Modelagem de Sistema de Controle de Ar Condicionado Baseado em Redes de Petri

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1 Antonio Gabriel Souza Almeida Modelagem de Sistema de Controle de Ar Condicionado Baseado em Redes de Petri Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. São Paulo 2008

2 Antonio Gabriel Souza Almeida Modelagem de Sistema de Controle de Ar Condicionado Baseado em Redes de Petri Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. Área de Concentração: Engenharia de Controle e Automação Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos Orientador: Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi São Paulo 2008

3 FICHA CATALOGRÁFICA Almeida, Antonio Gabriel Souza Modelagem de sistema de controle de ar condicionado baseado em redes de petri / A.G.S. Almeida. -- São Paulo, p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. 1. Sistemas de refrigeração e ar condicionado (Modelagem) 2.Redes de petri 3.Sistemas de controle I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos II.t.

4 Agradecimentos Ao meu orientador Prof. Dr.Paulo Eigi Miyagi pela orientação sempre pertinente, coerente e lúcida, que permitiram encontrar o rumo correto e o destino alcançado por este trabalho. A Prof. Dra. Emilia Villani, pela paciência e atenção constantes, com sugestões e contribuições que permitiram que este trabalho alcançasse seu objetivo. Ao SENAI-CIMATEC, pelo apoio durante todo o desenvolvimento do trabalho, desde a entrada no programa até sua conclusão, permitindo a sua divulgação em vários eventos. A minha família, minha mãe Conceição, minha esposa Graça e meu filho Henrique, verdadeira motivação, não só para o desenvolvimento e conclusão deste trabalho, mas para toda minha vida.

5 Índice Lista de Figuras...ii Lista de Símbolos...iv Lista de Sinais...vi 1. Introdução Motivação e Justificativa Objetivo Organização do trabalho Modelagem e Análise de Sistemas de Ar Condicionado Sistemas de Condicionamento de Ar em Edifícios Inteligentes Classificação de Sistemas Modelagem de Sistemas Híbridos Controle Baseado em Redes de Petri Comentários Adicionais ii

6 3. Metodologia Metodologia Original Modificações propostas Comentários Adicionais Exemplo de aplicação da metodologia O Senai-Cimatec Definição e modelagem das estratégias de gerenciamento Construção dos modelos dinâmicos Modelagem do sistema de gerenciamento Modelagem dos sistemas de controle local Modelagem do sistema de ar condicionado Análise estrutural e dinâmica dos modelos Conclusões Referências Bibliográficas iii

7 Lista de Figuras Figura 1.1. Building Management System Figura 2.1. Esquema de um sistema de ar condicionado central por expansão indireta Figura 2.2. Esquema de operação para sistema VAV Figura 2.3. SED x SVC x Sistema Hibrido Figura 2.4. Interações do sistema de ar condicionado em EI Figura 2.5. Rede de Petri Predicado/Transição Diferencial Figura 3.1. Etapas da metodologia (derivado de Villani & Miyagi, 2004) Figura 3.2. Detalhamento da etapa Construção dos Modelos (derivado de Villani & Miyagi, 2004) Figura 3.3. Exemplo de um modelo em Production Flow Schema PFS Figura 3.4. Detalhamento para estratégia [ Redução da Produção de Frio] (derivado de Villani & Miyagi, 2004) Figura 3.5. Detalhamento proposto para estratégia [ Redução da Produção de Frio] Figura 3.6. Detalhamento proposto para sistema de controle local de chiller Figura 3.7. Modelo do fluxo de água gelada no resfriamento do chiller Figura 4.1. Planta baixa do nível Figura 4.2. Planta baixa do nível iv

8 Figura 4.3. Planta baixa do nível Figura 4.4. Planta baixa do nível Figura 4.5. Modelo em PFS das estratégias de controle para zona Figura 4.6. Modelo em PFS das estratégias de controle para Zonas 1 e Figura 4.7. Modelo PFS das estratégias para equipamentos de produção de água gelada.. 46 Figura 4.8. Detalhamento da atividade [ Incêndio para as Zonas 1 ou 3] Figura Detalhamento da atividade [Área em Parada Longa para a Zona 1] Figura Detalhamento da atividade [Área Utilizada para a Zona 1] Figura Estratégia de gerenciamento para [ Área não utilizada] (E3) ou [ Área em Parada Longa ] (E2) Figura Estratégia de gerenciamento para [ Área utilizada ] (E1) Figura Estratégia de controle [Aumento na produção de frio] Figura Detalhamento da estratégia [Redução da Produção de Frio] Figura Novo detalhamento da estratégia [ Redução da Produção de Frio] Figura Controle local de tomada de ar exterior Figura Controle local de fan coil Figura Controle local de VAV Figura 4.19 Controle local de chillers v

9 Figura Controle local de desempenho dos chillers Figura Controle local de bombas primárias Figura Controle local da bomba secundária Figura Controle local das bombas secundárias 2 e Figura Sub-sistemas do ar condicionado Figura Detalhamento da atividade [Condicionamento de ar Sub-sistema i] Figura Detalhamento da atividade [ Distribuição do ar] Figura Detalhamento da atividade [ Produção de Água Gelada] Figura Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno] Figura Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno com o ar de renovação] Figura Modelo das atividades que ocorrem no fan coil Figura Modelo das atividades relacionadas ao insuflamento e retorno de ar Figura Detalhamento da atividade [Mistura de água gelada] Figura Detalhamento da atividade [Imposição de fluxo em bombas] Figura Detalhamento da atividade [Divisão no fluxo de água gelada] Figura Modelo do sistema de água gelada no simulador Virtual Object Net Figura Simulação 2 do sistema de água gelada indisponibilizando chiller 1 e BS1 no simulador vi

10 Figura Modelo do sistema de distribuição de ar no simulador Figura Modelo do fluxo de ar nos ramais no simulador vii

11 Lista de Símbolos e Abreviaturas ε efetividade do trocador de calor σ - densidade τ - constante de tempo do sistema A seção reta de tubulação ou duto AL - cada lugar pi um vetor X pi de variáveis pertencentes a X AC - função de habilitação e i (.) a cada transição t i, AA - função de junção j i (.) a cada transição t i, AF - sistema de equações diferenciais algébricas F i, cujas variáveis são X pi e suas derivadas BMS - building management system BP bomba primária BS bomba secundária C - capacidade térmica Cp calor específico do ar a pressão constante CT - carga térmica CoPN - control Petri net g - gravidade viii

12 F i cor fator de correção devido a cor da parede ou teto IA inter-atividade L comprimento equivalente de perda de carga em linha reta L r - conjunto finito de lugares de dimensão n NTU unidades de transferência térmica da serpentina P - pressão PFS - production flow schema PID proporcional integral derivativo Pre: L r T r - arcos orientados de lugares para transições Pos: T r L r - arcos orientados de transições para lugares PTD predicado transição diferencial Q - vazão SED sistema a eventos discretos SFC - sequential function chart SIPN - signal interpreted Petri net STL - statement list SVC sistema de variáveis contínuas T temperatura ix

13 T r - conjunto finito de transições de dimensão m t tempo TAE tomada de ar exterior TR tonelada de refrigeração U coeficiente de incidência solar UA coeficiente global de transferência de calor VAC volume de ar constante VAV volume de ar variável X - conjunto de variáveis formais em uma rede Z diferença de altura x

14 Lista de Sinais A N Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando fan coil N indisponível B N Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando bomba N indisponível G N Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando chiller N indisponível F N Sinal do supervisório (intervenção do operador) desligando o chiller N, em 100% D N Sinal de equipamento indisponível para uso I X Sinal de programação do supervisório ou do sensor de presença x O N Sinal de condição fan coil N ligado Y N Sinal de condição chiller N ligado W N Sinal de condição bomba N ligada R N Sinal de condição bomba N desligada e disponível para uso U Y Sinal de condição sistema de controle da VAV y em funcionamento E1 N Sinais de habilitação da estratégia área utilizada E2 N Sinais de habilitação da estratégia área em parada longa E3 N Sinais de habilitação da estratégia área não utilizada E4 N Sinais de habilitação da estratégia aumento de produção de frio E5 N Sinais de habilitação da estratégia redução de produção de frio DC N Sinal determinando o desligamento do chiller, a partir do sistema de controle de desempenho. CM N Sinal que o chiller N está atuando com desempenho máximo (100%) S - Sinal do sensor na saída das bombas primárias: T > T SETPOINT CHILLER xi

15 Resumo Dentre as tendências de uso racional de recursos, principalmente energia, e da necessidade de assegurar a produtividade e qualidade na execução de atividades produtivas, destaca-se o conceito de edifício inteligente. Este ambiente materializa o conceito de integração dos sistemas prediais potencializando a otimização dos recursos e a eficiência do trabalho humano. Neste contexto, abordagens conceituais baseadas em sistemas a eventos discretos e técnicas derivadas de rede de Petri têm sido introduzidas como uma alternativa eficaz de modelagem e análise das soluções de integração dos sistemas prediais. Um resultado expressivo destas iniciativas são os métodos propostos para a modelagem e análise de estratégias de gerenciamento de sistemas de ar condicionado, utilizando uma abordagem híbrida, onde são considerados os aspectos de sistemas a eventos discretos e as variáveis de dinâmica contínua. Contudo, as abordagens e métodos existentes são limitados a soluções específicas de implementação, como os sistemas de ar condicionado com volume de ar contínuo. Assim, o presente trabalho introduz uma extensão destas abordagens para modelar e analisar soluções de automação predial que incluem sistemas de ar condicionado com volume de ar variável. A eficiência deste método na concepção e validação destas soluções é ilustrada através de um estudo de caso. xii

16 Abstract Among the trends of rational use of resources, especially energy, and the need to ensure productivity and quality in the implementation of productive activities, there is the concept of intelligent building. This environment materializes the concept of integrating building systems, powering the optimization of resources and the efficiency of human labor. In this context, conceptual approaches that are based on systems of discreet events and techniques, which are derived from the Petri nets, have been introduced as an effective alternative to modeling and analysis of solutions of building systems integration. A significant result of these initiatives are the proposed methods for modeling and the analysis of strategies for air conditioning systems management using a hybrid approach where the aspects of systems of discreet events and the variables of continuing dynamic are considered. However, the existing methods and approaches are limited to their specific implementation solutions, such as air conditioning systems with continuous volume of air. Thus, this work introduces an extension of these approaches to model and analyze the building automation solutions that include air conditioning systems with variable volume of air. The efficiency of this method in the design and validation of these solutions is illustrated through a case study. xiii

17 1. Introdução 1.1.Motivação e Justificativa No atual contexto mundial, a utilização de recursos de forma econômica e sustentável é um requisito fundamental no projeto de novos sistemas. Em particular nos sistemas produtivos e na infra-estrutura civil envolvida, estes requisitos são decisivos para a viabilização financeira de novas instalações industriais, comerciais ou residenciais. Entre os principais pontos a serem considerados estão os custos diretos, relacionados ao consumo de água, energia elétrica, entre outros, e os custos indiretos, relacionados à manutenção e operação dos sistemas que hoje compõem a infraestrutura civil. No caso específico de edificações, além da questão econômica, outro ponto importante no projeto de sistemas prediais é a maximização do conforto e segurança, os quais contribuem significativamente para o aumento da produtividade e satisfação dos ocupantes [Villani & Miyagi, 2004]. Neste contexto, os crescentes avanços tecnológicos nas áreas de automação, abrangendo as tecnologias de comunicação, mecatrônica e processamento de informações, 1

18 permitem a consideração e o atendimento de requisitos adicionais como flexibilidade, segurança, e produtividade no projeto de edifícios modernos [Sierra et al., 2005]. Desta forma, ganha importância o conceito do chamado edifício inteligente, onde é oferecido ao usuário um ambiente produtivo e econômico através da otimização de quatro elementos básicos, que são: estrutura, sistemas, serviços e manutenção, além da inter-relação entre eles. Um edifício inteligente, também chamado edifício de alta tecnologia, deve conseguir, da melhor maneira possível, suprir as necessidades atuais e futuras de seus usuários, tornar a gestão mais racional e econômica e, integrar equipamentos e serviços nas áreas operacionais [Miyagi, 2002]. Pode-se destacar os seguintes sistemas que compõem um edifício inteligente [Bolzani, 2004]: - Sistemas de Segurança Patrimonial; - Sistemas de Controle de Acesso; - Sistemas de Controle de Iluminação; - Sistemas de Prevenção e Combate a Incêndio; - Sistemas de Telecomunicações; - Sistemas de Fluidos e Detritos; - Sistemas de Ventilação, Aquecimento e Ar Condicionado; - Sistemas de Gerenciamento e Controle de Consumo de Energia; - Sistemas para Gerenciamento de Informações; - Sistemas de Monitoração e Controle de Manutenção; - Sistemas de Redes de Computadores; - Sistemas de Elevadores; - Sistemas de Sonorização; - Sistemas de Utilidades (ar comprimido, gases, subestação, gerador, bombas, etc.); - Sistema Central de Supervisão e Controle. 2

19 De forma simplificada, pode-se dizer que a operação de um edifício inteligente é baseada na monitoração e controle de processos realizados através da coleta, processamento e envio de informações utilizando sensores, atuadores e microprocessadores, a partir de programações previamente definidas pelo operador [Villani, 2000]. Dentre os sistemas que compõem um edifício inteligente, destaca-se o sistema de ar condicionado, que influencia sensivelmente tanto o aspecto econômico, por ser responsável muitas vezes por mais de 60% do consumo de energia em uma edificação, além dos custos de manutenção, quanto os aspectos de produtividade e satisfação dos usuários, por ser responsável pela manutenção do conforto térmico dos mesmos, regulando parâmetros como temperatura, umidade e grau de renovação do ar ambiente [Creder, 2004]. O conceito de edifício inteligente está estreitamente vinculado à efetiva integração dos sistemas que controlam as atividades em uma edificação. Quando não existe uma comunicação entre estes sistemas, o resultado muitas vezes é contrário ao desejado, resultando em ações incompatíveis ou indesejadas, e que inclusive aumentam os custos operacionais e de manutenção [Bolzani, 2004]. Nos edifícios convencionais, são comuns os casos de situações como o direcionamento uniforme do fluxo de ar condicionado para ambientes distintos, sem levar em consideração as diferentes taxas de ocupação ou cargas térmicas ambientes em função dos índices de insolação. O mesmo se aplica ao sistema de iluminação, com a ativação em ambientes onde seria desnecessário seu funcionamento, tanto pela taxa de ocupação quanto pela luminosidade natural existente. Este cenário pode ser agravado em edificações onde todos os sistemas são individualmente automatizados, mas não integrados. Situações conflitantes entre estes sistemas podem levar a inter-travamentos que comprometem o conforto e até mesmo a segurança dos ocupantes. 3

20 Neste contexto, a existência de uma estrutura central de gerenciamento robusta e confiável, onde as informações possam ser compartilhadas em tempo real, é fundamental para o atendimento dos requisitos de segurança, conforto e economia em um edifício inteligente. Esta estrutura é comumente chamada de sistema de gerenciamento do edifício (BMS = Building Management System), conforme Figura 1.1 [Villani, 2000]. BMS Sistema de Ar Condicionado Sistema de Controle de Acesso Sistema de Iluminação Fig Estrutura de um sistema de gerenciamento do edifício Para garantir a confiabilidade deste sistema de gerenciamento, modernas técnicas de modelagem e simulação procuram a abstração adequada do comportamento dos sistemas do edifício e da integração entre estes. Desta forma, situações conflitantes são previamente detectadas, garantindo uma operação segura. A vanguarda dos avanços tecnológicos nesta área encontra-se justamente no aperfeiçoamento destas técnicas de modelagem e simulação, tornando-as cada vez mais efetivas para avaliação de situações práticas, mesmo com a crescente complexidade apresentada pelos modernos sistemas automatizados. A integração do controle do sistema de ar condicionado aos demais sistemas automatizados, como sistema de controle de incêndio, sistema de controle de acesso, 4

21 elevadores, dentre outros, sob um sistema de gerenciamento central, é fundamental para a otimização dos sistemas e recursos envolvidos. Dentro do contexto apresentado, destaca-se a metodologia para modelagem e simulação de sistemas de ar condicionado em edifícios inteligentes, proposta em Villani & Miyagi (2004). A referida metodologia utiliza-se de uma abordagem híbrida, onde são considerados aspectos discretos e contínuos do processo, enfatizando estratégias que envolvem interfaces com outros sistemas do edifício. Esta metodologia inicia-se com a construção de modelos em PFS (Production Flow Schema) [Miyagi, 1996] e, a partir destes, obtém um modelo do sistema de ar condicionado em rede de Petri Predicado/Transição Diferencial. Contudo, a metodologia proposta por Villani & Miyagi (2004) apresenta algumas limitações/restrições, uma vez que não considera as novas tecnologias que são atualmente utilizadas nos sistemas de ar condicionado. O controle de desempenho de equipamentos como bombas e compressores, quando não existe demanda para sua capacidade máxima e, o sistema de controle de temperatura de ambientes climatizados com volume de ar variável são exemplos de tecnologias que não são abordadas. Além disso, a metodologia não considera a proteção aos equipamentos críticos, como os compressores, nas estratégias de controle, o que pode ocasionar colapso no sistema em caso de falha do sistema de proteção local. Desta forma, justifica-se a proposta de adequações e aprimoramentos na metodologia, através da inserção destas variantes Objetivo O objetivo deste trabalho é a adequação e ampliação da metodologia proposta em Villani & Miyagi (2004) para diferentes configurações de sistemas de gerenciamento e controle de sistemas de ar condicionado. Em particular, são introduzidas soluções para 5

22 incorporar na metodologia as modificações necessárias para o controle de sistemas VAV (volume de ar variável), variação de velocidade de bombas e ventiladores e, inclusão de intertravamentos de segurança no acionamento dos dispositivos Organização do trabalho O capítulo 2 apresenta as principais características de um sistema de ar condicionado, discutindo as variações conceituais, como expansão direta e indireta, e as metodologias de controle de temperatura ambiente, como VAC (volume de ar constante) e VAV (volume de ar variável). Em seguida, é apresentado um estudo sobre sistemas a eventos discretos, sistemas de variáveis contínuas e sistemas híbridos, incluindo uma discussão sobre técnicas de modelagem de sistemas híbridos baseadas em rede de Petri e suas aplicações para sistemas de ar condicionado. Por fim, tem-se uma exposição sobre as técnicas para implementação em controladores programáveis das estratégias de controle modeladas em rede de Petri. O capítulo 3 apresenta a metodologia proposta para modelagem e simulação do sistema de ar condicionado que envolve desde as estratégias de controle até o sistema de ar condicionado propriamente dito, incluindo o sistema de controle local dos sub-sistemas. Destacam-se neste capítulo as modificações e os aprimoramentos propostos sobre o trabalho de Villani & Miyagi (2004). O capítulo 4 apresenta um exemplo, onde se aplica a metodologia proposta para o prédio do SENAI-CIMATEC, em Salvador Bahia. O capítulo 5 apresenta as principais conclusões obtidas, assim como sugestões para prosseguimento de trabalhos nesta área. 6

23 2. Modelagem e Análise de Sistemas de Ar Condicionado Este capítulo apresenta os principais conceitos necessários para compreensão da proposta deste trabalho. Apresenta-se inicialmente uma descrição de sistemas de condicionamento de ar em edifícios inteligentes. Em seguida é introduzida uma classificação de sistemas dinâmicos e discutem-se técnicas de modelagem de sistemas de ar condicionado. 2.1.Sistemas de Condicionamento de Ar em Edifícios Inteligentes Condicionar o ar é o processo do tratamento do ar, de modo a ajustar simultaneamente a temperatura, a umidade, a pureza e a distribuição (velocidade) de ar, para atender as necessidades de um determinado recinto [Creder, 2004]. 7

24 As principais funções do sistema de ar condicionado em um edifício são garantir o conforto térmico aos seus ocupantes e propiciar condições ideais de funcionamento para equipamentos ou sistemas produtivos. A condição de conforto térmico para um indivíduo se caracteriza pela satisfação deste com as condições térmicas do ambiente onde se encontra. Neste caso, pode-se dizer que existe uma situação de equilíbrio térmico, quando o indivíduo perde para o ambiente a mesma quantidade de calor produzida por seu metabolismo [Trane, 1980]. Com a caracterização dos aspectos que influenciam a produtividade e qualidade do trabalho humano e de equipamentos eletro-eletrônicos, eletromecânicos e mecânicos, o condicionamento do ar passou a ser um fator determinante para garantir a execução eficiente de tarefas e o perfeito funcionamento das máquinas em certos ambientes. Desta forma, não somente centrais de processamento de dados, com seus computadores, mas até mesmo as plantas industriais, exigem atualmente a manutenção das condições ideais de climatização ambiental. Laboratórios de metrologia, laboratórios clínicos, salas limpas industriais e estações de transmissão de sinais eletromagnéticos e/ou ópticos são exemplos de locais onde o rigoroso controle do condicionamento do ar são exigências fundamentais. Como principais parâmetros a serem controlados por um sistema de condicionamento de ar pode-se destacar a temperatura, velocidade relativa, umidade, concentração de CO 2, existência de odores e pureza quanto a particulados. Cabe ao sistema de ar condicionado manter a combinação adequada das variáveis acima, de forma a atender as necessidades de conforto térmico do usuário e/ou para funcionamento ideal de equipamentos [Trane, 1980]. Um sistema de ar condicionado pode ser dividido em duas partes básicas: o sistema de produção térmica, responsável pela produção de frio e/ou de calor e, o sistema de distribuição térmica, responsável pelo encaminhamento do frio ou calor gerado ao ambiente a ser climatizado [Carrier, 1986 ]. Um exemplo é apresentado na Figura

25 AMBIENTE DUTOS DE RETORNO DUTOS DE INSUFLAMENTO FAN COIL DISTRIBUIÇÃO TÉRMICA BOMBAS PRIMÁRIAS PRODUÇÃO DE FRIO - CHILLER PRODUÇÃO DE CALOR - BOILER BOMBAS SECUNDARIAS PRODUÇÃO TÉRMICA Fig Esquema de um sistema de ar condicionado central por expansão indireta. Quanto à produção térmica, um sistema de ar condicionado pode ser classificado em dois tipos [Creder, 2004]: Expansão direta: neste caso, a troca de calor é feita diretamente entre o fluido refrigerante e o ar a ser condicionado. A serpentina de troca térmica trabalha como o evaporador do ciclo de refrigeração do fluido refrigerante. Dentre os equipamentos que utilizam esta tecnologia, pode-se destacar os aparelhos convencionais de ar condicionado de janela, os aparelhos de ar condicionado do tipo split e self-contained, que podem ter insuflamento direto no ambiente ou trabalhar com redes de distribuição. Expansão indireta: neste caso, existe um fluido intermediário (ou auxiliar), normalmente água, que é resfriado em unidades relativamente grandes de resfriamento, chamadas chillers, ou aquecido em unidades de aquecimento, chamadas boilers, para então ser conduzido às unidades onde ocorre a troca térmica entre o fluido intermediário e o ar a ser condicionado. Estas unidades, compostas basicamente de uma serpentina para troca térmica e um ventilador para insuflamento e retorno do ar são chamadas de fan coils. A 9

26 partir destas unidades, o insuflamento para os ambientes também pode ser direto ou através de redes de distribuição. Nos dois casos, a transferência do calor removido do ambiente interno para o ambiente externo pode ser feita diretamente para o ar, através dos condensadores a ar, ou utilizando também a água como fluido auxiliar, encaminhando-a para as torres de resfriamento, onde ocorre a liberação do calor para a atmosfera. O sistema de distribuição térmica é responsável por levar o ar após o seu condicionamento ao ambiente de destino, assim como promover o retorno do ar que se encontrava no ambiente para ser novamente condicionado. O condicionamento do ar envolve a sua renovação, a partir da admissão de ar externo pela tomada de ar exterior e mistura com o ar de retorno do ambiente, o seu resfriamento/aquecimento, através da troca térmica na serpentina e sua filtragem, para retenção de impurezas e particulados. O ar é então levado aos ambientes através de uma rede de dutos de insuflamento, termicamente isolada, projetada de forma a garantir vazão de ar e níveis de ruído compatíveis com os ambientes climatizados. Após a troca térmica no ambiente, o ar retorna através de uma rede de dutos de retorno, ou através de venezianas, para o recondicionamento. Normalmente, a mistura do ar de retorno com o ar exterior para renovação é efetuada em uma caixa de mistura. O fluxo de ar através do sistema é assegurado pelo acionamento de um ventilador, do tipo turbina, que mantém a pressão e vazão necessárias para o funcionamento do sistema [Carrier, 1986]. Existem diversas variações sobre a forma de controle da temperatura dos ambientes climatizados. O sistema de controle por zonas, que mantém toda área atendida (chamada de zona) por um mesmo climatizador sob a mesma temperatura tem, em geral, um sensor de temperatura instalado no duto de retorno, próximo ao climatizador, após a parte que mistura o ar de todos os ambientes. A partir do sinal emitido por este sensor, a vazão de água gelada que passa pela serpentina de transferência de calor do climatizador é regulada através de uma válvula de duas ou três vias, ajustando desta forma a temperatura do ar insuflado. Este sistema 10

27 é conhecido como sistema de controle de temperatura VAC (volume de ar constante), uma vez que não há variação na vazão do ar insuflado, somente na sua temperatura do ar insuflado. Em sistemas de controle individualizado por ambiente, onde a temperatura pode ser regulada de forma independente, cada ambiente tem seu próprio sensor de temperatura, cujo sinal determina o posicionamento do damper VAV (volume de ar variável), instalado no duto de insuflamento do ambiente. Neste caso, o ajuste da temperatura é feito através da regulação do volume de ar insuflado sobre o ambiente, conforme apresentado na Figura 2.2 [Honeywell, 1995]. Assim, no sistema VAV de controle de temperatura, tem-se dois sistemas de controle em malha fechada, normalmente utilizando inversores de freqüência, para determinar a velocidade do ventilador do fan coil, a partir da pressão do ar na rede de dutos de insuflamento de ar e, para determinar a velocidade de funcionamento das bombas secundárias de distribuição de água, a partir da pressão da água na rede de distribuição [Sauer et al., 2001]. CIRCUITO DE INSUFLAMENTO VAV DIFUSORES SALAS DE AULA CIRCUITO DE RETORNO DE AR VÁLVULA DE DUAS VIAS CIRCUITO DE ÁGUA GELADA Fig Esquema de operação para sistema VAV 11

28 Em uma edificação comercial, o sistema de ar condicionado é responsável por aproximadamente 55% do consumo de energia elétrica, envolvendo as atividades de aquecimento, refrigeração e movimentação de ar. O aumento do custo da energia elétrica tem motivado o desenvolvimento de novas tecnologias para redução do consumo. Para os sistemas de ar condicionado, têm sido introduzidas tecnologias como sistemas de volume de ar variável (VAV), sistemas de controle com malha fechada para bombas de distribuição de água, com inversores de freqüência e controle de desempenho para compressores de refrigeração [Sauer et al, 2001]. Segundo dados da ABRAVA (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento), praticamente todos os sistemas de ar condicionado instalados a mais de 10 anos são candidatos ao retrofitting, que consiste na atualização de sistemas antigos, tornando-os compatíveis com as modernas tecnologias de automação para otimização de recursos. Em termos comparativos, os sistemas atuais chegam a ser 60% mais eficientes, com relação custo-benefício mais favorável quanto à economia de energia e investimento direto [Bolzani, 2004]. Em edifícios inteligentes, o sistema de ar condicionado encontra-se integrado aos demais sistemas prediais. Como exemplo, pode-se citar a integração a sistemas de controle de acesso, o que proporciona o acionamento do sistema de ar condicionado somente quando é verificada a presença de usuários nos ambientes, ou com o sistema de combate a incêndio, de forma a controlar o fluxo de ar para zonas onde esteja ocorrendo o incêndio, reduzindo assim o volume de ar que venha a alimentar o fogo, ou em zonas adjacentes à de ocorrência do incêndio, de forma a impedir a propagação da fumaça. 12

29 2.2.Classificação de Sistemas Os sistemas de ar condicionado são sistemas dinâmicos, e como tais, podem ser classificados com base na caracterização de suas variáveis de estado em relação ao tempo, conforme Figura 2.3 [Cardoso & Valette, 1997]. Os sistemas a eventos discretos (SEDs) caracterizam-se pelas transições instantâneas entre estados discretos. As variáveis de estado variam abruptamente em determinados instantes. Estes sistemas são em geral baseados em regras e procedimentos definidos pelo homem. Para este tipo de sistema, o objetivo do controle é a execução de operações, caracterizados pela ocorrência de eventos, conforme um procedimento pré-definido [Miyagi, 1996]. Sistemas a Eventos Discretos Sistemas de Variáveis Contínuas a3 x(t) Estado(x), entradas (u) a2 a4 Sistemas Híbridos dx/dt =f(x,u,t) a1 a0 e1 e2 e3 e4 e5 Tempo Fig SED x SVC x Sistema Hibrido A principal característica dos sistemas de variáveis contínuas (SVCs) é que as variáveis de estado evoluem de forma contínua no tempo, em função de fenômenos da natureza, isto é, baseadas em leis físicas. Para sua modelagem, os sistemas de equações diferenciais são ferramentas comprovadamente eficazes. Nestes sistemas, o objetivo básico do controle normalmente é igualar o valor de uma variável de controle a um valor de referência. 13

30 A partir destes conceitos, deriva-se a idéia de sistemas híbridos, onde é necessária a análise tanto do ponto de vista contínuo quanto das interferências proporcionadas pelos eventos discretos. São encontradas aqui características tanto dos SEDs como dos SVCs. Um exemplo prático deste tipo de sistema são os sistemas de ar condicionado em edifícios inteligentes, onde existem estados discretos, caracterizados pelos status de equipamentos e variáveis contínuas no tempo, como os sinais dos sensores de temperatura, além da interação necessária com outros sistemas, como os de combate a incêndio, controle de acesso e iluminação. A característica contínua também é marcante, através de variáveis contínuas como temperatura e umidade, com comportamentos regidos por leis físicas, assim como na interação com os ambientes interno e externo, conforme ilustrado na Figura 2.4 [Villani & Miyagi, 2004]. Ambiente Interno Interação Contínua Sistema de Controle de Acesso Interação Discreta Sistema de Ar Condicionado Ambiente Externo Interação Contínua Status de Equipamentos Interação Discreta Interação Discreta Sistema de Iluminação Fig Interações do sistema de ar condicionado em EI. 2.3.Modelagem de Sistemas Híbridos Entre os formalismos disponíveis para modelagem de SEDs, destaca-se a rede de Petri. A rede de Petri foi proposta por Carl Adam Petri em 1962 e pode ser vista de diversas formas [Cardoso & Vallete, 1997]: 14

31 Como um grafo orientado com dois tipos de nós e um conjunto de regras que regem o comportamento dinâmico de elementos do grafo; Como um conjunto de matrizes de inteiros positivos ou nulos, com comportamento dinâmico descrito por uma equação linear; Como um sistema de regras sob a forma condição ação. Formalmente, pode-se definir uma rede de Petri ordinária como uma 4-tupla: R= <L r, T r, Pre, Pos>, onde: - L r = conjunto finito de lugares de dimensão n; - T r = conjunto finito de transições de dimensão m; - Pre: L r T r que define os arcos orientados de entrada das transições, isto é, arcos orientados de lugares para transições; - Pos: T r L r que define os arcos de saída das transições, isto é, arcos orientados de transições para lugares; - L r T r = Ø, L r U T r Ø Uma rede de Petri é um grafo bipartido contendo lugares e transições. Arcos orientados conectam lugares a transições e transições a lugares. Os lugares representam estados e podem possuir marcas. Na rede de Petri ordinária, os lugares têm capacidade ilimitada para hospedar marcas. As transições representam eventos. Um conjunto de regras define a habilitação e o disparo de transições em função do número de marcas nos lugares conectados a estas transições. O disparo de uma transição também altera a marcação da rede, representando assim o comportamento dinâmico do sistema modelado [Villani, 2000]. Para modelagem de sistemas híbridos, encontram-se duas vertentes de abordagem. A primeira baseia-se em extensões de modelos contínuos, com a inclusão de variáveis discretas. A segunda abordagem fundamenta-se em técnicas de modelagem utilizadas em SEDs, como a 15

32 rede de Petri, com a inclusão de elementos representando a variação contínua no tempo das variáveis. Como o foco deste trabalho é a análise do sistema de controle e gerenciamento, com características eminentemente discretas, optou-se pela segunda abordagem. Em Villani & Miyagi (2004), é feita uma análise das propostas presentes na literatura para extensões da rede de Petri para modelagem de sistemas híbridos. São apresentadas e analisadas a rede de Petri Híbrida, a rede de Petri Diferencial, a rede de Petri de Alto Nível e a rede de Petri Predicado/Transição Diferencial. Ao final do estudo, conclui-se que a rede de Petri Predicado/Transição Diferencial é a mais adequada para modelagem de um sistema de ar condicionado, pois permite a descrição da dinâmica discreta associada aos modos de gerenciamento do sistema através da rede de Petri ordinária e, da dinâmica contínua associada aos fluxos de ar e calor através de sistemas de equações diferenciais. A rede de Petri Predicado/Transição Diferencial define uma interface entre a rede de Petri e sistemas de equações diferenciais algébricas, associando-as aos lugares 1. Em SVCs, um determinado conjunto de equações diferenciais algébricas define a evolução das variáveis contínuas de um sistema. No caso de sistemas híbridos, este conjunto de equações diferenciais sofre influência da ocorrência de eventos discretos. Assim, na rede de Petri Predicado/Transição Diferencial, sistemas de equações diferenciais são associadas aos lugares e as variáveis contínuas são associadas às marcas. A modularidade também é considerada neste caso para tratar problemas relacionados com as dimensões de uma rede que pode envolver um número relativamente grande de marcações (estados) possíveis. Desta forma, tem-se a representação das diversas configurações discretas possíveis do ponto de vista discreto na rede de Petri, e a representação da evolução contínua do sistema para cada uma das configurações através das equações diferenciais algébricas associadas aos lugares [Villani & Miyagi, 2005]. 1 No presente texto, os elementos estruturais da rede de Petri estão em Ariael 16

33 Uma rede Predicado/Transição Diferencial marcada pode ser definida formalmente pela 3-tupla NPTD = <R, A, M 0 >, onde: - R é uma rede de Petri definida pela 4-tupla <L r, T r, Pre, Pos>, onde: L r é um conjunto finito de lugares, T r é um conjunto finito de transições, Pre é o mapeamento dos arcos que saem de um lugar e estão orientados a uma transição, Pos é o mapeamento dos arcos que saem uma transição e estão orientados a um lugar; - A é a inscrição da NPTD, A = <X, AL, AC, AA, AF>, onde: X é um conjunto de variáveis formais, cujo valor é um número real, AL associa a cada lugar p i um vetor X pi de variáveis pertencentes a X, AC associa uma função de habilitação e i (.) a cada transição t i, AA associa uma função de junção j i (.) a cada transição t i, AF associa um sistema de equações diferenciais algébricas Fi, cujas variáveis são X pi e suas derivadas no tempo; - M 0 é a marcação inicial da rede. Um exemplo de disparo de uma transição em rede de Petri Predicado/Transição Diferencial é apresentado na Figura Controle Baseado em Rede de Petri A crescente complexidade dos sistemas produtivos tornou necessário o desenvolvimento de ferramentas efetivas para o projeto e implementação de sistemas de controle, que permitam sua concepção, detalhamento, verificação e validação antes da aquisição e instalação de equipamentos e controladores. Neste sentido, a rede de Petri destaca- 17

34 se como ferramenta eficaz de modelagem e análise do comportamento de SEDs e de sistemas híbridos. Inicialmente, o desenvolvimento de procedimentos de conversão de modelos em redes de Petri em programas de controladores restringia-se aos SEDs, mas a necessidade de considerar processos híbridos tem demandado o desenvolvimento de procedimentos válidos também para estes tipos de sistemas [Frey, 2000]. Vetor de Variáveis X L1 = <z> X L2 = <g, y > X L3 = <q, y> Sistemas de Equações F : ż 1 2 = 0 F 2: ġ + 1 = 0 Função de habilitação e 1 : z > g <1> <5, 5> l r 1 t r 1 l r 3 Função de junção j 1 : q = 2z - g l r 2 a) Marcação Inicial (t = 0) <5> l r 1 t r 1 l r 1 t r 1 <7, 5> <3, 5> l r 2 l r 3 l r 2 l r 3 b) Rede antes do disparo (t = 2) c) Rede depois do disparo (t = 2) Fig Rede de Petri Predicado/Transição Diferencial. Em Uzam et al. (1996), é utilizada a técnica do TPL (token passing logic), que se aplica à rede de Petri com temporização em lugares e transições (P-timed and T-timed) e à rede de Petri Colorida. Esta técnica, própria para SEDs, facilita a conversão da rede de Petri numa especificação da lógica de controle adequada para a geração de programas em diagrama ladder, usados amplamente nos controladores programáveis atualmente no mercado. A presença ou ausência de sinais de sensores é tratada através de interpretações das précondições para disparo das transições. Os sinais para os atuadores são associados a lugares. Na 18

35 essência, lugares da rede de Petri representam os estados lógicos do processo e as transições representam as ocorrências dos eventos. Em Lima II (2002) é apresentada uma outra alternativa que converte modelos de SEDs desenvolvidos em rede de Petri interpretada para uma linguagem texto, no caso o STL (statement list), através de uma ferramenta computacional. Em Lee et al. (2004) é introduzida a rede de Petri de controle - CoPN (control Petri net), que tem como característica básica ser determinística e utilizar transições temporizadas e sincronizadas. Este tipo de rede permite uma análise funcional dr um processo a partir das operações e condições do sistema, associando posições a lugares, incluindo saídas e ações, e associando as condições às transições. A partir de modelos em CoPN, é feita a análise da evolução das marcas, transformando a CoPN em funções booleanas, para posterior geração de diagramas ladder. Em Frey (2000), é introduzida a utilização de rede de Petri para modelagem e implementação de controle de sistemas híbridos. Para isso, é apresentado o conceito da rede de Petri com interpretação de sinais - SIPN (signal interpreted Petri net), que considera a influência do ambiente sobre o sistema através da definição de sinais, ao invés da influência baseada nos eventos utilizada em outras interpretações de elementos da rede de Petri. Na SIPN, as transições são associadas às condições de disparo determinadas por uma função booleana dos sinais de entrada. Os lugares são associados às ações especificadas pelos sinais de saída. É introduzido também o conceito de SIPN temporizada, onde tempos de atraso são associados aos arcos de entrada das transições. A implementação em controladores programáveis é feita através da conversão da SIPN temporizada em SFC (sequential function chart). Estes conceitos são estendidos em Frey (2003), onde é apresentado a SIPN hierárquica, baseando a análise da rede hierárquica na análise das sub-redes, inserindo ainda sinais não binários. Em Klein et al. (2003) é apresentada uma ferramenta computacional que 19

36 permite a conversão automática do modelo em SIPN para programação em lista de instruções (instruction list) para controladores programáveis. Em Venkatesh et al. (1994), foi introduzida a utilização da rede de Petri não somente para a implementação, mas principalmente para validação de sistemas de controle existentes através da comparação entre a lógica dos diagramas ladder e modelos em rede de Petri. Esta aplicação vem a ser reforçada em Frey & Litz (2000), onde é feita uma análise de metodologias para implementação e validação de sistemas de controle a partir da rede de Petri, para as mais variadas linguagens de programação, tais como lista de instruções, SFC (sequential flow chart), diagramas ladder, diagramas de blocos funcionais (functional block diagrams) e textos estruturados (strucutured texts). Todos estes trabalhos confirmam que um sistema de controle devidamente modelado, simulado e validado, utilizando a rede de Petri Predicado/Transição Diferenciais pode ser convertido para programas de controladores programáveis, dentro do contexto de edifícios inteligentes. 2.5.Comentários Adicionais A necessidade contínua de desenvolver novas formas de otimização de recursos e de economia de energia propiciou a evolução dos sistemas de ar condicionado, integrando-os ao conceito de edifício inteligente. O sistema de controle de temperatura ambiente utilizando o método de volume de ar variável VAV e a variação de velocidade nas bombas de água gelada são exemplos de melhorias introduzidas em virtude das novas formas de monitoração e controle. Partindo dos conceitos já validados de modelagem híbrida de sistemas de ar condicionado e usando rede Predicado/Transição Diferenciais, este trabalho explora estes na metodologia de construção e análise dos modelos. 20

37 3. Metodologia Este capítulo apresenta a metodologia de modelagem e análise de sistemas de ar condicionado proposta em Villani & Miyagi, (2004) e em seguida introduz as contribuições propostas para o seu aprimoramento. Estas modificações foram concebidas e detalhadas com base em problemas identificados com a aplicação prática da metodologia original a estudos de casos Metodologia Original A escolha da metodologia proposta em Villani & Miyagi (2004) deve-se ao fato da mesma já haver sido validada para casos específicos, e em virtude de mostrar-se relativamente flexível, de forma a permitir a introdução dos aprimoramentos necessários para adequação a novos contextos. Esta metodologia não interpreta como entidades discretas os elementos que representam variáveis contínuas nem interpreta como entidades contínuas os elementos que representam eventos discretos. A metodologia envolve a definição de uma interface entre os 21

38 dois modelos de modo a permitir maior flexibilidade de modelagem tanto na parte contínua quanto na parte discreta. Ela tem como base o detalhamento gradual dos modelos de partes que compõem o sistema segundo uma abordagem hierárquica. A referida metodologia é organizada em três etapas principais, conforme apresentado na Figura 3.1.: Etapa 1 Definição das estratégias Etapa 2 Construção de modelos dinâmicos Etapa 3 Análise estrutural e dinâmica dos modelos Fig Etapas da metodologia (derivado de Villani & Miyagi, 2004) a) Definição das estratégias Contempla-se aqui a seqüência de eventos e ações de cada estratégia, os componentes do sistema de ar condicionado sobre os quais a estratégia de funcionamento e controle atua, e em que situações ela é executada. Após a definição de cada estratégia, deve-se analisar sua 22

39 influência sobre as propriedades do ambiente e dos fluxos de ar e água, como vazão, temperatura, pressão, umidade, etc, uma vez que sua inserção no sistema de gerenciamento trará conseqüências para cada uma destas propriedades. Também devem ser analisadas as interfaces de cada estratégia com o sistema de gerenciamento do sistema de ar condicionado, uma vez que estas passarão a fazer parte deste, e com os demais sistemas do edifício, já que sua atuação influenciará ou sofrerá influência destes. b) Construção dos modelos Nesta etapa, devem ser modela dos individualmente o sistema de gerenciamento, o sistema de controle local dos equipamentos, o sistema de ar condicionado propriamente dito e os ambientes internos, para posterior integração dos modelos, conforme esquema apresentado na Figura 3.2. Modelagem do Sistema de Gerenciamento Modelagem do Sistema de Ar Condicionado Modelagem dos Ambientes Modelagem dos Sistemas de Controle Local Integração dos modelos Fig Detalhamento da etapa Construção dos Modelos (derivado de Villani & Miyagi, 2004) P ara a modelagem do sistema de gerenciamento, devem ser consideradas todas as estratégias de controle previamente definidas. Esta modelagem pode utilizar como ferramenta 23

40 a rede de Petri, uma vez que o sistema de gerenciamento pode ser considerado um sistema a eventos discretos (SED), já que sua evolução é determinada pela ocorrência de eventos que alteram abruptamente os estados discretos, como a mudança de estado de equipamentos baseados em sinais lógicos de sensores. Para construção destes modelos, inicialmente é utilizada a técnica do PFS (Production Flow Schema), descrita em Miyagi (1996). 96). Esta técnica tem como objetivo sistematizar e facilitar a modelagem baseada em rede de Petri. É utilizada uma abordagem top-down, explorando o conceito de macro-eventos, isto é, atividades que podem incluir vários outros eventos e estados organizados hierarquicamente. O sistema é então caracterizado pelas atividades realizadas sobre um fluxo de itens (objetos, materiais, informações, etc.), conforme Figura 3.3. Assim, todo processo produtivo pode ser decomposto em elementos ativos (atividades), elementos passivos (distribuidores) e arcos orientados, que relacionam os elementos anteriores. Este modelo em PFS é gradativamente refinado, gerando um modelo em rede de Petri, isto é, uma rede baseada na rede de Petri Lugar-Transição, adicionado de elementos como arcos habilitadores e inibidores, que podem ser devidamente interpretados como sinais de comunicação, e transições temporizadas. Elemento Atividade Atividade 1 PFS - Production Flow Schema (Descrição conceitual do sistema) Arco Orientado Elemento Interatividade Atividade 3 Atividade 4 Atividade 2 Fig Exemplo de um modelo em Production Flow Schema PFS 24

41 O modelo do sistema de gerenciamento é composto pelas diversas estratégias de controle, previamente definidas, e pelo conjunto de operações realizadas sobre o sistema de ar condicionado, representado pelos sistemas de controle local, responsáveis pela interface com os atuadores, sensores e dispositivos de interface com o operador/usuário. Assim, a conexão entre os modelos é representada através de arcos habilitadores e inibidores. Na modelagem do sistema de controle local são considerados os estados dos diversos destes equipamentos que compões o sistema, como, por exemplo, [Bomba desligada], [Bomba ligada] ou [Bomba indisponível]. Para a modelagem do sistema de ar condicionado, considerado como um sistema híbrido, adota-se com base nas características citadas no capítulo anterior a rede de Petri Predicado/Transição Diferencial (rede PTD). Considerando que, tanto para o fluxo de ar quanto para o fluxo de água, são modeladas as variáveis de vazão, temperatura e pressão, para cada lugar relacionado é atribuído um sistema de equações diferenciais, representando a transformação realizada pela atividade associada às propriedades do fluxo. Os ambientes internos do edifício são modelados através de sistemas de equações diferenciais que representam a variação das propriedades do ar nestes recintos, em função da carga térmica recebida, que podem também ser influenciadas por eventos discretos, como a entrada de pessoas no ambiente e o acionamento de lâmpadas e equipamentos. A integração entre os modelos do sistema de gerenciamento, modelo do sistema de ar condicionado e sistema de controle local é realizada também através de arcos habilitadores e inibidores. A integração do sistema de ar condicionado com o ambiente é realizada através da especificação das influências mútuas entre as variáveis contínuas características do ambiente com os elementos do sistema de ar condicionado. 25