SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA

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1 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA CLEBER C. FONSECA, DENNIS BRANDÃO Laboratório de Automação Industrial, Departamento de Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo Av. Trabalhador Sãocarlense, 400 São Carlos SP CEP s: Abstract Street lighting systems are composed of devices attached to the points of light connected via network, and applications that run on computers that indicate problems at the points of light and determining the amount of energy consumption. List the lighting in failure, positioning the lighting in failure on maps, automate the process of reading the energy consumption and adopt standards to enable collaboration and scalability of the solution are the motivations of this work. The proposed system architecture is modular and scalable, cell-based model allows a new set of devices can be added according to demand. In developing this work the C # language is adopted to develop control and monitoring via standard CyberOPC (Cybernetic OPC) and the type XML files are used for description of devices and definition of network topology. Preliminary results validate the methodology, the proposed architecture and motivations. The next step of work is to implement the proposed system in a pilot test to validate the characteristics of measuring energy consumption and receive alarms. Keywords Street lighting system, Supportability, CyberOPC. Resumo Sistemas de controle e monitoramento de iluminação pública são compostos por dispositivos acoplados aos pontos de luz interligados via rede, e aplicativos que são executados em computadores que indicam problemas nos pontos de iluminação e apuram o valor do consumo de energia. Listar os pontos de iluminação em falha, posicionar os pontos de iluminação em falha em mapas, automatizar o processo de leitura do consumo de energia e adotar padrões para permitir a colaboração e expansibilidade da solução são as motivações deste trabalho. A arquitetura do sistema proposto é modular e expansível, o modelo baseado em células permite que novos conjuntos de dispositivos possam ser adicionados de acordo com a demanda. No desenvolvimento do trabalho a linguagem C# é adotada para desenvolver o controle e monitoramento através do padrão CyberOPC (Cybernetic OPC) e arquivos do tipo XML são aplicados para descrição dos dispositivos e definição da topologia da rede. Os resultados preliminares validam a metodologia, arquitetura proposta e as motivações. O próximo passo do trabalho é implementar o sistema proposto em um teste piloto para a validação das características de medição de consumo de energia e recepção de alarmes. Palavras-chave Sistema de iluminação pública, Suportabilidade, CyberOPC. 1 Introdução A resolução 414 de setembro de 2010 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, 2010) estabelece que a pessoa jurídica de direito público é o responsável pela operação e manutenção da iluminação pública, sendo a pessoa jurídica de direito público um dos seguintes poderes públicos federal, estadual ou distrital e municipal. A resolução ainda cita que a pessoa jurídica de direito público pode contratar empresas ou concessionárias de energia elétrica para manter os pontos de iluminação. As principais atribuições da empresa ou concessionária contratada são de estipular o valor de consumo de energia elétrica da iluminação pública mensalmente do município e manter o parque de iluminação pública operando. A metodologia adotada para cálculo do consumo de energia é baseado em número de pontos de iluminação instalados e quantidade fixa de horas de operação da lâmpada, podendo provocar dúvidas com relação ao valor estipulado do consumo de energia elétrica. A resolução 414 de setembro de 2010 (Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, 2010) determina que uma lâmpada permaneça ligada diariamente onze horas e cinquenta e dois minutos para efeitos do cálculo de consumo de energia elétrica na iluminação pública. Atualmente a notificação de problemas relacionados aos pontos de iluminação publica são de responsabilidade do usuário do sistema, as concessionárias são obrigadas a disponibilizar plantões por telefone vinte e quatro horas por dia e sete dias por semana para atender reclamações dos usuários. No contrato entre o poder público e a concessionária, multas podem ser estabelecidas, caso a reclamação não seja atendida dentro de um prazo estipulado. O pronto atendimento para resolução de problemas de iluminação pública, como exemplo substituição de lâmpadas defeituosas, esta relacionada diretamente com a segurança, pontos não iluminados facilitam a execução de atos ilícitos por parte de criminosos, assim a substituição deve ser providenciada o mais rápido possível pela concessionária. Outro problema na iluminação pública são as lâmpadas que permanecem acesas durante todo o dia desperdiçando energia elétrica. Para que o gestor de iluminação de pública possa solucionar prontamente as falhas sem a dependência do relato do usuário, Sistemas de controle e monitoramento de iluminação pública são propostos. Estes Sistemas são compostos por dispositivos acoplados 3511

2 aos pontos de luz interligados via rede, e aplicativos que são executados em computadores que indicam problemas nos pontos de iluminação, além de obter o valor do consumo de energia do município. Listar os pontos de iluminação em falha, posicionar os pontos de iluminação em falha em mapas, automatizar o processo de leitura do consumo de energia e adotar padrões para permitir a colaboração e expansibilidade da solução são as motivações deste trabalho. 2.1 Arquitetura 2 Trabalhos Correlatos Nos trabalhos de Atici et al. (2011), Yao et al. (2006), Long et al. (2009), Chunguo et al. (2007), Chen e Liu (2009), Iordache et al. (2008) e Hong et al. (2011), nota-se um padrão no que se refere a concepção da arquitetura, onde os nós sensores são a- grupados por controladores de comunicação, que formam uma célula. Essas células são formadas para que geograficamente uma área possa ser monitorada/controlada, o controlador de comunicação coordena a comunicação entre os nós sensores da célula com um aplicativo de gerenciamento. 2.2 Requisitos Na literatura e nas soluções de mercado percebese um padrão das funcionalidades necessárias para gestão de um sistema de iluminação pública. De forma geral, Denardin et al. (2009) afirmam que um sistema de iluminação pública deve ser capaz de executar tarefas básicas como ligar, desligar, controlar luminosidade (quando possível), medir consumo e controlar o tempo de vida útil da lâmpada. A partir da analise dos trabalhos correlatos podese dividir os requisitos em supervisão, controle, a- larmes, operação remota e suportabilidade. Nesta seção cada um deles é detalhado. Supervisão: Lee et al. (2006) ilustram um exemplo bem típico de como um aplicativo de gerenciamento pode disponibilizar as informações do estado das lâmpadas em tempo real, através de uma perspectiva gráfica onde o usuário pode facilmente identificar os estados de operação de um trecho da rede. O aplicativo da empresa Streetlight.Vision, por exemplo, monitora e antecipa o fim da vida útil de uma lâmpada supervisionando seu estado. Denardin et al. (2009) e Long et al. (2009) afirmam que além de supervisionar os estados de operação dos pontos de iluminação em tempo real, o sistema dever ser capaz de monitorar variáveis de consumo das lâmpadas. Controle: Operações como ligar, desligar e controlar luminosidade das lâmpadas são recursos presentes nos aplicativos das empresas Central Software - Streetlight Intelligence Inc, EpiSensor, Strategic Telemetry e Streetlight.Vision. Tais operações são efetuadas individualmente, ou seja, um nó sensor é selecionado e o comando é enviado somente àquele dispositivo. A empresa Streetlight.Vision e Long et al. (2009) apresentam que o sistema de iluminação pública pode de acordo com a necessidade de o usuário estabelecer controle unitário ou em grupo dos nós sensores, um determinado comando é aplicado a vários nós sensores simultaneamente, possibilitando uma maior produtiva para o operador do sistema. Alarmes: Long et al. (2009) afirmam que o aplicativo de gerenciamento do sistema instalado no centro de controle deve ser capaz de suportar alarmes para condições anormais de operação. Operação à Distância: Os aplicativos das empresas Central Software - Streetlight Intelligence Inc e Streetlight.Vision disponibilizam o controle completo do sistema via Internet, onde qualquer usuário em qualquer lugar do mundo pode acessá-lo e comandar os nós sensores. Redes de iluminação pública de grandes centros consumidores são complexas e possuem um grande número de dispositivos acoplados, para um melhor gerenciamento e fácil localização dos dispositivos, Chunguo et al. (2007) e as empresas Central Software - Streetlight Intelligence Inc (2008), EpiSensor (2009) e Streetlight.Vision (2009) reconhecem que postes de iluminação devem ser georeferenciados em mapas. Suportabilidade: A integração de novos modelos de nós sensores possibilita o aplicativo de gerenciamento a supervisionar/controlar nós sensores com diferentes funcionalidades. Hong et al. (2011) emprega na sua solução nós sensores multifunção capazes de realizar as medições como: nível de CO2 presente no ambiente, a luminosidade do ambiente e umidade. 2.3 Técnicas de supervisão e controle Um sistema de controle de monitoramento de i- luminação pública deve adotar um padrão para disponibilizar supervisão e controle. O padrão permite a expansibilidade do sistema, assim novos aplicativos podem ser integrados, sem que haja a necessidade do entendimento do protocolo de comunicação por parte do aplicativo. Trabalhos correlatos em sua maioria não aplicam padrões para supervisão e controle. Porém, o autor Atici et al. (2011) apresentam uma arquitetura centralizada no servidor OPC-DA (OPC Data Access), múltiplos segmentos de nós sensores comunicam-se com o servidor OPC-DA, dispondo as suas variáveis. O servidor OPC-DA facilita a manutenção de supervisão/controle dos nós sensores, funções como adição, remoção e edição são centralizadas, como exemplo, ao se adicionar novos nós sensores a uma célula já existente, as variáveis são mantidas no servidor e automaticamente os novos nós sensores estarão disponíveis ao aplicativo de gerenciamento para monitoração/controle, sem que nenhuma mudança seja necessária no aplicativo. Outra vantagem na a- 3512

3 doção de um servidor OPC-DA é a capacidade de expansão do sistema, múltiplos servidores podem ser gerenciados por um único aplicativo de gerenciamento, centralizando assim a gestão do sistema. A padronização na comunicação entre o aplicativo de gerenciamento e o controlador de comunicação permite uma arquitetura: aberta, distribuída, de fácil manutenção e expansível. As informações trocadas entre o aplicativo e o OPC-DA são binárias, o que limita a aplicação na Internet, firewalls restringem o trafego deste tipo de informação, limitando a operação remota do sistema de controle e monitoramento. Os padrões OPC XML-DA (OPC XML Data Access) e o CyberOPC foram concebidas para troca de dados remotos pela Internet. O autor TORRISI (2011) apresenta um estudo comparativo entre OPC XML-DA e o CyberOPC, e como conclusão apresenta que o CyberOPC prove serviços similares ao OPC XML-DA de leitura e escrita e desempenho superiores na troca de dados pela Internet. O CyberOPC é uma alternativa viável e eficaz para supervisão e controle em sistemas que requerem a operação remota. 3 Sistema proposto O escopo do sistema de controle e monitoração de iluminação pública é dispor aplicativos no computador de operação e no computador industrial, estabelecer comunicação entre o computador industrial e o controlador de comunicação, possibilitar a integração de dispositivos com funcionalidades distintas nos aplicativos de gerenciamento e possibilitar o acesso remoto do sistema ao usuário. 3.1 Arquitetuta A arquitetura proposta se baseia no modelo de células. A célula tem como função prover o acesso de supervisão/controle para um determinado número de nós sensores aos aplicativos de gerenciamento. Por definição, o nó sensor é o dispositivo acoplado ao ponto de iluminação capaz de comunicar-se via rede sem fios. A Figura 1 apresenta a arquitetura do sistema e ilustra a célula 01 responsável por agrupar alguns sensores, ainda mostra a capacidade de adição de novas células até que todos os pontos de iluminação de uma cidade sejam mapeados. Figura 1. Arquitetura do Sistema. 3.2 Requisitos Os requisitos propostos são supervisão, controle, alarmes, operação remota e suportabilidade. Nesta seção cada um deles é detalhado. Supervisão: O sistema propõe apresentar em mapas e indicar os estados de operação dos nós sensores, além de periodicamente obter valores das variáveis de processo, como o consumo das lâmpadas, além de permitir ao usuário solicitar dados de supervisão disponibilizados em interfaces gráficas. Controle: O controle de múltiplos nós sensores é determinado quando um comando de controle poderá ser enviado a mais de um dispositivo simultaneamente. As características de controle do nó sensor deverão ser descritas e disponibilizadas pelo fabricante do nó sensor. Alarmes: A recepção de alarmes deve ser assíncrona, sem a necessidade de varredura periódica por parte do aplicativo, quando uma falha ocorrer no ponto de iluminação à notificação deve ser enviado ao aplicativo do sistema e opcionalmente podem ser enviados por correio eletrônico ou via mensagens instantâneas para telefones celulares dos operadores do sistema, desde que estes serviços estejam disponíveis. Operação remota: Este trabalho se propõe a disponibilizar ao usuário os pontos de iluminação em mapas com o estado de operação aplicando o Google maps. As operações como supervisionar, controlar, listar alarmes e visualizar a topologia são requisitos desejados. Suportabilidade: Permitir que diferentes fabricantes de nós sensores integrem seus dispositivos a solução é um requisito. O arquivo do tipo XML é adotado para descrever os dispositivos. 4 Metodologia A linguagem de programação adotada na metodologia é a C#. Esta linguagem apresenta as seguintes características suporte a orientação a objetos baseado em herança simples de classes, herança múltipla de interfaces, gerenciamento de memória automática, tipagem forte e executa num ambiente gerenciado, no qual a segurança e integridade das operações efetuadas pelos programas podem ser garantidas. A ferramenta adotada para se desenvolver as classes e componentes é o Visual C# 2008 Express Edition. Na metodologia, arquivos do tipo XML são adotados, uma vez que a linguagem XML permite fácil categorização, é compreensível pelo ser humano, é considerada como uma linguagem que pode ser portável e não é proprietário, podendo ser utilizada para armazenamento de informação em qualquer plataforma computacional. O padrão adotado de comunicação entre os computadores de operação e o industrial é o CyberOPC. O CyberOPC é um projeto de pesquisa acadêmico 3513

4 que propõe se a ser um sistema de comunicação aberto, baseado em HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), especialmente desenvolvido para controlar e supervisionar sistemas industriais remotamente através de redes IP (Internet Protocol) públicas (Torrisi, 2011). 4.1 Supervisão, controle e alarmes A comunicação funciona da seguinte forma: os aplicativos de gerenciamento dispostos no computador de operação solicitam dados de supervisão e controle via rede Ethernet ao computador industrial instalado na cabine. Logo após, a solicitação é recebida pelo computador e repassada ao controlador de comunicação conectado a porta de serial. O controlador de comunicação por sua vez transmite via rede sem fio a solicitação, identificando o pedido. Os nós sensores recebem as notificações, processam a requisição e transmitem a resposta via rede sem fio até o controlador. A resposta é recebida pelo controlador via rede sem fio e repassada via porta serial ao computador, o computador industrial envia a resposta ao computador de operação pela rede Ethernet. 4.2 Suportabilidade (Verifique o formato do parágrafo) A suportabilidade é aplicada adotando-se para cada modelo de nó sensor um arquivo do tipo XML, nomeado como arquivo de descrição do nó sensor ou arquivo de descrição. No arquivo do tipo XML o fabricante do nó sensor descreve a coleção de parâmetros, grupos de variáveis de alarmes/processo e opcionalmente grupos de interface homem máquina (IHM). 4.3 Serviço de monitoração O serviço de monitoração é responsável por monitorar os estados de operação e coletar periodicamente valores de processo e armazená-los. O usuário deve configurar o período de varredura para coleta dos valores de processo. A monitoração é realizada em um computador de operação, que é um cliente CyberOPC. 4.4 Operação remota A operação é remota é subdividida em duas partes o servidor de operação remota e o navegador de Internet. No servidor de operação remota, páginas do tipo HTML e serviços são dispostos. Na operação remota, o usuário abre uma página em formato HTML armazenada no Servidor de operação remota em seu navegador de Internet. Para mapear os pontos de iluminação em mapas, o serviço de mapeamento Google maps (2010) dispõe de recursos de software para manipular mapas utilizando bibliotecas escritas em Java Script. 5 Resultados preliminares Para validar a metodologia e o sistema proposto foram desenvolvidos um simulador de nós sensores, os serviços responsáveis pela monitoração de alarmes e consumo, e uma página HTML. A célula é composta pelo simulador acoplado a um servidor CyberOPC. A função do servidor é de disponibilizar supervisão e controle aos aplicativos dispostos no computador de operação via rede Ethernet. A página apresenta os alarmes em forma de lista ou em mapas e o gráfico de consumo mensal de energia. O aplicativo de simulação dispõe ao servidor CyberOPC os valores das variáveis de supervisão e controle e simula as condições de um sistema de iluminação pública sem fio. No simulador de nós sensores, o usuário define os parâmetros ciclo de um dia, potência da lâmpada, atraso da rede, tempo de operação e limite de operação, seleciona-se os nós sensores e inicia a simulação. Ao iniciar a simulação, os parâmetros potência da lâmpada, tempo de operação e limite de operação são atribuídas as variáveis internas dos sensores selecionados. O parâmetro ciclo de um dia é especificado em segundos e determina qual é a frequência de um dia para simulação. A cada ciclo de dia, o consumo de energia é calculado, o tempo de operação é incrementado em 12 horas e os alarmes tempo de operação da lâmpada e de lâmpada queimada são verificados. O alarme tempo de operação da lâmpada excedido é ativado, caso o tempo de operação supere o limite de operação estabelecido. O alarme lâmpada queimada é habilitado, quando o tempo de operação for superior a 10% do limite de operação. Para simular atraso nas respostas da rede sem fio, o parâmetro atraso da rede é aplicado. A Figura 2 apresenta o simulador de nós sensores. Figura 2. Simulador de nós sensores. 3514

5 Outro recurso disponível no simulador é a modificação dos valores das variáveis dos nós sensores. Ao selecionar um nó sensor em simulação uma lista é apresentada. Essa lista é composta pelas variáveis, obtidas no arquivo de descrição, e os valores calculados pelo simulador. O usuário seleciona a variável na lista, modifica o valor e submete a alteração ao simulador. A figura 3 ilustra a lista de variáveis disponíveis para edição de um sensor. servidor CyberOPC para averiguar a existência de ocorrência de alarmes. Os alarmes ativos são mantidos pelo serviço. Outra característica do serviço é executar a leitura mensal do consumo de energia dos nós sensores e armazená-lo. Para prover a IHM, uma página HTML foi desenvolvida e disposta em um servidor HTTP. A página comunica-se com o serviço de monitoração e dispõe os alarmes ativos em forma de lista ou em mapas, além do consumo de energia. No mapa somente os nós sensores com alarme ativo são indicados. A Figura 5 mostra a página MapaAlarmesGoogleV3.htm mapeando os pontos de iluminação no mapa em um navegador de Internet. Figura 3. Lista de variáveis de um nó sensor. Outro resultado obtido foi a integração da comunicação bidirecional entre o servidor CyberOPC e o simulador dispostos no mesmo computador, aplicando a técnica de conexão de loopback virtual entre portas seriais. Esta técnica permite que duas portas se conectem virtualmente, permitindo a troca de dados entre as mesmas. Assim foi possível disponibilizar os valores das variáveis dos nós sensores em simulação ao servidor CyberOPC, além do envio de requisições de supervisão/controle do servidor pro simulador. O servidor CyberOPC foi testado por um cliente CyberOPC usual, validando a supervisão e controle das variáveis dos sensores em simulação. No cliente foi possível visualizar os valores das variáveis em simulação. A Figura 4 apresenta o servidor CyberOPC. Figura 5. Página MapaAlarmesGoogleV3.htm. A lista de alarmes possui as seguintes colunas: número de identificação do sensor (Sensor), variável do nó sensor que originou o alarme (Parâmetro), descrição (Alarme) e o horário de ocorrência da falha. A lista pode apresentar simultâneos alarmes para um único sensor. A severidade do alarme é apresentada na coluna Alarme, conforme especificado no arquivo XML de descrição. A Figura 6 ilustra a lista de alarmes ativos. Neste cenário foi testada a capacidade de apresentar alarmes na IHM. Eventos de alarmes ocorridos no simulador foram apresentados na lista e no mapa. Figura 4. CyberOPC Servidor. Uma vez validada a supervisão e controle do CyberOPC, e a integração com o simulador, o serviço de monitoração foi desenvolvido e disposto no computador de operação, para supervisão dos alarmes. O serviço de monitoração por definição é um cliente CyberOPC, que periodicamente conecta-se ao Figura 6. Lista de alarmes ativos. O consumo de energia é apurado mensalmente pelo serviço de monitoramento e registrado. Um gráfico foi desenvolvido com o objetivo de ilustrar o consumo de um sistema de iluminação público. A Figura 7 apresenta o gráfico de consumo. 3515

6 Figura 7. Gráfico de consumo. 6 Conclusão O grande objetivo da leitura e análise de trabalhos correlatos é balizar o estabelecimento e definição da arquitetura e características, pra prover a comunicação entre um software disposto em um computador e o sistema de iluminação pública, assim diversas soluções são apresentadas na literatura e no mercado. O desafio é escolher qual é a melhor rede para a comunicação, muitos trabalhos correlatos empregam o padrão GPRS ou GSM, ou seja, aplicam a infraestrutura da rede de celular para estabelecerem a comunicação. O grande problema de se aplicar este tipo de solução é a cobertura plena de um centro urbano, onde a rede de celulares é limitada a uma determinada região. Outro ponto negativo é a tarifação por transferência de dados, tornando a operação do sistema oneroso. A arquitetura proposta adota a sua própria infraestrutura de comunicação, com isso a operação do sistema não se torna onerosa economicamente, pois não é tarifada por transferência dos dados. Outra vantagem é a possibilidade de cobertura e expansão independentemente. Para validar a arquitetura proposta, uma célula foi criada com nós sensores simulados acoplados ao servidor CyberOPC. A comunicação entre os nós sensores e o serviço de monitoração foi testada com sucesso. O próximo resultado esperado é criar múltiplas células para verificar os limites e desempenho da solução proposta. Nos testes preliminares foi possível testar a supervisão e recepção de alarmes. O requisito de controle foi testado entre o servidor CyberOPC e o cliente CyberOPC usual, e como resultado futuro esperase dispô-lo na página HTML. A integração de dispositivos é um recurso limitado em trabalhos correlatos e soluções de mercado, ou seja, são soluções proprietárias, apenas os dispositivos do próprio fabricante da solução são integrados ao sistema, impossibilitando a integração de dispositivos de outros fabricantes. O Sistema proposto atende ao requisito de integração, múltiplos fabricantes de nós sensores podem acoplar os seus nós sensores a solução, aplicando a técnica de suportabilidade, descrevendo suas características em arquivos do tipo XML. Com os resultados preliminares conclui-se que, o sistema atende aos requisitos necessários para supervisão e controle de um sistema de iluminação pública, além de empregar uma arquitetura expansível e abrangente. A integração de dispositivos reais com a solução e visualizar o estado de operação da lâmpada (ligada/desligada) são resultados esperados. Agradecimentos Os autores agradecem à estrutura acadêmica de pesquisa da Escola da Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo. Reconhecem também as contribuições técnicas da empresa Smar Equipamentos Industriais Ltda. Referências Bibliográficas Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. Resolução Normativa Nº 414: Estabelece as Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada, de 9 de Setembro de Disponível em: < >. Acesso em 01 nov Atici, Ç., Özçelebi, T., Lukkien, J.J. (2011). System architecture for road lighting. Consumer Electronics (ICCE), 2011 IEEE International Conference on, pp , 9-12 Jan C# (2006). Standard ECMA-334 C# Language Specification. Disponível em: <http://www.ecma- international.org/publications/standards/ecma- 334.htm>. Acesso em 10 fev Chen, Y., Liu, Z. (2009). Distributed Intelligent City Street Lamp Monitoring and Control System Based on Wireless Communication chip nrf401. Networks Security, Wireless Communications and Trusted Computing, NSWCTC '09. International Conference on, vol.2, pp , April 2009 Central Software - Streetlight Intelligence Inc (2008). Lumen IQ Central. Disponível em: <http://www.streetlightiq.com/products/overvie w/networkedlampcontrol/centralsoftware/tabi d/112/default.aspx>. Acesso em 20 ago Chunguo, J., Dongmei, S., Deying, G. (2007). Design of Streetlight Monitoring and Control System 3516

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