22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina X UMA SOLUÇÃO ECONOMICAMENTE VIÁVEL PARA AUTOMAÇÃO DE PEQUENAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Celso José Munaro(1) Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Maria (RS). Mestre e Doutor em Automação pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Leonardo Pereira Bastos Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (2002). Atualmente presta serviços na área de automação industrial e é aluno do Mestrado em Automação da UFES. Rodrigo Ramos Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo (1998), mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Espírito Santo. José Mauro Pegoretti Engenheiro Mecânico pela UFES (1978). Atualmente é presidente da Sanevix Engenharia. Erley Crevelin Valentim

2 Engenheiro Civil pela UFES (2000). Atualmente exerce a função de gerente de qualidade de desenvolvimento da Sanevix Engenharia e é pós-graduando em Gestão Empresarial pela FGV Management. Ricardo Franci Gonçalves Engenheiro Civil e Sanitarista pela UERJ. Pós-graduado em Engenharia de Saúde Pública ENSP/RJ, DEA Ciências do Meio Ambiente Univ. Paris XII, ENGREF, ENC, Paris. Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água INSA de Toulouse, França. Professor Adjunto do DHS e do PMEA UFES. Endereço(1): DEL-UFES. Av. Fernando Ferrari, s/n Bairro Goiabeiras Vitória ES. CEP: Brasil - Tel: (27 ) munaro@ele.ufes.br RESUMO Uma solução de automação que garante a execução de operações de rotina de uma ETE compacta é aqui proposta. A solução tem como prioridade a redução de custos de forma a viabilizar sua implantação em ETEs tipo UASB+BF de pequeno porte, quando a relação custo do sistema de automação/custo da ETE é mais representativa. Detalhes da implementação da solução proposta para uma ETE atualmente em operação são apresentados. PALAVRAS-CHAVE: automação industrial, tratamento de esgoto sanitário, controladores lógicos programáveis. INTRODUÇÃO O desenvolvimento de estações compactas de tratamento de esgoto sanitário (ETE) combinando reatores anaeróbios seguidos de biofiltros aerados submersos representa uma excelente alternativa para regiões densamente povoadas. Estas ETEs consistem tipicamente de uma estação elevatória onde o esgoto chega por gravidade ou bombeamento e é gradeado. Da elevatória o esgoto é bombeado para um reator anaeróbio de manta de lodo de fluxo ascendente onde cerca de 70% da matéria orgânica é removida. O efluente anaeróbio recebe um pós-tratamento nos biofiltros aerados submersos, onde ocorre e remoção de matéria orgânica e de sólidos suspensos remanescentes de modo a compatibilizar o efluente tratado aos padrões fixados pela legislação ambiental.

3 O maior grau de compacidade e a forma de operação deste tipo de ETE permite a proposta de um sistema de automação de forma a tornar automática sua operação. Os automatismos estão associados às operações de lavagem dos biofiltros, realizadas a cada um ou dois dias, ao acionamento de bombas de recalque e para aeração e à detecção e correção de falhas em equipamentos. O resultado de tal sistema é a garantia de que as operações de rotina da ETE serão realizadas conforme determinadas à priori. A dificuldade em propor sistemas de automação para este tipo de processo aumenta à medida que seu tamanho diminui, pois o custo de tal sistema tende a ser significativo em relação ao custo da ETE, tornando-o inviável. Neste artigo são discutidos todos os avanços que tornaram possível a implantação de um sistema de automação em uma ETE comercial de pequeno porte em Duque de Caxias, RJ. Eles envolvem desde a seleção de equipamentos otimizados para as funções que exercem até a forma de trabalho entre a equipe de automação e a de construção da estação. Os avanços descritos permitiram reduzir custos com equipamento e mão de obra especializada, de forma que o sistema de automação não representou impactos significativos no custo final da ETE e em seus prazos para instalação e partida. Observa-se aqui um grande amadurecimento em relação às possibilidades de incorporação de inovações tecnológicas discutidas em [1], através da busca de equipamentos adequados e do trabalho conjunto de equipes multidisciplinares e de um esforço para produzir soluções tecnológicas viáveis para a realidade brasileira. METODOLOGIA UTILIZADA Sistema de automação implementado Na figura 1 pode-se observar as interconexões dos equipamentos instalados no sistema de automação implementado. Os dois controladores lógicos programáveis (CLP) são extremamente compactos, de baixo custo e executam adequadamente as funções de controle lógico necessárias. O primeiro CLP (CLP1) é responsável pela lavagem dos BFs, descarga do clarificador e detecção de falhas em válvulas e compressores. São entradas deste CLP os seguintes sinais digitais: os quatro sensores de posição fechada das válvulas, os dois sinais dos pressostatos dos compressores de aeração e da automação, os sensores de nível máximo e mínimo dos BFs, os três sensores de nível da elevatória e a chave manual/automático. Com base nestas entradas e no tempo, as saídas digitais são ativadas ou desativadas. Estas saídas são os comandos para acionamento das quatro válvulas (três dos BFs e uma do clarificador), das indicações de alarme em uma ou mais válvulas, e de alarmes no compressor de aeração e no compressor da automação. O segundo CLP (CLP2) é responsável por todo o controle e detecção de erros relativos à elevatória. Têm-se como entradas deste CLP os seguintes sinais digitais: os três sensores de nível da elevatória (chaves-bóia), a chave manual/automático e a tensão de alimentação de

4 cada uma das bombas. Com base nestas entradas e no tempo, as saídas digitais são ativadas ou desativadas. Estas saídas são os comandos para acionamento das três bombas da elevatória e uma indicação única de alarme para estas bombas. Figura 1: Sistema de automação instalado. A lavagem dos BFs ou da descarga do clarificador é determinado pelos contadores de tempo implementados no CLP1, sendo iniciada desde q ue todas condições para isto sejam satisfeitas. O número de lavagens dos BFs é um parâmetro fornecido pelo operador. O descarte do clarificador é feito durante um tempo determinado quando a elevatória estiver vazia. Falhas em válvulas são detectadas comparando o comando enviado às mesmas com os sinais lidos dos sensores de válvula fechada. Uma falha na aeração é detectada se o sinal enviado pelo pressostato mantiver a indicação de compressor ligado por um tempo maior que o necessário para o enchimento do reservatório até pressão ajustada. Uma indicação visual de alarme é acionada, sendo desligada somente quando o sinal do pressostato normalizar seu valor. A detecção de falha na alimentação de ar para as válvulas da automação ocorre da mesma forma descrita para a falha na aeração. Porém, além de gerar uma indicação visual de alarme, qualquer válvula que esteja aberta é imediatamente fechada até que a pressão normalize. Isto minimiza a possibilidade de uma válvula não conseguir fechar caso esteja ocorrendo um vazamento. O acionamento das bombas da elevatória é feito pelo CLP2 a partir da informação dos sensores de nível, instalados em uma altura diferente na elevatória. O rodízio de operação das bombas foi implementado, de modo que a cada 48 horas a bomba de reserva é colocada em operação.há um contador de horas de funcionamento para cada uma das bombas, que pode ser acessado pela equipe de manutenção, a fim de determinar ações preventivas. Com a chave manual/automático na posição manual, todas as operações passam a serem executadas pelo operador. Os CLPs continuam apenas contabilizando o tempo de funcionamento de cada uma das bombas. Com a chave na posição automático, a ETE opera controlada pelos CLPs, de acordo com os algoritmos de controle lógico descritos. Durante a operação automatizada, o técnico da operação pode agir sobre o sistema alterando alguns parâmetros de configuração em tempo real, utilizando a interface homem máquina (IHM) que os CLPs possuem. Estes parâmetros são tempos e números de repetições para os algoritmos de controle. Para o CLP1, os parâmetros configuráveis são: o tempo, em horas, entre lavagens consecutivas dos BFs; o tempo, em horas, entre descargas consecutivas do clarificador; o tempo, em minutos, de abertura da válvula do clarificador; e o número de lavagens seguidas de cada um dos BFs. No CLP2, tem-se acesso somente aos contadores de horas de funcionamento de cada uma das bombas. Existem vários outros parâmetros de configuração, entretanto, a pedido dos responsáveis pela operação, aqueles que não

5 necessitam serem alterados em tempo real foram desabilitados, e não são acessados via IHM. Implantação do sistema de automação Com a intenção de minimizar as ligações em campo, e assim reduzir os problemas ocorridos devido a erros de ligação, e conseqüentemente reduzir o tempo de implantação do sistema de automação em campo, optou-se pela integração do quadro de distribuição de energia elétrica, dos CLP s, dos contactores das bombas e do compressor da automação em um só quadro, no qual entram os condutores de alimentação, os sinais vindos dos sensores de nível e dos sensores de posição das válvulas. Do quadro saem a alimentação para as bombas, para o compressor da automação e para as válvulas eletro-pneumáticas, sem qualquer outro dispositivo de comando entre o quadro e os equipamentos terminais. Apenas o compressor de aeração permaneceu com seu quadro de comando descentralizado, mas a experiência mostrou que seria melhor se também tivesse sido integrado ao quadro, como os demais componentes. Em vista do grau de complexidade do quadro de comando (média complexidade), optou-se pela sua montagem ainda na empresa. Com isso, foi possível: Resolver a maioria dos problemas de montagem e de lógica de controle ainda na empresa; Reduzir o deslocamento de pessoal especializado para campo para montagem do painel e resolução de problemas; Evitar a compra de material imprevisto fora do domicílio da empresa, muitas vezes inconveniente em função das distâncias envolvidas do local de instalação até o revendedor mais próximo, da dificuldade de deslocamento, e a própria dificuldade de se identificar o revendedor, visto que o material procurado em geral é de uso específico. Adotando-se estas medidas, reduziu-se também o custo de implantação, com a redução de deslocamento e permanência de pessoal em campo, e a possibilidade de realizar uma melhor pesquisa de preço entre diversos fornecedores. Ao pessoal em campo restou a instalação do quadro e a sua interligação com os diversos componentes do sistema de automação, como os sensores de nível, válvulas eletropneumáticas, bombas e compressores, através de uma régua de bornes identificada. Prevendo a instalação de um sistema de telemetria via celular para monitoramento remoto e medição de vazão, foi instalado também um cabo de comando de 25 vias do quadro à parte superior da ETE. A escolha pelo cabo de comando ocorreu em função de sua compacidade em relação a condutores singelos e sua fácil identificação (os cabos são identificados um a um), o que agilizou sua instalação e agilizará a implantação do sistema microprocessado. A montagem do sistema pneumático é uma etapa da implantação do sistema de automação em que ainda há melhorias a serem feitas. Nesta etapa, toda montagem foi feita em campo, desde a instalação dos cilindros na estrutura até as conexões elétricas e pneumáticas. A instalação dos cilindros à estrutura e a fixação da própria estrutura ao solo requer uma série

6 de ajustes em função da instalação da flauta, o que limita sua montagem na empresa. Idealizou-se uma estrutura de suporte dos cilindros que permita realizar estes ajustes em campo com maior agilidade, porém sua complexidade e custo ainda o tornam inviável. RESULTADOS OBTIDOS/ESPERADOS A experiência obtida na implementação do sistema de automa ção apontou algumas medidas a serem tomadas, objetivando agilidade e redução de problemas em campo durante a implantação do sistema de automação: Integração do quadro de comando do compressor da aeração ao quadro principal; Integração do sistema microprocessado para telemetria ao quadro principal. Assim, não haverá a necessidade de se instalar um cabo de comando de 25 vias entre o quadro principal e o sistema microprocessado, além do que será um equipamento a menos a ser conectado em campo, visto que o sistema microprocessado poderá sair instalado no quadro da empresa; em substituição ao cabo de 25 vias, será instalado um cabo de 4 vias, para alimentação e retorno do medidor de vazão, quando houver; Construção da estrutura de suporte do quadro principal integrada à estrutura de suporte dos cilindros pneumáticos. Desta forma, a instalação das válvulas eletro-pneumáticas à estrutura de suporte dos cilindros e suas respectivas ligações elétricas poderão ser feitas ainda na empresa, bem como as ligações dos sensores de posição dos cilindros pneumáticos, deixando apenas sua fixação ao cilindro pneumático para execução em campo; A expectativa é de que as ETEs e, conseqüentemente, o sistema de automação, sejam cada vez mais padronizados, e que, com isso, os projetos e listas de materiais também sejam padronizadas. A elaboração de testes mais completos e complexos tende a eliminar problemas em campo. Espera-se que, num futuro próximo, o tempo de implementação do sistema de automação de uma ETE, do zero ao start-up seja de, no máximo, trinta dias corridos. Para os custos do sistema de automação, definiu-se como meta que os mesmos deveriam ser inferiores a 10% do custo da ETE sem automação, para ETEs com a mesma forma de operação e equipamentos daquela aqui considerada. Este limite deveria ainda ser estendido para ETEs para até habitantes. Para o caso da ETE aqui considerada, com vazão média de 4l/s, atendendo uma população de 2500 habitantes (per capita de 150l/hab.dia), seu custo é de R$ ,00. O custo do sistema de automação foi de R$19.200,00, dentro, portanto, do limite fixado. Este custo é igualmente distribuído entre material (50%) e serviços+royalties (50%). Estima-se que o limite especificado na proporção de custo possa ser mantido para ETEs que atendam até 1000 habitantes, a um custo aproximado de R$ ,00. Obviamente, para ETEs maiores, este custo fica ainda mais diluído no custo final da mesma.

7 CONCLUSÕES Este trabalho apresentou resultados recentes que demonstram a viabilidade da automação de ETEs tipo UASB+BF compactas visando a garantia da qualidade de sua operação. A redução nos custos pode ser atribuída à escolha criteriosa dos equipamentos utilizados e a uma forte interação entre as equipes que realizaram a automação e que construíram a ETE, reduzindo custos com serviços e mão de obra especializada. O sistema já está pronto para receber um sistema de telemetria via celular já desenvolvido e que permite o acesso remoto a dados do processo. Os próximos avanços desejados relacionam-se à redução dos custos de operação através de estratégias para otimizar o uso da aeração nos biofiltros aerados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MUNARO, C. J., BASTOS, L. P.. Sistema de automação de baixo custo para estações compactas de tratamento de esgoto sanitário, 21º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Anais. João Pessoa, 2001.