Sistema Eletrônico para Controle e Monitoramento Remoto de Estações Elevatórias de Sistemas Urbanos de Distribuição de Água

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1 Sistema Eletrônico para Controle e Monitoramento Remoto de Estações Elevatórias de Sistemas Urbanos de Distribuição de Água Rodrigo Moreira Bacurau 1, Brauliro Gonçalves Leal 2, Sérgio Aurélio Ferreira Soares 1 1 Graduando do Curso de Engenharia da Computação da Universidade Federal do Vale do São Francisco UNIVASF CEP Juazeiro BA Brasil 2 Professor do Colegiado de Engenharia da Computação da UNIVASF CEP Juazeiro BA Brasil {rodrigo.bacurau, brauliro.leal}@univasf.edu.br, eng.sergiosoares@gmail.com Abstract. The automation of urban water supply systems results in a better demand control, reduction in the electric power expenses and more efficient pressure control, which minimize the leakage losses. This paper presents the modeling and simulation of an electronic system that provides the remote control and monitoring of water pumping stations using TCP/IP connection. The proposed system allows to control pumping machines, monitoring the water level in the reservoirs of the pumping stations, flow in the main pumping stations pipes, voltage and current of pumping machines. Resumo. A automação de redes urbanas de abastecimento de água resulta em um melhor atendimento da demanda, minimização dos gastos com energia elétrica e controle mais eficiente das pressões nas tubulações, promovendo a redução de perdas por vazamento. Neste artigo é apresentada a modelagem e a simulação de um sistema eletrônico para controle e monitoramento remoto de estações elevatórias de água através de conexão TCP/IP. O sistema proposto permite controlar o funcionamento de motobombas, monitorar as cargas hidráulicas dos reservatórios, a vazão nas principais tubulações das estações elevatórias, a tensão e a corrente elétrica das motobombas. 1. Introdução A gestão eficiente dos recursos hídricos é fundamental para seu melhor aproveitamento. Sistemas automatizados de controle e monitoramento podem contribuir significativamente no uso eficiente destes recursos naturais. A implantação de sistemas de automação centralizados nas companhias de abastecimento de água resulta em um melhor atendimento da demanda, controle mais eficiente da pressão nas tubulações e consequentemente redução de perdas por vazamento (TROJAN; KOVALESKI, 2005). Além disso, possibilitam diminuição dos custos operacionais através do gerenciamento da energia elétrica consumida (TOLEDO et al., 2006).

2 A captação e distribuição de água em redes urbanas geralmente envolvem o dispêndio de grandes quantidades de energia elétrica nas operações de bombeamento dos pontos de captação para reservatórios distribuídos em pontos altos da cidade. A instalação de sistemas de automação permite um controle mais adequado do acionamento e desligamento de motobombas, facilitando a implantação de políticas de redução de consumo elétrico nos horários do dia em que o custo deste bem é mais elevado (TOLEDO et al., 2006). Segundo Lambert et al (1999), para se reduzir o índice de perdas em sistemas de distribuição de água, é necessário atuar no controle da pressão das tubulações de distribuição, na rapidez e na qualidade dos reparos das tubulações que apresentarem vazamentos e ainda na criação de programas de escolha, instalação, manutenção e melhoria da qualidade das tubulações. Trojan e Kovaleski (2005) afirmam que em localidades onde a geografia se mostra bastante acidentada se faz necessário um controle mais eficiente da pressão na rede de distribuição de água, a fim de evitar o rompimento de tubulações nos pontos mais baixos e, ao mesmo tempo, manter o mínimo de vazão de abastecimento nos pontos mais elevados geograficamente. Mário Filho (2001) ressalta, ainda, que a automação em saneamento soluciona também uma série de dificuldades operacionais, como manter operadores nas unidades de tratamento, ligando e desligando bombas. Por comandos realizados por telemetria, várias unidades podem ser assistidas a partir de um centro de controle operacional com funções de otimização e planejamento, resultando em menor custo e maior segurança. É notória a necessidade de sistemas de controle de processos mais sofisticados para as plantas de captação, adução, tratamento e distribuição de água. Do ponto de vista da supervisão, o acesso remoto via Internet, sobretudo em processos industriais, vêm emergindo, possibilitando o controle remoto de longas distâncias e com baixo custo. Sendo assim, neste trabalho é proposto um sistema que permita o monitoramento remoto das estações urbanas de distribuição de água utilizando a Internet como meio de comunicação. 2. Sistemas Urbanos de Abastecimento de Água As arquiteturas dos sistemas de abastecimento de água são as mais diversas pois buscam atender as diferentes necessidades de consumo e características geográficas (relevo e hidrografia, principalmente) da região onde são implantados. De modo geral, estes sistemas são compostos por uma ou mais das seguintes unidades: manancial, sistema de captação, sistema de adução, estação elevatória, estação de tratamento, reservatório e rede de distribuição, apresentadas na Figura 1 (HELLER; PÁDUA, 2006): Manancial é a fonte natural de onde é obtida a água que abastece o sistema. O sistema de captação consiste na estrutura responsável pelo bombeamento da água do manancial, a fim de torná-la disponível para seu transporte aos locais de utilização. O sistema de adução destina-se ao transporte de água, interligando unidades de captação, tratamento, estações elevatórias, reservatórios e redes de distribuição.

3 Nas estações de tratamento (ETAs) a água proveniente dos mananciais passa por um conjunto de procedimentos físicos e químicos para torná-la potável. A rede de distribuição, composta basicamente de tubulações, conexões e registros, tem a função de distribuir a água até as residências, pontos comerciais, indústrias e locais públicos. Os reservatórios têm como função realizar compensação entre as vazões de adução e de consumo e condicionamento adequado das pressões em pontos específicos da rede de distribuição. Apresentam-se de diversas formas de acordo com sua posição no terreno (apoiado, elevado, semi-enterrado, enterrado) e de sua localização na rede de distribuição (HELLER; PÁDUA, 2006). As estações elevatórias consistem basicamente de um conjunto de motobombas usadas na captação, adução, tratamento e distribuição para fazer com que a água chegue a regiões mais altas, ou para aumentar a capacidade de adução do sistema (HELLER; PÁDUA, 2006). Figura 1. Unidades componentes do sistema de abastecimento de água (HELLER; PÁDUA, 2006). A maioria significativa dos sistemas de captação, adução e distribuição de água empregam instalações elevatórias. Utilizam-se reservatórios enterrados, semi-enterrados ou apoiados do qual a água é bombeada por uma estação elevatória de um reservatório mais baixo para outro mais elevado. 3. Metodologia e Ferramentas A modelagem e o desenvolvimento do equipamento foram realizados no Laboratório de Hardware da Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF), situado no campus de engenharia no município de Juazeiro-BA. O desenvolvimento do projeto foi dividido nas seguintes etapas: a) elaboração do algoritmo descritivo para o sistema de controle; b) definição do hardware do sistema; c) implementação do programa controlador do sistema em linguagem de programação C; e d) construção e simulação do funcionamento do circuito eletrônico microcontrolado em aplicativo computacional.

4 Em seguida foi executada a análise de requisitos do sistema. Nesta etapa foram identificadas e documentadas as características que o sistema a ser desenvolvido deve contemplar. Após a análise de requisitos foram desenvolvidos os algoritmos descritivos do sistema em forma de fluxograma, o que permitiu obter uma melhor compreensão do problema e paralelamente iniciar a implementação da solução. Estes algoritmos permitiram desenvolver o programa para controlar o sistema, desenvolvido em linguagem C o utilizando o compilador da Microchip MPLAB C30 versão acadêmica (MICROCHIP TECHNOLOGY INC 1 ) e o ambiente de desenvolvimento integrado também da Microchip MPLAB. O funcionamento do circuito eletrônico e seu software embarcado foi simulado com auxílio do aplicativo computacional Proteus ISIS Professional v.7.6 (LABCENTER ELECTRONICS LTD 2 ). Isto permitiu verificar o funcionamento do sistema sem a necessidade de construí-lo fisicamente. A montagem do circuito em placa de protótipos seguida da montagem em placa permanente e execução dos testes finais de avaliação serão executados em trabalhos futuros. 4. Solução Proposta Neste trabalho propõe-se a modelagem e desenvolvimento de um sistema de controle e supervisão das estações elevatórias e reservatórios de água que permitirá, através de uma interface web, monitorar e controlar remotamente cargas hidráulicas de reservatórios, estados das motobombas e vazão bombeada pelas estações elevatórias. Com base na observação do funcionamento dos sistemas urbanos de distribuição de água, na literatura especializada e reuniões com especialistas na área (funcionários da COMPESA/Petrolina-PE e SAAE/Juazeiro-BA), foram definidos os principais requisitos funcionais e não funcionais da proposta. Cada estação elevatória da rede de abastecimento a ser monitorada será dotada de um subsistema microcontrolado, responsável pelo monitoramento dos sensores (de vazão, nível, e tensão e corrente elétrica nas motobombas) e controle do acionamento de suas motobombas. Esses subsistemas estarão conectados na Internet por meio do protocolo TCP/IP. Os meios físicos para comunicação poderão ser cabo UTP, fibra óptica, ondas de rádio ou qualquer outro meio que dê suporte ao protocolo TCP/IP. A falha desse sistema pode vir a causar sérios problemas à companhia de distribuição de água bem como à população atendida por esta companhia, como interrupção do abastecimento. Para que o sistema não fique inoperante caso haja falha na rede de comunicação entre as estações elevatórias o controle de acionamento das motobombas poderá também ser feito localmente através de uma interface composta por display LCD e botões. Desta forma, caso a rede se torne inoperante, o sistema ainda poderá se controlado. Outra característica que torna o sistema proposto mais robusto é a

5 presença de hardware redundante. O sistema será composto por duas placas de controle idênticas, sendo a segunda posta em funcionamento somente caso a primeira venha a falhar, de forma que o sistema fique o menor tempo possível sem funcionar Neste trabalho uma estação é composta por um reservatório inferior, um reservatório elevado e um conjunto de motobombas. Quando o reservatório inferior for instalado próximo ao reservatório elevado (até 100 m de distância) é necessário somente um circuito eletrônico para monitorar e controlar a estação. Por outro lado, quando os reservatórios elevado e inferior estiverem distantes é necessária a instalação de dois circuitos controladores/monitores, um próximo ao reservatório inferior e o conjunto de motobombas, e o outro próximo a estação elevada. Na Figura 2 é detalhada a estrutura de uma estação. Figura 2 Estrutura de uma estação onde os círculos e os quadrados representam sensores e atuadores, respectivamente. Em uma estação a água é bombeada do reservatório inferior para o superior de onde, por gravidade, é distribuída para a malha urbana ou repassada para outras estações. Durante o processo de bombeamento será monitorado o nível dos reservatórios, a vazão de chegada no reservatório inferior, a vazão bombeada do reservatório inferior para o superior, a vazão de saída do reservatório superior e os estados das motobombas (ligado/desligado, velocidade, tensão e corrente elétrica). Na Figura 2 os círculos representam os sensores, os de números 1, 6 e 8 sensores de vazão, 2 e 7 sensores de nível e 3, 4 e 5 sensores de corrente e tensão elétrica. Os quadrados estão numerados de 9 a 11, eles representam atuadores, um em cada motobomba, usados para ligá-las e desligá-las. No sistema da Figura 2, a estação possui 3 motobombas, porém esse número pode variar de acordo com o porte da estação. Neste exemplo a comunicação do sistema controlador com o servidor é feita através de link de rádio. Utilizando a interface web o sistema poderá ser controlado automaticamente, não necessitando de intervenção humana para o ligamento e desligamento das motobombas. No controle automático, de acordo com configurações pré-estabelecidas, o sistema controlará o acionamento das motobombas em função do nível do reservatório superior de cada estação. As principais características do sistema são apresentadas na Tabela 1.

6 Tabela 1. Principais características do Sistema Ser capaz de manter o nível dos reservatórios elevados dentro de uma faixa de acordo com a configuração pré-estabelecida; Permitir a visualização do nível dos reservatórios inferior e superior e as vazões das tubulações principais (de alimentação do reservatório inferior, de bombeamento do reservatório inferior para o superior e de saída do reservatório superior) e informações das motobombas (estado, correntes e tensões elétricas); A interface com o usuário deve ser feita via Internet através de um navegador web; A configuração do nível desejado ou controle do acionamento das motobombas individualmente poderá ser feita também através de uma interface composta por display LCD e chaves táteis. Os dados dos sensores devem ser atualizados no máximo de 30 em 30 segundos; O sistema deve demorar no máximo 30 segundos para executar uma configuração. Duas motobombas não devem ser acionadas no mesmo instante para evitar sobrecarga no sistema elétrico das estações elevatórias. A Figura 3 apresenta o diagrama de contexto do sistema, onde pode ser visto o sistema monitor, sensores, motobombas e seus componentes. Os sensores captam os dados de nível e vazão e repassam para o sistema monitor. As motobombas além de receberem os comandos de acionamento também enviam dados das suas tensões, correntes e velocidade. O usuário é o ator externo que interage com o sistema, requisitando informações dos sensores e motobombas e atuando no acionamento das motobombas. Sistema configuração Usuário * informações das estações Sistema Monitor tensões e correntes elétrica acionamento níveis e vazões Motobombas Sensores * * Figura 3. Diagrama de contexto do sistema com seus componentes. O sistema proposto é formado por dois componentes básicos: circuito eletrônico (hardware) e software controlador do sistema embarcado. Para o desenvolvimento do software embarcado foi usada a implementação da pilha TCP/IP fornecida pela Microchip versão Esta pilha consiste em um conjunto de programas que provêm serviços para as aplicações padrões baseadas no protocolo TCP/IP, como servidor HTTP e cliente (MICROCHIP, 2008a). A Pilha TCP/IP da Microchip é dividida em várias camadas escritas em linguagem de programação C para os compiladores Microchip C18, HI-TECH e PICC- 18. A implementação de cada uma das camadas é feita em arquivos separados, enquanto que os serviços e a API são definidas através de arquivos header/include (MICROCHIP, 2008a).

7 Ao contrário do que ocorre nas pilhas TCP/IP tradicionais, na pilha TCP/IP para sistemas embarcados da Microchip algumas camadas podem executar operações de forma assíncrona. Para permitir essa característica e ainda estar relativamente independente da aplicação principal que utiliza seus serviços, ela utiliza a técnica de cooperativismo multitarefa no qual, as funcionalidades do sistema, são implementadas em várias tarefas, executadas sequencialmente e de modo independente. O programa principal executa uma tarefa por vez e, ao encerrá-la, ele retoma o controle para que o processamento seja passado para a próxima tarefa (MICROCHIP, 2008a). Desta forma, uma aplicação que utiliza a pilha TCP/IP da Microchip deve também utilizar o método cooperativo multitarefa. Isso consiste em organizar o programa principal como uma máquina de estados finita (FSM) e dividir programas grandes em diversos pequenos blocos de código (MICROCHIP, 2008a). O software controlador do sistema foi desenvolvido em linguagem C utilizando o compilador MPLAB C30 de forma cooperativa multitarefa. O fluxograma apresentado na Figura 4 ilustra de forma simplificada o funcionamento do sistema implementado. Ao ligar, o sistema inicia o hardware e toda a estrutura da Pilha TCP/IP da Microchip. Em seguida executa-se um loop infinito onde é feito o controle e monitoramento do sistema. Como comentado anteriormente, o sistema pode funcionar em rede, permitindo configuração e monitoramento remoto e em modo sem rede, permitindo controle e monitoramento limitado através de uma interface composta por botões e um display LCD. No modo sem rede, inicialmente é feita a leitura dos botões de configuração, seguido pelo controle do acionamento das motobombas e por último das rotinas de atualização do display. No modo em rede processa-se inicialmente a chegada e o envio dos pacotes. Em seguida são respondidas as requisições feitas ao servidor HTTP e por último é feito o processamento das entradas (sensores) e das saídas (display e motobombas). Início Inicializar Hardware: - Definir pinos de E/S; - Configurar o módulo ADC; 1 Exibir no LCD Mensagem Inicial 2 Inicializar Temporizador da Pilha TCP/IP 3 Inicializar Sistema de Arquivos (MPFS) da Inicializar a Estrutura que Armazena as Variáveis Relacionadas à Pilha Pilha TCP/IP4 TCP/IP 5 Executar Operações Servidor HTTP 12 Processar entradas e saídas (obter dados dos sensores, acionar/desligar motobombas, atualizar Display) 13 Receber e NÃO Enviar Pacotes 11 A Chave Modo Sem Rede Está Acionada? 9 SIM Modo Sem Rede 10 Inicializar Camadas do Núcleo da Pilha TCP/IP NÃO (MAC, ARP, TCP, IP)e Camadas de Aplicação (HTTP, DHCP) 8 O Botão Reset EEPRON foi pressionado por mais de 4 segundos? 6 SIM Resetar Memória EEPRON 7 Figura 4. Fluxograma do software do sistema. A interface de controle do sistema via rede é implementada através de um servidor HTTP embarcado no microcontrolador. Foi utilizado o servidor HTTP2 da

8 Microchip, que possui as seguintes funcionalidades: suporte a múltiplas conexões HTTP, dispõe de um sistema de arquivos próprio (MPFS); suporta páginas web localizadas na memória de programa do microcontrolador ou em memória EEPROM serial externa; suporta os métodos de envio GET e POST (outros métodos podem ser adicionados); suporta um tipo de CGI (Common Gateway Interface) para executar funcionalidades pré-definidas a partir de um navegador remoto e suporta geração dinâmica de conteúdo de páginas web. Para integrar o servidor HTTP com a aplicação os seguintes passos foram feitos: a) inclusão do código do servidor HTTP feita ao habilitar a macro STACK_USE_HTTP2_SERVER no arquivo de cabeçalho TCPIPConfig.h ; b) limitou-se a dez a quantidade máxima de conexões do servidor HTTP feito na macro HTTP_MAX_CONNECTIONS no arquivo TCPIPConfig.h ; c) inclusão dos arquivos HTTP2.c e MPFS2.c no projeto a ser compilado; d) habilitada a macro MPFS_USE_EEPROM para utilização de memória externa para o armazenamento das páginas; e) modificação da função main no programa para incluir e inicializar os serviços do servidor HTTP. Paralelamente ao desenvolvimento do software embarcado foi construído o circuito do hardware do sistema utilizando o simulador Proteus ISIS, a Figura 5 ilustra o esquema do hardware modelado. O microcontrolador é o elemento principal do hardware, responsável pelo controle de todo o sistema. Nele é gravado o arquivo hexadecimal resultante da compilação do software desenvolvido. Neste projeto foi usado o microcontrolador de 16 bits PIC24FJ128GA006, por apresentar as características de hardware requeridas para o funcionamento adequado da pilha TCP/IP Microchip versão 5.25, a saber: a) grande quantidade de memória de programa (128 KB); b) grande quantidade de memória RAM (8192 Bytes); c) alta velocidade de processamento (16 MIPS); e d) presença de 2 módulos SPI de alta velocidade. Além dessas características, este microcontrolador possui outras que o torna adequado para este projeto, como a grande quantidade de pinos de entrada e saída (53) e seus 16 pinos analógicos para conversão A/D. A desvantagem desse microcontrolador é que é disponível somente em encapsulamento TQFP de 64 pinos, sendo necessário o uso de um adaptador para pinagem DIP para que possa utilizá-lo em placa de protótipos. Motobombas Microcontrolador Botões Display LCD Módulo ADC Multiplexadores Sensores Memória EEPRON Módulo SPI Controlador Ethernet Interface RJ-45 Rede TCP/IP Figura 5. Esquema do hardware do sistema.

9 Para prover comunicação com a rede TCP/IP foi usado o controlador da Microchip ENC28J60, um controlador Ethernet stand-alone com o padrão industrial SPI para comunicação serial com outros dispositivos. O ENC28J60 reune todas as especificações IEEE (Ethernet) e incorpora um conjunto de esquemas de filtros para limitar a quantidade de pacotes que realmente necessitam ser processados. Além disso, o mesmo possui um módulo de DMA (Direct Memory Access) dedicado, que permite maior vazão de dados, e uma unidade de hardware para cálculo do checksum para detecção de erro, utilizada em diversos protocolos de rede. A comunicação com um controlador host (por exemplo um microcontrolador) é implementada via pino de interrupção e interface SPI a uma velocidade superior a 20 MHz. Dois LEDs foram utilizados para indicar a atividade da rede (MICROCHIP, 2008a). Um circuito genérico utilizando o ENC28J60 pode ser visto na Figura 6. Além do controlador, um transformador e alguns componentes passivos são necessários para conectar um microcontrolador a uma rede Ethernet. Figura 6. Diagrama do circuito do ENC28J60 (MICROCHIP, 2008a). Para prover a comunicação com o ambiente externo, foi usada uma interface de rede 100/10 Base-TX RJ45 com transformador isolador interno e compatível com o padrão 802.3, Figura 6. Devido a grande quantidade de sensores analógicos a ser monitorada, 17 (2 sensores de nível, 3 sensores de vazão, 3 sensores de tensão elétrica e 9 sensores de correntes elétricas) foi necessário multiplexá-los. Foram usados dois CIs multiplexadores 4052, cada um equipado com dois multiplexadores de 4 canais, o que possibilitou multiplexar 4 pinos analógicos do microcontrolador em 16 pinos. Assim, um dos sensores teve que ser conectado diretamente ao microcontrolador. As páginas web, usadas para prover a interface com o usuário, foram armazenadas em um CI com 256 Kbits de memória EEPRON, o 25LC256. Assim como o ENC28J60, esse circuito integrado também se comunica com o microcontrolador através de interface SPI. Foi criada uma interface composta por quatro botões (,, +, -) e uma chave para controlar o modo de operação do sistema (em rede e sem rede). No modo sem rede o usuário pode navegar por um menu e verificar os dados dos sensores, configurar um nível de água desejado, bem como acionar ou desligar motobombas.

10 Devido às restrições de espaço deste artigo e a complexidade dos circuitos eletrônicos construídos, não serão detalhados os circuitos eletrônicos construídos. 5. Conclusões Neste artigo foi apresentada a proposta de um sistema para controle e monitoramento remoto de estações elevatórias de água. Por meio de um circuito microcontrolado, utilizando a implementação do protocolo TCP/IP fornecido pela Microchip, foi possível desenvolver um sistema e que permita o monitoramento de vários parâmetros de uma estação elevatória bem como o controle do nível dos seus reservatório e acionamento de motobombas. O próximo passo desse trabalho será construir o sistema fisicamente e testá-lo em ambiente real. Referências HELLER, L; PÁDUA, V. L. Abastecimento de água para consumo humano. Belo Horizonte-, MG, Ed. UFMG, p. LAMBERT, A. et al. A review of performance indicators for real losses from water supply systems. AQUA, (6), , ISSN MARIO FILHO. Automação no saneamento básico: diferentes necessidades para um mesmo objetivo. Revista Controle & Instrumentação, ed. 61, São Paulo, SP, MICROCHIP. ENC28J60 Data Sheet. 2008a. Disponível em < Acesso em: 19 mar MICROCHIP. Microchip TCP/IP Stack Application Note. 2008b. Disponível em: < Acesso em: 19 mar TOLEDO, F. M. B.; SANTOS, M. O.; ARENALES, M. N., SELEGUIM JR., P. Logística de distribuição de água em redes urbanas: racionalização energética. Revista Pesquisa Operacional, v.28, n.1, p.75-91, Janeiro a Abril de Disponível em:< Acesso em: 15 ago TROJAN, F.; KOVALESKI, J. L. Automação no abastecimento de água: Uma ferramenta para redução de perdas e melhoria nas condições de trabalho. XII SIMPEP, Bauru, SP, Disponível em: < omacao%20no%20abasteci.pdf>. Acesso em: 19 mar