SISTEMA EMBARCADO PARA SUPERVISÃO E GERENCIAMENTO OPERACIONAL DE COMPANHIAS DE SANEAMENTO UTILIZANDO MICROCONTROLADORES, GPRS E JAVA

Transcrição

1 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA SISTEMA EMBARCADO PARA SUPERVISÃO E GERENCIAMENTO OPERACIONAL DE COMPANHIAS DE SANEAMENTO UTILIZANDO MICROCONTROLADORES, GPRS E JAVA MÁRCIO F. J. COSTA, FERNANDO H. S. SANTOS, ROGER R. DA SILVA Instituto de Estudos Superior da Amazônia - IESAM Av. José Malcher, 1148, CEP: Bairro: Nazaré - Belém Pará - Brasil s: marciojansen@gmail.com, stabnow@gmail.com, rogerdasilva@gmail.com Abstract This study aimed to develop a data supervisory and management system to operational control of a sanitation company. The system consists of an embedded system with a microcontroller that digitalizes the signals from measurement instruments of flow, pressure and level, which are converted and processed in order to provide the state of the water distribution processes. Furthermore, the data are sent over a modem with GPRS technology which transmits to a supervisory system located in an operation center, where an operator visualizes the whole process in real-time so that operational decisions can be made prudently and quickly. This supervisory system was developed in Java with a relational database built-in, which allows for a history of measurements. Keywords Sanitation Company, Embedded System, Remote Communication, Supervisory System. Resumo Este trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema de supervisão e gerenciamento de dados para o controle operacional de uma Companhia de Saneamento. O sistema é composto por um sistema embarcado com um microcontrolador responsável em digitalizar sinais provenientes de instrumentos de medição de vazão, pressão e nível, os quais são convertidos e processados a fim de disponibilizar o estado dos processos de distribuição de água. Além disso, os dados são enviados por um modem com tecnologia GPRS que transmite a um sistema supervisório localizado em um centro de operação, onde um operador visualiza todo o processo em tempo real para que possam ser tomadas as decisões operacionais de forma prudente e rápida. Este sistema supervisório foi desenvolvido em Java com um banco de dados relacional incorporado, o qual permite que haja um histórico das medições. Palavras-chave Companhia de Saneamento, Sistema Embarcado, Comunicação Remota, Sistema supervisório. 1 Introdução As empresas de saneamento enfrentam uma grande dificuldade para monitorar e consequentemente gerenciar sua distribuição de água partindo da estação de tratamento para os diversos setores de abastecimento que fornecerão o produto até o consumidor final. Tais dificuldades são decorrentes da ausência de ferramentas de controle confiáveis para analisar o processo operacional. Esse gerenciamento é necessário tendo em vista o desperdício gerado pela falta de um controle operacional do fornecimento hidráulico (Gomes, 2009), além da falta de informação imediata quando ocorre falha no abastecimento por qualquer motivo que seja, provocando a demora na detecção e correção do problema, bem como a insatisfação do consumidor. No Brasil, são comuns sistemas de distribuição de água para abastecimento com elevados índices de perdas, nos quais parcela significativa das denominadas perdas físicas é devida ás perdas por vazamento. Dessa maneira, o controle efetivo das perdas por vazamento e do comportamento do sistema, sob as mais diversas condições operacionais, é de fundamental importância, não só do ponto de vista financeiro, no que diz respeito ao desperdício da água bombeada e quimicamente tratada, mas principalmente da preservação deste recurso natural. (Soares, 2003). Atualmente, para verificação desses desequilíbrios são efetuadas medições nas estações de tratamento, nas estações de água tratada e nas redes de distribuição de água, obtendo-se dados de vazão, pressão e nível de determinados pontos do sistema, os quais são todos coletados localmente. Os dados dessas medições são usualmente armazenados em equipamentos eletrônicos com a necessidade de intervenção humana para realização de coleta e verificação de seu funcionamento. Esta tarefa é realizada em intervalos de tempo que não permitem uma garantia efetiva da confiabilidade desses dados, exatamente pela falta de um monitoramento eficiente. Hoje, no mercado, encontram-se muitas soluções para aplicar em indústrias que necessitam supervisionar seus processos. Porém, a escolha deste produto, necessita de características especiais como tipo de transmissão, devido ao tamanho da planta, interoperabilidade com a macromedição do sistema e principalmente com um custo acessível à empresa. As empresas de saneamento sempre tiveram dificuldade para investir em seu quadro operacional e tecnologias de controle. Principalmente pela falta de recursos próprios devido aos seus frequentes problemas de faturamento. Durante duas décadas a agenda do saneamento básico no Brasil ficou parada, não houve praticamente nenhum investimento significativo nos anos 80 e 90, o que acarretou um enorme déficit em praticamente todas as cidades brasileiras. (Carlos, 2012). Com este sistema proposto é possível monitorar o comportamento hidráulico de toda a rede desde a produção, nas estações de tratamento, até a distribuição feita nas estações de água tratada. Com isso, é 2692

2 possível controlar o equilíbrio hidráulico necessário para uma correta distribuição de todo o processo operacional. O principal objetivo do sistema é possibilitar que o operador visualize todo o processo de forma dinâmica e em tempo real para que ele tome as decisões operacionais mais prudentes e rápidas. O processo inicia-se na captura de informações de sensores, localizados na área de macromedição, através de um microcontrolador integrado em um circuito impresso. Este dispositivo envia esses dados, por modem através de General Packet Radio Service (GPRS), para um software localizado em uma central de operação, conforme ilustrado na Figura 1. Todo o processo de coleta desses dados é feito através de instrumentos de medição permanente, que são chamados de macromedidores. A Figura 2 ilustra os pontos de medição. Tem-se como exemplos de macromedidores de vazão o ultrassônico, que tem como finalidade detectar a velocidade média da água através de ondas sonoras que cortam transversalmente o tubo. Com a obtenção desta informação e com o conhecimento da área da circunferência do tubo, o medidor pode disponibilizar o valor instantâneo da vazão do fluido. Figura 1. Estrutura do Sistema de Supervisão O software desenvolvido possui recursos de monitoramento em tempo real, e de uma forma amigável ao operador, demonstra o funcionamento de toda a planta do sistema, com uma visão geral ou individual de cada setor específico, disparando alarmes através de lógicas de controle. Além dos dados em tempo real, o operador pode analisar todas as informações recebidas anteriormente através de uma conexão com um banco de dados, visualizando pelo meio de tabelas e gráficos de tendências. Com a supervisão operacional, as empresas podem diminuir a falta de abastecimento em determinado setor, gerado pelo mau equilíbrio de sua distribuição, além de quantificar sua produção, monitorar a operação e realizar ações de controle. Figura 2. Pontos de medição Na medição de nível são utilizadas sondas hidrostáticas que podem ser mergulhadas em reservatórios de água. Para medição de pressão, os mais usados são os transdutores de pressão, com princípio capacitivo, piezoresistivo e piezoelétrico, que são instalados em adutoras e sub-adutoras para análise da pressão absoluta de distribuição do sistema. A Figura 3 ilustra um exemplo de um medidor de nível. 2 Macromedição Segundo Frangipani (Frangipani, 2007), a macromedição é todo o processo inerente à medição e estimação dos parâmetros operacionais hidráulicos de sistemas de abastecimento, com ênfase na distribuição de água com medições de vazão, nível e pressão. A macromedição é fundamental dentro das empresas de saneamento, pois é ela a responsável pela quantificação do volume de água produzido e fornecido pela companhia, bem como fornecer dados de nível de reservatórios e as pressões nos dutos. Estes dados são muito importantes para o controle das estações, evitando o desperdício de água e de energia elétrica por extravasamento dos reservatórios, rompimentos nas redes de distribuição, ou ainda por um baixo rendimento de um motor. Figura 3. Medidor de Nível Para a escolha do macromedidor, é necessário um estudo prévio do local de medição, com o intuito de conhecer todos os aspectos físicos do ponto, como a qualidade da água, velocidade do fluxo, tamanho, material da tubulação e outros. Estes cuidados são importantes não só para alcançar uma medição confiável, como também garantir a vida útil do equipamento. 2693

3 Outro ponto importante na escolha do equipamento é a interface de comunicação externa. Através dela, os dados que foram medidos são disponibilizados para o sistema embarcado. O mercado disponibiliza vários tipos de comunicação, onde neste projeto utilizou-se instrumentos com saída 4 a 20 ma. 3 Sistema Embarcado O uso de sistemas embarcados tem como principal objetivo a otimização do projeto, minimizando custo, tamanho e utilizando uma tecnologia hoje disponível no mercado que está em grande crescimento comercial. Segundo Morimoto (Morimoto, 2007), o uso de sistemas embarcados tem como principal vantagem o baixo consumo de energia, o custo incrivelmente barato e seu processamento possui tarefas dedicadas, diferente de computadores de propósito geral, alcançando sua funcionalidade sem travamentos e panes. Para a integração do sistema embarcado ao sistema de macromedição, utilizou-se de um microcontrolador com entradas analógicas e digitais e porta serial. Além disso, foi confeccionada uma placa de circuito impresso com reguladores de tensão, resistores para o condicionamento dos sinais, filtros, liquid crystal display (LCD) e diversos componentes eletrônicos necessários ao funcionamento do sistema. A placa confeccionada está presente na Figura Microcontrolador Figura 4. Sistema Embarcado O microcontrolador utilizado é o PIC18F452 fabricado pela Microchip, que oferece todos os periféricos necessários para o funcionamento do sistema, como Analogic-Digital Converter (ADC), porta serial, entre outros, com um custo razoavelmente barato. O microcontrolador está em uma placa que fora confeccionada para a integração de diversos componentes que o sistema necessita. A Figura 5 ilustra com mais detalhes a placa. A linguagem escolhida para fazer o firmware utilizado juntamente com o microcontrolador é o C, devido a sua facilidade na programação. A eficiência e a portabilidade também são características positivas da linguagem (Pereira, 2007). Os sensores utilizados fazem uso de saída à corrente (4 a 20 ma). Essa corrente de saída é convertida em tensão através de resistências e ligada à entrada do ADC. Após o microcontrolador converter essa tensão para o domínio digital, esses dados são tratados de acordo com a curva pré-configurada para aquele sensor em particular. Figura 5. Placa com microcontrolador Após processados os dados são exibidos localmente através de um LCD, onde são mostrados, de forma alternada. Os sensores são lidos em intervalos menores que 1 ms. Ligado ao microcontrolador está um modem GPRS através de uma interface serial (RS232). A comunicação entre o microcontrolador e o modem ocorre através de comandos AT, padrão de comunicação baseado numa série de comandos criados pela empresa Hayes (Arthur, 2007). O mesmo é responsável por prover a funcionalidade de telemetria requerida pelo projeto. 3.2 Telemetria Telemetria é uma tecnologia amplamente empregada em processos onde as distâncias ultrapassam dezenas, e até mesmo centenas de metros entre os componentes que necessitam de comunicação. Esta técnica vem sido buscada por muitas empresas que tem como foco o que é chamado de Automatic Meter Reading (AMR) (Rozas e Prado, 2002). Normalmente este recurso é usado em medições onde a instalação de cabos seria muito dispendiosa ou até mesmo inviável, e utiliza um sistema de rádio ou mesmo o sistema de telefonia celular Global System for Mobile Communications (GSM). A tecnologia GSM agrega ao sistema certas funcionalidades que a rede de telefonia celular oferece, como o envio de mensagens de texto e acesso à Internet. Neste trabalho empregou-se a telemetria de duas formas. A primeira forma ocorre quando qualquer 2694

4 linha celular realiza uma chamada para a linha celular utilizada pelo modem GPRS ligado ao sistema embarcado. O sistema então desliga a chamada e envia para a linha de origem da chamada uma mensagem de texto contendo os dados disponíveis. A segunda forma ocorre periodicamente num intervalo de tempo pré-determinado (6 minutos), onde os dados são enviados, através da Internet, utilizando um protocolo próprio, para um servidor dedicado, que fica ligado 24 horas por dia, localizado no datacenter da companhia. Na ocorrência de um congestionamento da rede GSM ou outro problema que inviabilize a comunicação, é sinalizado um erro no envio. Em caso de três erros consecutivos o modem é reiniciado forçando uma reentrada na rede. Com o intuito de visualizar de forma amigável e armazenar os dados recebidos no servidor, foi desenvolvido um sistema supervisório. 4 Sistema Supervisório Com os pontos de acesso instalados por toda a planta, coletando e transmitindo as informações imprescindíveis para o controle do sistema, é necessário a construção de uma ferramenta que possa gerenciar esses dados, centralizando e exibindo através de uma Interface Homem Máquina (IHM), para o operador do sistema. Chama-se esta interface de supervisório e sua principal função é a recepção, codificação, exibição e armazenamento dos dados. Com essas características alcançadas, podem ser criadas no sistema ferramentas para gerenciar estas informações com estatísticas, lógicas de controle e uma infinidade de recursos. A interface do sistema supervisório desenvolvido é mostrada na Figura 6. Dentro das principais características da linguagem Java, destaca-se duas que foram decisivas na sua escolha para esse projeto. A primeira é o fato de ser gratuita, isto é, ter em mãos uma linguagem poderosa sem gerar custos com licenças de desenvolvimento (Deitel, 2003). A segunda característica fundamental é a extensa biblioteca de rotinas que facilitam a cooperação com o protocolo Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP). Sendo esse protocolo quase que onipresente em redes, esta característica é importante, pois o sistema utiliza comunicação remota, que é baseada em redes (Internet). Para o desenvolvimento desse projeto foi utilizado o pacote Java.net, para construção de um servidor de dados utilizando socket. Esta aplicação abstrai o nível baixo da construção de um servidor, e fornece a interface de rede necessária para que a aplicação possa funcionar como um servidor TCP, bastando informar ao sistema a porta de comunicação para entrada e saída dos dados. Além da exibição dos dados para o operador, o sistema possui lógicas de controle, que monitora as conexões e os parâmetros pré configurados de todas as variáveis do sistema. Este controle permiti que alarmes sejam disparados para alertar o operador mediante a possíveis desequilíbrios em sua planta, como um extravasamentos de reservatório. Na Figura 7 um alarme é exibido através da mudança de cor no nome de um reservatório, indicado ao operador uma falha na conexão da rede GPRS. Figura 7. Visão parcial dos Setores no Supervisório Uma vez que os dados foram adquiridos pelo sistema, é necessário gravar para que sejam disponibilizados futuramente. Para alcançar isso, usou-se o banco de dados relacional MySQL, sendo um software livre com base na Licença Pública Geral (GPL). Graças a esse recurso o operador do sistema pode visualizar o histórico dos dados através de tabelas ou de gráficos de tendência. A Figura 8 apresenta um gráfico de tendência disponibilizado pelo sistema. Figura 6. Interface do Sistema Supervisório Esta interface foi desenvolvida em Java utilizando a plataforma NetBeans e integrado com o banco de dados MySQL. 2695

5 Data Tabela 1. Uso da Operadora A. Tentativas de Conexão Conexões Realizadas Eficiência % 30/03/ ,17 31/03/ ,92 01/04/ ,59 02/04/ ,59 03/04/ ,5 Tabela 2. Uso da Operadora B. Figura 8. Gráfico de Tendência 5 Resultados Obtidos O sistema foi implantado na Companhia de Saneamento do Pará para testes de confiabilidade e desempenho, desde agosto de Atualmente conta-se com 12 módulos instalados por toda a área metropolitana de Belém. O sistema mostrou ser capaz de manipular o volume de dados requisitado, tanto na geração (sensores e microcontrolador), como no recebimento e gravação no banco de dados (supervisório). A funcionalidade dos gráficos se mostrou muito útil para detectar, por exemplo, o histórico de operação dos conjuntos motor-bomba, a variação do consumo de água durante todos os turnos do dia e quando e quanto um reservatório extravasou. O numero de deslocamentos dos técnicos para vistoriar os instrumentos e os dados registrados localmente em cada setor, que antes era de pelo menos uma vez por semana, agora passou a ser uma vez ao mês para realizar manutenção preventiva nos instrumentos. A escolha da operadora que presta serviço de trafego de dados via GPRS é de fundamental importância para o processo, onde nos testes, algumas apresentaram maior confiabilidade do que outras, variando de acordo com cada ponto de transmissão. As tabelas 1 e 2 abaixo, apresentam a dinâmica de transmissão de dados referentes a duas operadoras de telefonia. A tabela 1 é referente a operadora A e os dados são referentes ao período de 30 de março de 2012 a 03 de abril de A tabela 2 é referente a operadora B do período de 05 de abril de 2012 a 08 de abril de Pode-se notar que a segunda operadora apresentou bons resultados, acima de 98%, validando a eficiência do sistema apresentado. Data Tentativas de Conexão Conexões Realizadas Eficiência % 05/04/ ,75 06/04/ ,17 07/04/ ,92 08/04/ ,58 Em certas áreas da cidade, mais próximo da periferia, eventualmente ocorre o congestionamento da rede GPRS, impedindo que os dados sejam transmitidos pela Internet do dispositivo para o servidor, gerando registros de erro. Porém, esses erros ocorrem em poucos lugares, em intervalos sucintos, não comprometendo o desempenho do sistema como um todo. De forma geral, o sistema se comportou bem e apresentou ótima escalabilidade, sendo limitado pela capacidade da rede GSM e pelo numero de conexões simultâneas, suportadas pelo servidor. O numero de estações que necessitam ser monitoradas em uma companhia, não alcançaria esses limites, bastando apenas a instalação de novos dispositivos e atualização do software supervisório, para expandir o sistema. 6 Conclusão Este projeto se mostrou de baixo custo, onde os componentes mais onerosos são os sensores, que em sua maioria já fazem parte do corpo de equipamentos das empresas. Ao passar a usar o sistema a empresa diminui os gastos, principalmente, com transporte e telefonia que antes eram suas únicas ferramentas de controle. As manobras ainda continuam, porém o operador só precisa se deslocar para operar o sistema caso os pontos monitorados necessitem de alguma intervenção humana. Com o projeto, o profissional da área de saneamento, detém o total controle de supervisão operacional. Sua arquitetura possui expansão para inclusão de lógicas 2696

6 computacionais e telecomandos para que o sistema possa alcançar um nível de controle automatizado. Consequentemente, benefícios sócio-econômicos e ambientais serão obtidos, afinal a água esta cada vez mais cara, na sua captação e tratamento (Lamon, 2005). A diminuição do desperdício de água tratada, leva à contenção de energia elétrica e produtos químicos que são usados no tratamento. Essa economia tem impacto direto tanto para as empresas de saneamento como para a população em geral e o meio ambiente. Agradecimentos Agradecemos a Companhia de Saneamento do Pará pela oportunidade de fazermos parte de seu quadro funcional. Agradecemos ao Engº Haroldo Ramos Martins, Engº Ronald Kelley, Engº Marco Antonio Paradella e ao Sr. Antonio Rodrigues da Silva Braga, presidente da Companhia de Saneamento do Pará, pela oportunidade que nos foi concedida, onde investiram confiança, responsabilidades e recursos para a implantação deste projeto em sua área operacional. Agradecemos a todos os nossos parceiros que não só forneceram os componentes necessários para o desenvolvimento deste projeto, como também sempre estiveram à disposição para compartilhar suas experiências. Pereira, F. (2007). Microcontroladores PIC: Programação em C. Érica, 7ª ed., São Paulo - SP. Soares, Alexandre Kepler (2003). Calibração de Modelos de Redes de Distribuição de Água para Abastecimento Conciderando Vazamentos e Demandas Dirigidas pela Pressão. São Paulo:Universidade de São Paulo, 178 p. Rozas, N.; Prado, R. T. A. (2002). Implatação de Sistemas de Leitura Automática de Medidores de Insumos Prediais. São Paulo-Sp. Referências Bibliográficas Arthur, R.; Figueiredo, R. (2007). Nascimento, L. H. B. Projeto de um controlador de alarme de carro Via SMS. Carlos, É. (2012). Saneamento: Duas décadas de atraso. Trata Brasil: Saneamento é Saúde. [Acesso em: 22 de fevereiro de 2012]; Disponínel em: =122. Deitel, H. M. (2003). Java, Como Programar. Tradução de Carlos Arthur Lang Lisbôa. Bookman, 4. ed., Porto Alegre - RS. Frangipani, M. (2007). Técnicas de operação em sistemas de abastecimento de água: Macromedição. Ministério das Cidades, SNSA, Brasília - DF. Gomes, H. P. (2009). Eficiência Hidráulica e Energética em Saneamento: Análise Econômica de Projetos. Editora Universitária/UFPB, 2ª ed., João Pessoa - PB. Lamon, G. P. S. (2005). Pitometria e Macromedição nas Empresas de Saneamento. Unigraf, 1ª ed., Belo Horizonte - MG. Morimoto, C. E. (2007). Entendendo os Sistemas Embarcados. Hardware.com.br [Acesso em: 09 de março de 2012]; Disponível em: 2697