspondente, todos os tags (itens, pontos ou equipamentos) são requisitados da unidade e apresentados graficamente incluindo o defeito atuado, possibilitando a identificação do equipamento que gerou o alarme. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Figura 4 - Tela específica da elevatória. Quando a tela específica é apresentada, a mesma é atualizada a cada 30 segundos. Assim, o operador do sistema pode monitorar de uma forma bem próxima o comportamento de um determinado equipamento. A figura 4 apresentada anteriormente é uma tela de exemplo de elevatória sendo monitorada. Com 14 unidades atualmente integradas ao sistema, o total de pontos de E/S (entradas e saídas) do sistema é: 150 analógicos e 98 digitais. Na implementação final com 26 unidades o sistema irá totalizar mais de 600 pontos de E/S. SISTEMA DE ACESSO REMOTO Complementando o sistema de supervisão, foi implementado um Sistema de Acesso Remoto. Como já foi mencionado anteriormente o protocolo utilizado neste sistema é o TCP/IP, o mesmo da Internet. Portanto, um usuário de Internet que já possua sua estação de trabalho configurada para acessar a rede mundial, poderá acessar também o sistema de telemetria. Para ter acesso ao sistema basta o usuário ter no seu computador um navegador de Internet instalado e realizar uma ligação telefônica para o servidor do sistema no CCO. Assim, um usuário da telemetria que pode ser um técnico de plantão ou mesmo o gerente de uma estação em casa ou até em viagem, pode acessar o sistema e visualizar o funcionamento das unidades. Atualmente, os sistemas industriais de informação estão migrando para o e-commerce podendo utilizar, dentre outras, ferramentas ERP -Enterprise Resource Planning (o conhecido SAP) no seu comércio eletrônico. Esta é uma tendência natural. Todos os dados existentes em uma corporação devem estar disponíveis em todos os níveis. Sintonizado nessa nova tendência que representa flexibilidade e democratização no acesso às informações de uma empresa, mais ainda no caso de utilidade pública, este sistema já se encontra preparado para disponibilizar seus dados na Intranet ou na Internet. A escolha dependerá do público alvo que se deseja atingir, se restrito à corporação ou amplo com acesso à comunidade. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 A seguir é apresentada a tela do acesso remoto ao sistema, visualizando uma elevatória especificamente. Figura 5 - Elevatória pelo acesso remoto. CONCLUSÕES Neste trabalho foi descrito o trabalho desenvolvido no projeto e implementação de um sistema de telemetria sempre visando uma implantação robusta com baixo custo. Como principais soluções de baixo custo adotadas para o sistema podemos destacar:! Não utilização de saídas digitais no CLP;! Utilização de PC local tornando o sistema independente de marca de CLP utilizado;! Transmissão terceirizada via linha comutada de dados;! Diminuição da freqüência de varredura, diminuindo a tarifação;! Instalação de somente a CPU do PC;! Aquisição de imagem e som através de "webcam";! Desenvolvimento na empresa;! Treinamento de equipe;! A própria Companhia é proprietária do desenvolvimento. O uso de um sistema de telemetria implica no desenvolvimento de uma equipe de trabalho multitarefa. Isto requer tempo e deve ser entendido quando ocorrem atrasos no cronograma de implantação quando da procura de defeitos ou simplesmente aprendendo sobre os equipamentos e suas configurações. Após três anos de operação do sistema, a análise da sua performance pode ser dividida em duas partes distintas. Primeiramente, o sensoriamento local, atuação e requisição dos dados, demonstraram ser perfeitamente estáveis tendo levado a pouquíssimos casos de extravasamentos ou perda de aquisição. A ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 segunda parte relativa a transmissão dos dados e leitura remota, é razoavelmente estável porém com uma perda significativa de dados nos enlaces. Porém, essa perda de comunicação é menor que a taxa de variação do nível nos poços não devendo ser entendida como perda de supervisão ou falta de confiabilidade do sistema. O tempo de resposta das elevatórias é uma característica restritiva do sistema e os custos relacionados a uma transmissão veloz devem ser sempre levados em consideração na especificação do projeto. As inspeções diárias podem ser espaçadas para mais de uma semana, resultando em uma melhor divisão do pessoal e reduzindo os custos operacionais com esta tarefa. Com este monitoramento em tempo real, os equipamentos são melhor monitorados e os defeitos podem ser rapidamente sanados aumentando a confiabilidade das unidades. Os dados coletados podem ser disponibilizados graficamente para modelagem do sistema e predição do sistema em caso de falha de energia ou falha nas bombas. O trabalho desenvolvido na implementação de um sistema de telemetria para monitoração de estações elevatórias de esgotos indicou que este é um investimento de médio prazo que requer um grande desenvolvimento, incorporação de tecnologia e integração com equipamentos de ponta no chamado estadoda-arte. Esta integração, leva a sempre crescentes objetivos o que torna indispensável o estabelecimento de objetivos intermediários. Os benefícios para a comunidade, ambientais e operacionais tornam o uso de um sistema de telemetria vital para qualquer sistema de esgotamento sanitário independente do porte do mesmo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. NAZARENO, C. Telemetry of Wastewater Pumping Stations, Conference on Environmental Physics - Universidade de Brasília, CAESB. Sinopse do Sistema de Esgotamento Sanitário do Distrito Federal MACEDO, E. T. Controles em PC, Revista Intech Brasil, Junho 2000, pags MINTCHELL, G. A. HMI Software Power Diagnostics, Revista Control Engineering, Julho/Agosto 1999 págs ZONEWORX. TCP/IP. White Paper ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10

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