X PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E CONTROLE DISTRIBUÍDO APLICADO A UMA ETE COMPLETA DO TIPO UASB + BF

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1 X PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E CONTROLE DISTRIBUÍDO APLICADO A UMA ETE COMPLETA DO TIPO UASB + BF Wagner Teixeira da Costa (1) Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória, ES, Brasil, em Mestrado em Engenharia Elétrica pela UFES, em 2003 e atualmente é aluno do Doutorado em Engenharia Elétrica da UFES e professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo (CEFET-ES), UnED Serra. Celso J. Munaro Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, em Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, SP, Brasil, em 1990 e 1994, respectivamente. Desde 1992 é professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Paulo Faria Santos Amaral Graduou-se em Engenharia Eletrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, SP, Brasil, em 1976 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. Ricardo Franci Gonçalves Engenheiro Civil e Sanitarista UERJ (1984), Pós-graduado em Eng a de Saúde Pública -ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES. Endereço (1) : CEFET-ES - Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo, UnED Serra, Automação Industrial, Rod. ES 010, Km 6,5, , Manguinhos, Serra, ES, Brasil, Tel: RESUMO Esse trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema de supervisão e controle distribuído para uma ETE experimental, localizada no campus da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), provendo a monitoração dos processos, armazenamento de dados e controle da ETE. O sistema implementado tem sido extremamente útil para o apoio às pesquisas desenvolvidas na ETE experimental. PALAVRAS-CHAVE: Sistemas de Controle Digital, Automação Industrial Protocolos, Esgotos Estações de Tratamento. INTRODUÇÃO Uma das primeiras etapas do projeto de um sistema de automação industrial é a escolha de sua arquitetura, organizando seus principais elementos. E a utilização de um sistema de controle distribuído (SCD) tem a vantagem de organizar os dispositivos próximos ao processo a ser controlado [1]. A utilização da arquitetura SCD é especialmente interessante porque explora o tratamento da informação do sistema, reduzindo o custo da instalação (como cabos) e oferece um certo grau de modularidade, isolação e autonomia das funções do sistema [1]. Além disto, o compartilhamento de recursos, um melhor desempenho, custos mais baixos, confiabilidade, disponibilidade, possibilidade de crescimento gradual e a utilização de equipamentos de fabricantes diferentes são muitas das características que tornam os sistemas distribuídos uma boa opção à automação de um processo industrial. O SCD é implementado com sucesso em diferentes tipos de processos industriais, como plantas de usinas elétricas e plantas químicas. Este tipo de sistema junto com os avanços tecnológicos em processos de tratamento de esgoto permite o controle de plantas de tratamento de esgotos, promovendo tratamentos eficientes, confiáveis e estáveis [2][3]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Uma parceria entre o Laboratório de Controle e Instrumentação (LCI) do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e o Laboratório de Hidráulica e Saneamento do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental, ambos da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), foi articulada com os objetivos de realizar a instrumentação e a automação de uma Estação Experimental de Tratamento de Esgoto (ETE) Sanitário, localizada na UFES. Como resultado dessa parceria, criou-se o Núcleo de Bioengenharia Aplicada ao Saneamento da UFES. A implantação do SCD na ETE experimental justifica-se pela distribuição física de seus componentes e pela necessidade do desenvolvimento de malhas de controle em diversos processos da planta. De fato, essa ETE é composta por um reator anaeróbico UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), quatro biofiltros aerados submersos (BFs), uma estação elevatória, um reservatório e um leito de secagem, além de alguns protótipos de menores dimensões (chamadas de plantas-piloto), que estão na mesma localidade da ETE experimental. Para cada componente é necessária a realização local de controle e aquisição de dados. Esse artigo tem por objetivo mostrar as fases de desenvolvimento de um SCD aplicado a uma ETE. Por isso, uma descrição sucinta do projeto e de sua implementação na ETE UFES é apresentada. Os resultados experimentais comprovam a importância da utilização de um SCD neste tipo de planta. ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO Os problemas a serem tratados são o de projetar e de implementar um SCD para a ETE UFES, aproveitando os sensores e equipamentos já instalados na ETE. Inicialmente algumas considerações quanto aos aspectos importantes ou críticos do processo devem ser feitas, tais como: disposição geográfica dos equipamentos na planta, tipos de sensores e atuadores, ambiente do processo, interação de operadores com a planta, necessidades de monitoramento, armazenamento de dados e controle, protocolo de comunicação, meio físico e facilidade de expansão [4]. Descrição da Planta A Erro! Fonte de referência não encontrada. mostra o diagrama simplificado da ETE UFES. O esgoto bruto chega na ETE através de uma estação elevatória localizada em um bairro adjacente. Uma outra elevatória localizada na área da ETE recebe, além do esgoto bruto, o efluente da lavagem dos BFs, contendo lodo aeróbio. O esgoto resultante é, então, conduzido ao UASB, que efetua o tratamento primário do mesmo. Neste reator ocorre a liberação de biogás e a produção de lodo. Figura 1: Diagrama simplificado da ETE Experimental. O lodo excedente produzido pelo UASB é descartado periodicamente e conduzido ao leito de secagem. O efluente do UASB é então conduzido para os BFs, que promovem o tratamento secundário. O aerador é o responsável pela injeção de ar neste reator. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tipos de Sensores e Atuadores Os equipamentos utilizados pela ETE são: sensores de sólidos suspensos, de ph, de temperatura, nível e de oxigênio dissolvido, medidores de biogás e vazão de esgoto e uma válvula para o controle de aeração. Ao todo, devem ser construídos cincos módulos escravos atendendo, assim, às principais necessidades de supervisão e controle da ETE, sendo distribuídos da seguinte forma: dois para o reator UASB, dois para o BF e um para os reatores pilotos. Essa distribuição se deve principalmente a distância entre os processos, por exemplo, o reator UASB está aproximadamente a 14 metros dos pilotos, e pela funcionalidade de cada módulo escravo no processo, que são a aquisição de dados e a realização de controle. Ambiente do Processo Os módulos utilizados na ETE devem ser protegidos adequadamente, utilizando caixas herméticas (grau de proteção IP-65). Isto se deve ao ambiente hostil no qual os equipamentos devem permanecer, principalmente devido à umidade e à corrosão. Interação de Operadores com a Planta O sistema deve permitir que o operador tenha o controle da rede permitindo ao mesmo monitorar variáveis, alterar parâmetros de operação e acionar equipamentos. Além disso, o sistema deve realizar o armazenamento das informações da planta em um banco de dados e disponibilizá-las via Internet. Monitoramento, Armazenamento de Dados e Controle O monitoramento e o armazenamento de dados das variáveis do processo é um dos principais objetivos do SCD projetado para a ETE. As informações que devem ser armazenadas em um banco de dados envolvem: vazão de biogás, sólidos suspensos, ph, temperatura, vazão de esgoto para o reator UASB; OD e temperatura para o BF e as três vazões de biogás dos pilotos. Além dessas informações, também devem ser monitorados o nível da elevatória, a situação do inversor de freqüência (ligado ou desligado), valor de freqüência utilizado pelo inversor e situação da válvula utilizada no controle de aeração do BF. O armazenamento de dados deve ser feito pelo mestre (PC), em banco de dados que pode ser acessado via Internet. O SCD desenvolvido para ETE deve também realizar as seguintes ações de controle: controle da vazão de esgoto entrando no reator UASB a partir da informação de nível da elevatória e o controle de aeração do BF a partir da informação de nível de OD. Cada módulo escravo deve efetuar o controle local no processo, usando eventualmente informações de outros módulos escravos, reduzindo assim o tráfego de dados pela rede. Processamento em Microcontroladores de Baixo Custo A escolha dos componentes dos módulos deve envolver itens facilmente encontrados no mercado, para reduzir custos e permitir sua rápida aquisição. A escolha recaiu sobre os microcontroladores PIC da Microchip. Protocolo de Comunicação e Meio Físico O protocolo e o meio físico selecionados para a rede de barramento de campo devem ser simples, confiáveis, suportar distâncias acima de 500m, com possibilidade de expansão. Não devem exigir estruturas que não possam ser implementadas em microcontroladores de baixo custo, por restrições de memória de dados e memória de programa, além da velocidade de processamento. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE O sistema implementado na ETE é composto por um mestre (PC) e cinco módulos escravos, como mostra a figura 2 [5]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Figura 2: Sistema de monitoramento da ETE Experimental. Cada módulo escravo possui uma ou mais ações de monitoramento, controle ou acionamento. Essas ações são realizadas localmente, reduzindo o tráfego pela rede. Enquanto o mestre tem a função de visualização das medidas, configuração de parâmetros, controle e fechamento de malhas entre escravos, além do armazenamento das medidas em um banco de dados. Módulo Escravo 1 Realiza a aquisição de dados das medidas de sólidos suspensos, ph, temperatura e biogás do UASB. Módulo Escravo 2 Esse escravo obtém as medidas de vazão de esgoto entrando no reator UASB, informações dos níveis da elevatória e realiza o controle da vazão de esgoto através do controle do inversor. Módulo Escravo 3 Aquisição de dados das medidas de oxigênio dissolvido e temperatura do BF. Módulo Escravo 4 Controle do oxigênio dissolvido através do controle ON/OFF da válvula de aeração. A medida do oxigênio dissolvido é realizada pelo módulo escravo 3 e esse valor repassado pelo mestre juntamente com o valor de referência para a execução do controle. Módulo Escravo 5 Esse escravo realiza as medições de vazão de biogás dos pilotos. Mestre (PC) O mestre tem a função de visualização das medidas, configuração de parâmetros, controle e fechamento de malhas entre escravos. Um PC é utilizado como mestre e pode armazenar as medidas em um banco de dados, Microsoft Access. As informações pertencentes ao banco de dados são disponibilizadas na Internet em forma de gráfico, de texto ou em arquivo através de uma página desenvolvida em linguagem ASP. A figura 3 ilustra o diagrama gráfico de armazenamento e acesso ao banco de dados [6]. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 3: Diagrama ilustrativo de armazenamento e acesso ao banco de dados. SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS E CONTROLE O software do mestre foi desenvolvido consiste na configuração dos escravos e suas variáveis. Neste software, o módulo escravo é referenciado como nó, e suas variáveis são chamadas de tags. O software permite configurar os intervalos de coleta, os limites máximo e mínimo de cada tag, quando pertinente, bem como o modo de notificação. Enquanto o software estiver sendo executado, os dados e as notificações referentes às tags selecionadas para armazenamento estarão sendo armazenados. A figura 4 mostra a tela de configuração dos módulos escravos, que também permite a adição de novos módulos. Figura 4: Tela de configuração das variáveis do sistema Esse programa também permite a realimentação de tags, como ilustra a figura 5, que realiza o envio de informações de escravo para outro para realização de controle. Figura 5: Tela para realimentação de malha ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 As informações são armazenadas em um banco de dados, Microsoft Access, e podem ser manipuladas através da tabela HISTORICO, como mostra a figura6. Figura 6: Tabela das medidas armazenadas Essas medidas podem ser acessadas pela Internet, através do site como ilustra a figura 7 [6]. Figura 7: Monitoramento da ETE Experimental via Internet. CONCLUSÕES Um sistema para supervisão e controle distribuído foi aqui projetado e implementado, utilizando microcontroladores de baixo custo. Os algoritmos de controle são executados localmente e as variáveis e os parâmetros são trocados entre os módulos através do mestre, que atua também como estação de supervisão. O sistema desenvolvido tem sido de grande valia para apoio a pesquisas desenvolvidas em automação aplicada à estações compactas de tratamento de esgotos e para o estudo dos problemas existentes em sistemas distribuídos de controle. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DOLCET, E. G., FUERTES, J. M. Low Cost Distributed Control System with Protocol Implemented by Software, Seventh IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, Vol. 2, pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 2. KATEBI, M. R., JOHNSON, M. A., WILKIE, J., MCCLUSKEY, G. Control and Management of Wasterwater Treatment Plants, UKACC International Conference on CONTROL 98, Conference Publication nº GUIMARÃES, T. L. V. Estudo e Modelagem de um Sistema Anaeróbio de Tratamento de Esgoto. Desenvolvimento da Instrumentação Aplicada a uma Planta Piloto, Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal Minas Gerais, LEIGH, J. R. Applied Digital Control: Theory, Design and Implementation, Prentice Hall, 2ª Edição COSTA, W. T. Projeto e Implementação de um Sistema de Controle Distribuído à Automação de uma ETE Compacta, Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo. Agosto de MUNARO, C. J., AMARAL, P. F. S., COSTA, W. T, BORGES, R. M., MERÇON, A. G., GONÇALVES, R. F. Monitoramento via Internet de uma Estação de Tratamento de Esgoto Sanitário tipo UASB+BF, 22º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Anais Joinvile, SC, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

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