SETIS- III Seminário de Tecnologia Inovação e Sustentabilidade 4 e 5 de novembro de 2014.

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1 Sistema Inteligente de Gestão de Água Predial Vinicius Ulbricht Vignes Manoel Kolling Dutra Romulo Lira Milhomem Ronaldo Carlos Rohloff Resumo: Diversas áreas de conhecimento discutem o modelo tradicional de desenvolvimento econômico e os impactos sobre a vida no planeta. Atualmente, as pessoas vivem em grandes centros urbanos com dificuldades de logística e disponibilização de serviços básicos, como a água, por exemplo. Neste contexto, as inserções de novas tecnologias e as implementações de um sistema inteligente que consiga gerenciar a água disponível em prédios ganham importância na aplicação. Este sistema tem por função prever a falta d água em um reservatório e reservar uma quantidade mínima para cada usuário, distribuindo o volume restante de água de forma mais igualitária. Através desse sistema, cada consumidor será notificado de uma possível falta d água ou de que a quantidade de água consumida está sendo superior à entrada, sendo reservada uma determinada quantidade para cada usuário. Quando o abastecimento for completamente restaurado, os usuários podem voltar a usufruir da água em consumo normal. Considerando o exposto, este trabalho propõe um sistema para controle de reservatórios de água potável para prédios residenciais e comerciais, que gerencia as bombas de elevação e registra o estado do reservatório ao longo do tempo, permitindo o uso mais eficiente, tanto de água como de energia elétrica. Os resultados apontam a eficiência do sistema e a aprovação do prédio em que o sistema foi comissionado para validação. O êxito da pesquisa demonstra que o projeto pode ser um produto customizável, ou seja, cada usuário terá um sistema diferente conforme suas necessidades. Palavras-chave: Sustentabilidade. Automação Industrial. Gestão de Água. 1 Introdução Com o crescimento demográfico, os agrupamentos urbanos tornaram-se mais densos e com atividades que exigem, a cada dia, maior quantidade de água. Da crescente consciência sobre o caráter esgotável dos recursos hídricos infere-se a necessidade de gestão eficiente e efetiva destes bens, o que se já era evidente torna-se, nos dias atuais, imperativo (FONSECA, 2009). Ao longo de várias décadas, o perfil de consumo se alterou. O consumo passou a orientar-se por mercados cada vez mais segmentados, e os produtos se tornaram cada vez mais customizados, de acordo com os distintos perfis de clientes (MAESTRELLI, 2014). 319

2 Muitas são as razões para as deficiências encontradas no controle do abastecimento hídrico urbano no Brasil. Muitas destas razões, no entanto, encontram convergência em um motivo comum, sendo a falta de planejamento na implantação e na expansão das redes e dos sistemas de controle de abastecimento de água (FONSECA, 2009). A distribuição desigual e a escassez dos recursos hídricos são as principais causas dos problemas de abastecimento. Um dos impactos de efeito direto à população nos centros urbanos é o nível de água nos reservatórios, os quais acarretam consequências ao consumidor, tais como falta de abastecimento de água constantemente ou causando revezamento da distribuição do fluido, sendo esta uma medida adotada pelas empresas concessionárias sob alegação de padronizar a distribuição da água à comunidade, quando os níveis acumulados nos reservatórios são baixos (VIGNES, 2013). Para restabelecer o equilíbrio entre oferta e demanda de água e garantir a sustentabilidade do desenvolvimento econômico e social, é necessário que métodos e sistemas alternativos modernos sejam convenientemente desenvolvidos e aplicados em função de características de sistemas e centros de produção específicos. Nesse sentido, o reuso, reciclagem, gestão da demanda, redução de perdas e minimização da geração de efluentes se constitui em associação às práticas conservacionistas, nas palavras-chave mais importantes em termos de gestão de recursos hídricos e de redução da poluição (POSSA, 2010). Diante disso, a automação torna-se uma grande aliada, pois, por meio da tecnologia, os sistemas de controle e distribuição dos recursos hídricos podem ser padronizados e dividir os recursos de forma igualitária entre os consumidores. Desta forma, este trabalho tem por objetivo propor um sistema que tem por função monitorar a falta d água em um reservatório e reservar uma quantidade mínima para cada usuário, de acordo com o histórico de consumo de cada unidade consumidora. 2 Revisão de literatura Com o crescimento populacional cada vez mais se investe em estudos e desenvolvimento de novas tecnologias para ações que sejam em prol da preservação e uso racional dos recursos hídricos. Através da conscientização de que os nossos 320

3 recursos hídricos estão se esgotando, surge a necessidade de uma melhor gestão de maneira a reduzir ao máximo o desperdício e utilizar as novas tecnologias para aumentar o reaproveitamento (VIGNES, 2009). Segundo Fonseca (2009), [...] a automação dos procedimentos de coleta de dados sobre o uso de recursos hídricos pode contribuir significativamente para seu melhor aproveitamento, pois possibilita seu acompanhamento e controle. A automatização dos sistemas de gestão de água predial tem por objetivo monitorar e controlar as demandas de consumo dos recursos hídricos daquele meio para que seu uso seja o mais racional possível. Uma importante ferramenta da automação industrial aplicável neste contexto é o sistema supervisório. Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, ou abreviadamente SCADA, são sistemas que utilizam software para monitorar e supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados através de controladores (drivers) específicos. Estes sistemas podem assumir topologia mono-posto, cliente-servidor ou múltiplos servidores-clientes. Atualmente, tendem a libertar-se de protocolos de comunicação proprietários, como os dispositivos CLP's, módulos de entradas/saídas remotas, controladores programáveis, registradores, dentre outros, para arquiteturas cliente-servidor. O Elipse Studio E3 é um sistema supervisório que contem uma interface capaz de ler facilmente informações do CLP e tem o objetivo de converter os dados de um devido processo em gráficos ou telas, facilitando o entendimento e atuação de quem opera o processo. Neste servidor de aplicações, os principais processos são executados, incluindo a comunicação em tempo real com os equipamentos do controle. Ele também fica responsável por enviar procedimentos e telas aos clientes que estão conectados com o servidor via Intranet ou Internet (ELIPSE E3, 2013). 3 Metodologia O sistema proposto é composto conforme apresentado na Figura

4 Figura 1. Sistema experimental proposto. Fonte: Os autores (2014). Na figura 1 nota-se a sequência do processo de distribuição de água, oriunda da concessionária até a utilização por parte do consumidor final. Depois da caixa d água é feita a distribuição entre os consumidores. A lógica da distribuição entre os consumidores é reservar uma quantidade mínima para cada usuário, com base em dados coletados no histórico de consumo. Para tanto, foi empregado um Controlador Lógico Programável a fim de controlar o funcionamento do sistema, cuja lógica de programação foi baseado no esquema descrito na Figura

5 Figura 2. Lógico do CLP. Fonte: Os autores (2014). Foi empregado um controlador lógico programável, da marca Siemens e denominado CLP S Sua escolha foi definida devido a seu hardware, que contém oito entradas e cinco saídas digitais. Quatro dessas entradas são rápidas, de 30 khz, que possuem como função ler pulsos digitais de alta velocidade. Estes pulsos, no caso do medidor de vazão, significa quantidade de litros, ou seja, cada pulso equivale a 1 litro. 323

6 O CLP supracitado também é dotado de 256 memórias digitais, contadores e temporizadores, sendo que alguns deles foram utilizados na programação. Este sistema consiste de uma CLP S7-200 que fará a leitura do hidrômetro, que tem uma saída de pulso digital. Baseando-se nesses pulsos, é possível saber a quantidade de água que foi usada. Para efetuar a leitura no sistema supervisório, foi acoplada ao CLP uma placa de expansão Ethernet, que faz a comunicação da CPU do CLP com o sistema supervisório. O sistema supervisório utilizado foi o Elipse Studio E3. Foi criada uma aplicação animada, na qual os motores trocam de cor conforme seu estado de funcionamento, onde o azul representa o estado em espera, a cor verde representa em funcionamento e a cor vermelha representa problemas no motor, que podem ser oriundas do sistema de fluxo, pois, se o comando de acionamento da bomba for ativado e não houver fluxo de água, isto representa erro no sistema, e assim surge o motor em coloração vermelha na simulação do sistema supervisório. Também há opção de alterar o sistema de controle automático, cuja qual é empregado a lógica do CLP, para o sistema de controle manual, onde o acionamento das bombas pode ser realizado pelo operador através do sistema supervisório. Esta opção de controle manual de funcionamento se deve há situações em que há necessidade de realização de serviços de manutenção no sistema de bombeamento. O sistema supervisório também engloba a representação do modo de controle, se automático ou manual, e opções de acionamento de alarmes quando houver algum erro no sistema. Para saber a vazão gerada pelas bombas, foi utilizado um hidrômetro modelo IM-T, com capacidade máxima de vazão de 20 m³/h, junto a um gerador de pulso HRI. Os geradores de pulso, também conhecidos como sensores são uma das partes mais importantes de um sistema de medição individualizada, pois são responsáveis pela conversão da indicação mecânica do consumo de um medidor de água ou gás, por exemplo, em um sinal elétrico pulsado. O leitor HRI instalado sobre o hidrômetro gera pulsos conforme seu sistema mecânico gira, devido a corrente de água que passa dentro dele. Esse leitor pode ter vários tipos de saídas, que podem variar de 1 até 1000 pulsos por litro. 324

7 O leitor utilizado tem uma saída de 5 a 24 Vcc e, sendo assim, quaisquer equipamentos externos que operem nesta mesma faixa de tensão e dentro da frequência de saída do sensor, terá número de pulsos relativos à vazão instantânea da bomba. A metodologia estudada foi aplicada em um estudo de caso, junto ao sistema de distribuição de água dentro de uma instituição de ensino, através de um protótipo de desenvolvimento da metodologia. As principais funções desta são: a) Controlar o nível da caixa d água e da cisterna, sendo que sempre que houver água na cisterna, esta deverá abastecer a caixa d água até na medida em que for necessário para mantê-la cheia; b) Funções de modo, automático ou manual. Sendo automáticas, todas as funções são realizadas pelo CLP e no modo manual os comandos são realizados via supervisório ou através de botões; c) Monitorar o funcionamento do sistema de bombeamento. 4 Resultados e discussões O sistema proposto visa monitorar a falta de água em um reservatório e reservar uma quantidade mínima de água para cada usuário de acordo com o histórico de consumo de cada unidade consumidora. Para isto, o sistema pode funcionar de três maneiras para cumprir suas funções. Através do monitoramento de consumo da unidade consumidora. Em uma unidade consumidora em que se tenha uma cisterna de 70 mil litros e uma caixa de água com capacidade de 10 mil litros. E que cada vez que a bomba liga, ela eleva em 1000 litros o volume da caixa d água. Em um dia normal, a bomba é acionada 9 vezes, 3 de manhã, 3 de tarde e 3 de noite. Através destes dados é possível se ter o consumo médio desta unidade consumidora, caso o consumo ultrapasse esta média, o sistema avisa que está ocorrendo um consumo acima da média. Ainda neste exemplo a bóia da cisterna tem uma histerese (defasagem entre o valor medido e o valor estipulado para medir) de 2 mil litros, caso ocorra 2 abastecimentos e não entre água nenhuma, o sistema avisa o erro como mostrado na figura 5 e o responsável fará a tomada de decisão se as bombas continuarão a funcionar ou se eles vão poupar água para algum momento específico. Desta maneira, em locais onde haja a existência de serviços essenciais, como serviços de saúde, o sistema detecta através do monitoramento do consumo que a demanda de água esta mais alta que o normal, para prevenir uma possível falta de água o sistema pode priorizar os serviços essenciais, em 325

8 uma empresa onde há, por exemplo, um restaurante. O sistema pode trancar o abastecimento de água para o resto do prédio, deixar somente o restaurante consumindo, assim, garantirá as refeições, como o almoço. Em outro exemplo: Um prédio que possua um laboratório de análise clínica onde a água é vital para o funcionamento do laboratório, caso tenha uma baixa entrada de água, o sistema pode cortar o abastecimento do resto do prédio, direcionando toda água para o laboratório. Outra maneira de funcionamento do sistema é feita com um hidrômetro de entrada (Concessionária de água), um hidrômetro na saída da cisterna. E uma bóia na caixa d água com variação de 1000 litros. O sistema fará a leitura da entrada e saída da cisterna, controlando a média do consumo e a quantidade armazenada. Terceiro modo de funcionamento, o sistema fará somente a media de consumo avisando consumos excessivos. Na Figura 3 é apresentado o sistema supervisório desenvolvido com as bombas em estado de espera, sendo representadas pela cor azul. Nota-se também que neste caso, a cisterna esta vazia e a caixa d água esta cheia, além de as bombas estarem desligadas. Figura 3. Sistema de bombeamento em estado de espera. Fonte: Os autores (2014). Quando realizado o acionamento da bomba, a representação pelo sistema supervisório sofre alteração, sendo a cor azul substituída pela cor verde na carcaça da bomba, conforme apresentado na Figura

9 O sistema tem varias aplicações, estas devem variar conforme a necessidade do ambiente aonde é aplicada, porém a intenção é a mesma, monitorar o consumo para definir a prioridade de abastecimento através do acionamento das bombas. Assim, permitindo que áreas ou serviços essências permaneçam com seus abastecimentos de água mantidos. Outra funcionalidade que o sistema pode ter é fazer o revezamento de utilização das bombas. Geralmente, em um prédio o sistema é composto por duas bombas e no sistema tradicional somente uma bomba funciona e a outra fica em stand by. Quando a bomba principal para por motivo de manutenção preventiva ou corretiva, a segunda bomba já se encontra danificada por causa do período excessivo que ficou parada. No sistema proposto, existe a funcionalidade de revezamento das bombas, que evita a falha de peças da bomba por falta de uso. Figura 4. Sistema de bombeamento com uma bomba acionada. Fonte: Os autores (2014). Nota-se também que a bomba 1 foi acionada e tanto a cisterna, quanto a caixa d água estão cheias, sendo representadas pela cor verde na caixa de texto localizada na parte inferior da Figura 4. Na Figura 5 nota-se que a bomba 2 encontra-se indicada na coloração vermelha no sistema supervisório, o que indica a presença de algum erro. Neste caso tanto a caixa d água quanto a cisterna estavam cheias, ocasionando o erro ao acionar a bomba em destaque. 327

10 Figura 5. Sistema de bombeamento com erro. Fonte: Os autores (2014). Nesta figura é possível observar também alguns parâmetros como vazão lida pelo hidrômetro e volume na caixa d água. O quadro em preto mostra a vazão lida pelo hidrômetro que naquele momento apresentava uma leitura de 1421 metros cúbicos. Este volume de vazão serve para monitorar a média de consumo da unidade consumidora. Já o quadro vermelho apresenta o volume na caixa d água que apresentava 426 litros. Este volume indica a necessidade, conforme consumo, de racionamento ou não de água. Já os quadros em verde apresentam os estados das bombas entre ligada e desligada, devido à função do sistema de revezamento do uso das bombas bem como os estados da cisterna e caixa d água. 5 Conclusão Através do sistema supervisório desenvolvido nota-se a eficácia do projeto para o monitoramento do sistema de bombeamento. Em caso de erro no sistema de bombeamento, será fácil identificar a presença deste e, assim, a possibilidade imediata de acionar a equipe de manutenção para efetuar o reparo. Desta forma, mantém o sistema de bombeamento em funcionamento, garantindo a continuidade do processo industrial englobado à satisfação do cliente final. Também se ressalta a possibilidade de gestão do sistema de bombeamento, podendo, facilmente, identificar quando as bombas estão em espera, quando em 328

11 funcionamento e quando em erro. Assim, o projeto realizado ganha em importância, visando à sustentabilidade, ou seja, a correta gestão da água e da energia elétrica que alimenta os equipamentos de automação industrial. Referências FONSECA, F. R. Modelo para automação de sistemas de abastecimento hídrico. Dissertação de Mestrado, SABESP, São Paulo, MAESTRELLI, N. Redução de tempos de preparação de máquinas (setup): um caso de aplicação. Manufatura em foco, n. 12, POSSA, M. L. O. A automação residencial para o reaproveitamento de água. Monografia de Graduação em Engenharia de Controle e Automação. Universidade Federal de Ouro Preto. Ouro Preto, VIGNES, V. U. Proposta de um sistema de gerenciamento de água buscando a sustentabilidade. Monografia de Graduação em Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial, SENAI SC, Florianópolis,

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