AUTOMAÇÃO DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA URBANA Carlos Augusto Duque
[email protected]
Sérgio Queiroz de Almeida
[email protected] Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia Campus Universitário Juiz de Fora – MG
Abstract The drinking water distribution systems are present in almost all of the inhabited areas. However, the methods used for control, monitoring and processing of information are in the most, old and obsolete. Those distribution systems can become more effective and cheaper, if control techniques and remote monitoring were used for supply, storage, and pampering the drinking water. The Supervisory, Control and Data Acquisition system (SCADA) and telemetric products, together with the Remote Terminal Units (RTUs), are appropriated for the creation of supervision and control headquarters for water distribution network. The implementation of these centers has as immediate consequences the reduction of the losses in the water distribution network, the interrupt time minimization of drinking water supply and a better system management, based on real time process variables information. This work presents the characteristics of a supervision and control system, which has a good costbenefit relationship. Moreover the project has a low operational and maintenance cost, as it will be presented in this work. These features make the proposed product very useful to be adapted in medium size cities, where the need for water distribution system automation is a fundamental exigency.
Resumo Os sistemas de distribuição de água tratada estão presentes em quase todas as áreas habitadas. Porém, os métodos utilizados de controle, monitoração e processamento de informação são, em sua maioria, antigos e obsoletos. Esses sistemas de distribuição podem se tornar operacionalmente mais efetivos e economicamente mais baratos, se forem utilizadas técnicas de controle e monitoração remotos para fornecimento, armazenamento, e bombeamento da água tratada. Os Sistemas de Supervisão, Controle e Aquisição de Dados (SCADA) e produtos de telemetria, juntamente com as Unidades Terminais Remotas (UTRs), são adequados para a criação de centrais de supervisão e controle da rede de distribuição de água. A implantação destes centros tem como conseqüências imediatas a redução das perdas na distribuição, a minimização do tempo de interrupção do fornecimento de água e um melhor gerenciamento das manobras do sistema, fundamentado nas informações em tempo real das variáveis do processo. Este trabalho apresenta as características de um sistema de supervisão e controle, cujo principal atrativo é a sua relação custo benefício. Além do baixo custo de implantação o projeto tem um baixo custo operacional e de manutenção, conforme será apresentado no trabalho. Estes fatores tornam o produto atrativo para as cidades de médio porte, onde a necessidade de automação do sistema de distribuição é emergente. Palavras chaves: telemetria, telecomando, automação, saneamento, supervisório, CLP.
1 INTRODUÇÃO Sabe-se que a maioria dos países passará nos próximos anos ou já passa por alguma dificuldade em relação ao fornecimento/abastecimento de água potável. Estudos, pesquisas, métodos ou técnicas que melhorem o aproveitamento da matéria prima, minimizem os desperdícios e centralizem as principais informações dos sistemas de abastecimento urbano são primordiais e ocupam lugar de destaque nos planos políticos mundiais. A automação da área de saneamento tem sido empregada
nas cidades de grande porte, com estes objetivos. Ela envolve, de um modo geral, a automação das estações de tratamento de água (ETA) e do sistema de distribuição de água. A automação da distribuição de água envolve atividades multidisciplinares, incluindo engenharia, gerenciamento, comercialização e administração. O modelo administrativo das gerências de distribuição de água contém departamentos para cuidar da construção de novas redes de distribuição (expansão), da operação do sistema, da sua manutenção e comercialização dentre outros. O departamento de operação reúne atividades de aquisição de dados (níveis de reservatório, vazão das redes de distribuição, estado das bombas, etc.) e de controle automático das elevatórias e válvulas reguladoras. O objetivo principal de todo o sistema de distribuição de água é manter, de modo permanente, o fornecimento de água à população, o que nem sempre é possível devido a diversos fatores, como rompimentos de tubulações de distribuição de água, falha dos operadores das elevatórias, falta de energia elétrica nas estações de bombeamento, entre outros. A automação do sistema tende a minimizar as interrupções do fornecimento de água e as perdas na rede, melhorando, deste modo, a qualidade dos serviços. Apesar dos benefícios obtidos pelos sistemas de automação, na supervisão e controle das redes de distribuição de água serem enormes, o seu custo tem inviabilizado a sua implantação em muitas cidades de médio porte. Muitas empresas oferecem pacotes fechados que incluem características muitas vezes não necessárias e que apenas elevam o custo final do projeto. Este trabalho apresenta as características de um sistema de supervisão, cujo principal atrativo é a sua relação custo benefício. Este sistema foi desenvolvido a partir de uma dissertação de mestrado do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora e foi implantado na companhia de abastecimento da cidade de Juiz de Fora-MG (CESAMA). O custo final do projeto teve uma redução de 2/3 em relação a propostas de implantação de “pacote fechado”. Além do baixo custo de implantação o projeto tem um baixo custo operacional e de manutenção, conforme será apresentado neste artigo. Estes fatores tornam o produto atrativo para as cidades de médio porte, onde a automação do sistema de distribuição já não é mais considerada um fator de luxo e sim um bem necessário. No item 2 são apresentadas as características dos sistemas de distribuição de cidades de médio porte, consideradas como público alvo. O item 3 apresenta as características básicas de um sistema de supervisão e controle, destacando a escolha da remota, o meio de transmissão mais adequado, assim como a escolha do software supervisório (SCADA). O item 4 aborda o sistema desenvolvido para a companhia de saneamento de Juiz de Fora como um caso exemplo. Finalmente o item 5 apresenta as conclusões deste trabalho.
2 CARACTERÍSTICA DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE CIDADES DE MÉDIO PORTE Como ponto inicial, considere os sistemas de produção e distribuição de água de uma cidade de médio porte como a cidade de Juiz de Fora (~450 mil habitantes). Tal cidade possui as seguintes características: produz cerca de 1715 litros/s de água potável, possui em média 55 reservatórios e 120 elevatórias/pressurização (Booster). A partir dos pontos de produção, a água potável é distribuída pela cidade através das adutoras principais e redes secundárias, passando por diversas estações elevatórias e reservatórios intermediários, até chegar ao consumidor final. A automação, para controle e supervisão, de um sistema de distribuição envolve os seguintes aspectos, principais: Medição de níveis dos reservatórios; Medição das vazões das redes de distribuição primárias (adutoras) e secundárias; Controle dos níveis dos reservatórios; Controle das vazões nas redes de distribuição; Centralização das informações num centro de operação. O processo de medição é importante não só para implementação das estratégias de controle, mas também para auxílio da operação e supervisão do sistema. Detendo as informações, em tempo real, das vazões e dos níveis, disponibilizados na central de operação, programa-se manobras na rede, detecta-se condições anormais de funcionamento do sistema e planeja-se a expansão do mesmo. De posse do histórico das informações é possível realizar o controle de perdas do sistema, com a comparação das micromedições (Hidrômetros) com as macromedições (medidores de vazão). Deste modo, a simples supervisão, é capaz de trazer enormes benefícios para a operação do sistema de distribuição. Em relação ao controle de um sistema de distribuição de água, destacam-se: o controle automático dos níveis dos reservatórios e o controle das vazões nas tubulações de distribuição. No primeiro caso o sistema deve agir sobre as bombas elevatórias ou válvulas reguladoras de vazão dependendo se o
reservatório destino está em uma altitude maior ou menor que o reservatório fonte. No segundo tipo de controle o principal objetivo é o controle indireto da pressão na tubulação, ou seja, através do controle da vazão pode-se controlar a pressão nos dutos. Uma rede com baixa pressurização prejudica a distribuição de água aos consumidores localizados em pontos de maior altitude e uma rede com alta pressurização pode romper as tubulações de distribuição o que acarreta, quase sempre, desabastecimento de água na região afetada.
3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E CONTROLE A supervisão e o controle de um sistema de distribuição apresenta algumas características particulares que podem ser exploradas para a redução dos custos de implantação. Alguns destes aspectos são apresentados a seguir. Tempo de varredura do sistema Uma pergunta importante a ser respondida é a respeito do tempo de varredura do sistema, ou seja, qual o tempo de atualização das informações na central de controle? Muitos sistemas têm sido implementados supondo-se a necessidade de um tempo de varredura, ou atualização, muito pequeno, menor que 5 minutos. Este requisito leva a escolha de links de comunicação permanente, como linhas telefônicas privadas e links de rádio modem, o que eleva o custo do projeto. É possível entretanto utilizar o conceito de interrupção para evitar os links de comunicação permanente. Na realidade o que é importante para a central é receber, em tempo real, as informações dos principais eventos do sistema, tais como: nível máximo e mínimo do reservatório, mudança do estado das elevatórias (como falta de energia, parada de bomba, etc.) e valores críticos para a vazão na rede de distribuição. Estes eventos podem ser sinalizados, em tempo real, se as estações remotas tiverem a capacidade de iniciar o processo de comunicação, gerando uma interrupção no software de controle da central. Isto pode ser conseguido empregando-se alguns CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) de baixo custo, disponíveis no mercado. Deste modo o tempo entre a ocorrência do evento e a sua sinalização para a central é igual ao tempo de conexão e troca de informação entre os modems do sistema, tipicamente menor que 40s. Simultaneidade da Comunicação Para atingir um determinado tempo de varredura para as estações remotas do sistema de distribuição, pode-se utilizar uma placa multiserial expandindo os canais seriais. Em cada canal conecta-se um modem configurado para a linha discada, podendo-se dividi-los em grupos de função como segue: Grupo 1 - varredura periódica; Grupo 2 - receber as interrupções das remotas (alarmes); Grupo 3 - varredura manual, comandada pelo operador do sistema; Grupo 4 - conexão dial-up para possíveis aplicações clientes; Grupo 5 - telecomando de válvulas reguladoras; Grupo 6 - expansão futura. O software SCADA permite que vários eventos sejam disparados ou atendidos “simultaneamente”. Por exemplo, no evento de varredura periódica do sistema os modems pertencentes ao grupo 1 são disparados simultaneamente, permitindo a varredura de todas as estações no tempo desejado, ao mesmo tempo em que o sistema fica disponível para atender eventos de alarmes. Verificação da Integridade da rede Para que o sistema possa identificar as estações que estejam fora de serviço, devido a algum problema no hardware remoto (modem, CLP, sensores, etc), a central deve realizar uma varredura periódica de todas as estações. O tempo de varredura deve ser suficiente para identificar possíveis erros no sistema e ao mesmo tempo atualizar as informações da tela do supervisório. Quando uma estação remota não responder à solicitação de comunicação feita pela central, um alarme deve sinalizar ao operador a situação de erro. Este acionará imediatamente a equipe de manutenção para resolver o problema. Geração de Histórico A geração de histórico é feita na central de operação, a partir do software SCADA. Se houver necessidade de armazenamento de dados num intervalo menor que o estabelecido pela varredura do sistema, pode-se empregar os CLPs remotos para criar um buffer de dados. Na aplicação desenvolvida para a CESAMA os CLPs armazenam informações a cada 15 minutos, maiores detalhes serão apresentados no item 4. Estação redundante Num sistema de distribuição de água a estação redundante não precisa ser do tipo “Hot backup”, uma vez que o tempo para retornar com o sistema não é crítico. A estação redundante deverá conter uma
cópia do aplicativo e o cartão da placa multiserial. Também ela deverá conter o arquivo da receita para o software SCADA, contendo a última atualização do sistema. Quando a estação principal apresentar algum problema, bastará ao operador realizar pequenas modificações físicas e rodar o aplicativo, que passará a gerenciar a rede. Esta troca não durará mais que 10 minutos. O sistema deve prever que se o alarme de uma estação remota não for atendido ele deverá gerar a mesma mensagem de alarme 5 minutos depois, até ser atendido pela central. Segurança da Rede O acesso à rede por elementos não autorizados é uma possibilidade quando se utiliza linha discada. É evidente que a aplicação deverá possuir senhas de acesso para aumentar o nível de segurança. Entretanto muitas operadoras de telefonia oferecem serviços muito apropriados à segurança do sistema, por exemplo a Telemar oferece o serviço RVI (Rede Virtual Integrada) que se comporta como um PABX digital. É possível programar o sistema de modo que apenas os usuários da rede tenham acesso a ela. Um telefone externo não consegue fazer acesso à rede de automação. O RVI da Telemar tem um outro benefício: ligações entre os elementos da rede não geram impulso. Assim, o único custo com o meio de comunicação é o aluguel do ponto, que é aproximadamente 10 vezes mais barato que o de uma linha privada. É possível que todas as empresas de telefonia tenham serviços semelhantes.
3.1 Remotas e Meio de Transmissão Unidade Terminal Remota Com o atual estágio de desenvolvimento das redes de campo, microcomputadores industriais e dos softwares aplicativos que emulam os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), tem-se a opção de configurar um sistema de controle aberto e flexível utilizando-se uma destas tecnologias. Este sistema conta com facilidades de comunicação com hierarquias superiores e disponibiliza uma Interface Homem Máquina (IHM) em computadores industriais. Dado o exposto, discute-se hoje a substituição dos sistemas baseados em CLPs por sistemas baseados em computadores industriais ou PCs que emulem tal função. A discussão baseia-se em alguns problemas que ainda não foram equacionados pelos idealizadores desta nova tecnologia em relação à solução já consolidada nos CLPs. Alguns dos problemas que preocupam àqueles que defendem um sistema de controle baseado em PCs giram em torno dos sistemas operacionais, que ainda não oferecem uma estabilidade e performance em tempo real requerida pela maioria das aplicações de controle. Os sistemas com interrupção não são projetados para as demandas determinísticas das aplicações de tempo real. Todavia, atualmente a automação e o controle das áreas envolvidas nos sistemas de distribuição e saneamento ainda é dominantemente executada pelos CLPs. Os CLPs são, na verdade, microcomputadores de finalidade específica dedicados ao controle de processos. Eles foram desenvolvidos para controle de sistemas com entradas e saídas binárias; entretanto, há no mercado CLPs que apresentam muitas outras funções com alta confiabilidade, como tratamento de sinais analógicos, modularidade, comunicação por meio de redes de campo ou rede telefônica (modem), interface para painéis de operação, flexibilidade de programação, controle contínuo multi-variável, controle de posição de alta precisão e interfaces homem-máquina (IHMs) para aplicações onde o operador interfere no processo via canal RS232 ou RS485. Pode-se dizer que os CLPs especializaram-se no tratamento de variáveis digitais, sendo muito eficientes no tratamento de variáveis discretas com poder e flexibilidade crescentes no tratamento de variáveis analógicas [2] . A aplicação atual dos CLPs, não se restringe apenas ao controle dos dispositivos do chão de fábrica, através da realização de funções de intertravamento digital, mas também executam a função de conectividade e aquisição de dados de todos os dispositivos, bem como funções de integração e concentração e envio dos dados para o nível corporativo/gerência da empresa. Meios de Transmissão Medição e comando à distância são utilizados quando a distância entre o controlador e o atuador (ou variável do processo) ultrapassa o limite físico permitido pelas redes locais (LANs), que é tipicamente de 1 km dependendo da taxa de transmissão empregada. Nos sistemas de abastecimento e saneamento são comuns distâncias maiores que 20 Km entre a CENTRAL DE SUPERVISÃO E CONTROLE e as UNIDADES TERMINAIS REMOTAS (UTRS). Nestes casos as tecnologias mais comuns para se estabelecer o ramo de comunicação entre a central e a estação são: • Via par metálico da linha telefônica; • Comunicação Wireless Via telefonia Celular;
Via rádio-freqüência; Via satélite. A tabela 1 resume as vantagens e limitações para as tecnologias apresentadas acima. Dentre os meios de transmissão apresentados, a utilização do par metálico (telefonia convencional) mostra as menores limitações, pois depende somente de uma conexão física (par metálico) entre os pontos de transmissão e recepção e de um modem em ambos os lados. Tabela 1 - Vantagens e limitações entre as opções de telemetria e telecomando Tecnologia
Princípio de operação
Vantagens
• • Telefonia Transmissão via par • Convencional metálico • •
Telefonia Celular
Rádio Freqüência
Transmissão via rede celular
Transmissão via ondas de rádio na faixa MHz-GHz
Infraestrutura instalada; Não requer licenciamento; Ampla cobertura.
• •
Tempo de resposta rápido; Não necessita de linha de transmissão; Pode ser instalada em áreas remotas; Custo por chamada menor do que o do sistema celular.
•
Transmissão de e para um satélite, usando tecnologia de RF
• • • •
•
Requer acesso a um meio físico (par metálico).
•
Necessita de modems compatíveis; Dados digitais susceptíveis à corrupção em aplicações móveis; Custo por chamada maior que o da telefonia convencional. Baixo alcance; Requer licença da FCC; Precisa estar na linhade-visão; Pode ocorrer interferência externa; Implementação e manutenção com custos altos;
•
• • •
•
Satélite
Hardware disponível; Infraestrutura instalada; Pode alcançar altas taxas de transmissão; Baixo custo por chamada; Grande alcance.
Limitações
Grande alcance; Várias opções disponíveis; Aumento gradativo nos últimos anos; Custo de implementação e por chamada com expectativa de ser o mesmo da telefonia celular de 2 a 5 anos.
• • • • • •
•
Custo por chamada maior que o sistema celular.
Devido ao fato das linhas telefônicas, na maioria das vezes, estarem suspensas por muitos quilômetros (figura 1), tornam-se susceptíveis a picos de tensão induzidos por descargas atmosféricas. Logo, um protetor contra surtos transitórios elétricos composto por um centelhador tripolar em paralelo com diodos ultra-rápidos (TransZorbs), é altamente recomendado. Os diodos descarregam os surtos de baixa intensidade e alta freqüência, enquanto os centelhadores protegem a linha contra surtos de alta intensidade. A comunicação pode ser feita em 3 configurações básicas, que são serviços disponibilizados pelas empresas de telefonia: • Linha Privada; • Linha Discada; • Rede Virtual Integrada (RVI).
Figura 1 - Sistema de telemetria com transmissão via par metálico A tarifa geralmente segue uma divisão segundo o horário de uso como mostra a figura 2. Valor do pulso local
0,09238
Figura 2 - Tipos de tarifação local praticada pela TELEMAR/MG Janeiro/01 a) Linha privada (ou dedicada) Quando a comunicação é realizada em linha privada, ou dedicada, é alugado da empresa de telefonia o par metálico, que interligará ponto a ponto a central à estação remota, podendo ser implementado com dois ou quatro fios, conforme ilustrado na figuras 3 e 4, respectivamente. O meio de transmissão está disponível a todo instante, possibilitando conexão permanente entre os elementos interligados.
TX
RX
TX
ETD
RX
MODEM 2
Unidade Remota
MODEM 1
ETD
Sistema SCADA
Figura 3 - Linha privativa a 2 fios
TX
TX
RX
ETD
RX
MODEM 2
Unidade Remota
MODEM 1
ETD
Sistema SCADA
Figura 4 - Linha privativa a 4 fios b) Linha discada (ou comutada) A escolha do serviço de linha privada se faz necessária nos casos em que o volume de dados a ser transmitido é grande, ou se o tempo de acesso entre os pontos interligados deva ser o mais curto possível. Para as situações onde a ocupação do meio de transmissão não é grande e que não haja necessidade de comunicação “instantânea” o uso da linha comutada, como ilustrado na figura 5, pode ser a opção mais econômica. Nos sistemas de linha discada a unidade remota não está constantemente ligada ao sistema SCADA/IHM, ou seja, não existe um par físico exclusivo interligando os dois pontos. A comunicação só será estabelecida após a liberação da central comutadora de um tronco, quando então será feita a
RX
RX
CENTRAL COMUTADORA
TX
TX
ETD
℡℡
MODEM DESTINO
MODEM ORIGEM
ETD
discagem do número da unidade destino. Além do sistema de comunicação ser não determinístico, podendo ocasionar atrasos aleatórios, existe um tempo de “conversação” entre os modems (“handshaking”) que dura em média 30 segundos. Ao implementar sistemas de automação em linha discada deve-se prever, no protocolo de comunicação, mecanismos para a rediscagem da estação destino, quando a comunicação não for completada.
Figura 5 - Linha discada Há um outro fator importante a ser considerado na implantação do sistema em linha discada, em relação à segurança do sistema, é o de qualquer pessoa poder ligar para qualquer estação do sistema. Mesmo que este seja protegido por códigos, existe o problema da ocupação indevida do canal por parte de terceiros. c) Sistema RVI (Rede Virtual Integrada) O sistema RVI é um serviço oferecido por algumas empresas de telefonia que se assemelha a um PABX digital. A figura 6 ilustra o sistema RVI oferecido pela TELEMAR à CESAMA. Conforme pode ser observado os ramais internos são conectados entre si através da Central RVI da empresa de telefonia. Estes ramais comunicam-se entre si sem gerar impulsos, fato este que só ocorre quando o número do telefone chamado é externo à rede. Os ramais não precisam estar fisicamente próximos e são conectados pelos pares físicos da rede de telefonia pública. Outra vantagem do sistema RVI é que a central possui inúmeros recursos de proteção e serviços, sendo possível, por exemplo, impedir que telefones externos à rede possam se comunicar com os telefones internos, o que garante a segurança do sistema quanto a invasão de terceiros.
RVI CENTRAL TELEMAR
Figura 6 - Central com ramais inteligentes – RVI A tabela 2 apresenta os preços praticados pela TELEMAR em 2000, ano em que foi adquirido o serviço, pela CESAMA, de 180 ramais RVI. Observe que o custo com a implantação dos ramais não foi computado, uma vez que este serviço é variável e depende das condições técnicas para a implantação do ramal. Tabela 2 - Custo para a implantação de um ponto da rede de telemetria e telecomando Aluguel Impulsos Serviço Instalação (R$/mês) (R$/impulso) Linha Privada 140,00 Variável Não Linha discada 19,00 Variável 0,09 RVI 19,00 Variável Não
3.2 O Supervisório Os sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) foram concebidos tendo como ênfase a supervisão e o controle centralizado de processos, aplicando-se de uma maneira geral aos processos que sejam esparsos geograficamente e que, para a sua operacionalização, dependam de estreita coordenação entre as instalações que a integram. Processos típicos que possuem essas características são os de geração e distribuição de energia elétrica; de captação, tratamento e distribuição de água potável e de transferência e estocagem em dutos e terminais. Os SCADAs possuem, de uma forma geral, um grande grau de abertura e de flexibilidade para a sua configuração no atendimento das particularidades à aplicação pretendida. Podem empregar praticamente todos os tipos de meios de comunicação existentes, salvaguardandose aí o problema de desempenho x banda passante do meio. Existe uma enorme variedade de softwares SCADA disponíveis no mercado, de modo que o engenheiro de automação deve saber identificar os parâmetros fundamentais para a escolha adequada do software de modo a otimizar a relação custo x benefício. Esta seção procurará apresentar as principais características dos softwares SCADA e alguns parâmetros importantes para auxiliar na escolha do software. Características dos softwares SCADA O software adquire importância fundamental nas aplicações de automação, supervisão e controle. Os Sistemas de Supervisão ou softwares SCADA/IHM permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo produtivo, que podem ser visualizadas por intermédio de quadros sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo (pressão, vazão, nível, etc). Recursos de um Software Scada Os SCADA reúnem em um único pacote os recursos normalmente requeridos nas aplicações de supervisão e controle. Alguns destes recursos são apresentados e discutidos a seguir [3] .
a) Alarmes Situações de alarme são comuns em sistemas de automação e controle e precisam ser tratadas pelo software a fim de manter o processo dentro dos limites de funcionamento. Os alarmes são, em geral, eventos associados aos TAGs (variáveis) que são disparados (executados), quando o nível préestabelecido é atingido. Por exemplo, uma variável de temperatura, que está sendo monitorada num sistema, pode ter associada um alarme de nível alto. Assim, quando a temperatura for maior que o nível de alarme marcado, um evento é disparado automaticamente. Este evento pode desligar a fonte de calor, ou simplesmente sinalizar ao operador, ou realizar outro procedimento qualquer, dependendo do que foi previamente programado. b) Segurança Os softwares SCADA permitem cadastrar contas para operadores e atribuir níveis de acessos diferentes para cada operador sendo possível, numa dada aplicação, restringir o acesso a partes críticas do programa. O usuário, ao entrar na aplicação, deve efetuar o seu Log on mediante um nome e uma senha de acesso, que foram previamente cadastradas pelo supervisor do programa. Ao desenvolver a aplicação o projetista pode atribuir níveis de segurança diferentes para cada tela da aplicação. Por exemplo, um usuário de nível 1 pode acessar qualquer tela da aplicação, ao passo que um usuário de nível 2 só pode acessar telas com níveis maior ou igual a 2. Na aplicação desenvolvida para a CESAMA a tela de Ajustes e de Telecomando da Válvula Central, ver figura 7, só pode ser ativada por usuários de nível 1 (administradores).
Figura 7 - Tela de controle da válvula com acesso restrito a usuário nível 1
c) Criação de Históricos de Dados Uma das características mais marcantes de um software SCADA é a sua capacidade de criar arquivos que contenham dados históricos do processo, juntamente com ferramentas para mostrar os dados graficamente e para buscar informações de modo rápido e fácil. A figura 8 mostra um histórico da porcentagem do nível (em vermelho) e os valores em litros por segundo das vazões (azul, marrom e verde), de uma estação do sistema de automação da CESAMA. Esta estação é responsável pelo fornecimento de água a outras estações, possuindo um conjunto moto-bomba telecomandado. Maiores informações serão apresentadas no item 4 que descreve o sistema de automação da distribuição de água da CESAMA.
Figura 8 - Histórico do nível (%) e das vazões (L/s) d) Gráficos de Tendência Gráficos de tendência disponibilizam na tela do computador, na forma gráfica, as informações em tempo real. Com isto é possível, ao operador, acompanhar a tendência das variáveis selecionadas. Dependendo dos recursos oferecidos pelo software particular é possível apresentar gráficos com múltiplas variáveis, gráficos X-Y, ajustar fatores de escala e a taxa de atualização, entre outros recursos. e) CEP (Controle Estatístico de Processos) As ferramentas de CEP estão presentes na maioria dos softwares SCADA permitindo a análise estatística dos dados. O CEP é uma ferramenta poderosa no controle da qualidade do processo. Gráficos de média, dispersão, histograma, desvio padrão são alguns dos indicadores estatísticos incorporados no CEP. f) Receitas Quando se tem diferentes parâmetros em uma máquina, é conveniente que se crie receitas que contenham os valores pré-definidos de cada grupo de tags, os quais fornecerão os valores padrões para cada caso em questão. A figura 9 mostra a implementação da receita criada contendo um vetor dos números dos ramais das estações remotas.
Figura 9 - Receita com os números dos ramais remotos, utilizados na varredura g) Criação de Telas e Tags A facilidade de criação de novas telas e novas variáveis (TAGs) é um dos principais recursos dos softwares SCADA. É fácil criar painéis frontais que incluam indicadores, botões liga/desliga, botões deslizantes, gauges, animações, entre outros. Também é fácil a criação de TAGs de diferentes tipos como: CLP, memória, cronômetro, matriz, remoto, etc. Os Tags do tipo CLP permitem a comunicação com dispositivos de entrada e saída (CLP, placas de Entrada/Saída, etc.) mediante o uso de drivers de comunicação (arquivos dll) com os dispositivos de hardware. Os tags memória são variáveis comuns, voláteis e que permitem desenvolver as mais diversas aplicações. Os tags cronômetros são variáveis usadas para contar tempo e os tags matriz são variáveis que permitem a manipulação de matrizes e vetores. Quanto maior for o tipo de tags existente num software SCADA mais simples será o desenvolvimento da aplicação. A figura 10 mostra uma tela para exemplificar os recursos típicos disponíveis em um software SCADA para a criação dos painéis frontais com informações visuais sobre nível, vazão, status de bomba e se a estação está em operação ou não (verde/vermelho).
Figura 10 - Sistema de supervisão e controle desenvolvido em Elipse SCADA Alguns Parâmetros para a escolha de um software SCADA Para se efetuar uma boa escolha de um software é necessário avaliar o produto, o sistema operacional, a confiabilidade do fabricante e do seu distribuidor, além do suporte local e dos drivers de comunicação disponíveis. Hoje em dia com a necessidade de distribuir a informação para a área corporativa da empresa, esta escolha se torna muito mais importante. A PETROBRÁS ao selecionar o seu software SCADA para a aplicação do sistema de supervisão para a instalação Operacional da Exploração da Produção, desenvolveu uma metodologia para a avaliação dos softwares de supervisão e controle [4] . Nesta metodologia a PETROBRÁS convidou vários fornecedores e propôs o seguinte teste básico: desenvolver 17 telas, com aproximadamente 24000 tags de comunicação Ethernet TCP/IP divididos entre dois CLPs de diferentes fabricantes, configurar duas estações SCADA e 2 clientes, com atualização de 1 segundo por tag; configurar 4800 pontos de históricos com registro a cada segundo e gerenciar mais de 3000 alarmes. A aplicação deveria ser desenvolvida em uma semana. No final do período foram analisados os seguintes itens: Qualidade de Tela; Interface com o campo; Facilidade de desenvolvimento; Arquitetura do software; Banco de dados; Configuração; Alarmes; Manutenção; Histórico; Custo; Tempo de comunicação com os CLPs; Utilitários disponíveis; Tempo de troca de tela; Conectividade; Ambiente Operacional; Qualidade do fornecedor; Interface de operação; Documentação.
Embora esta metodologia não possa ser generalizada, além de não poder ser executada por empresas menores, ela serve de base para o engenheiro criar o seu próprio modelo de avaliação. Cabe também ressaltar que o software escolhido pela PETROBRÁS não será necessariamente a melhor escolha para outra aplicação.
4 VISÃO GERAL DO SISTEMA DESENVOLVIDO PARA A CESAMA Quando o processo da automação do sistema de distribuição de água da CESAMA teve inicio, foram levantadas as seguintes características: Níveis dos reservatórios controlados por operadores ou por conjunto contato bóia/bomba; Coleta dos dados da macromedição e de níveis dos reservatórios efetuadas manualmente; Controle de vazão operado manualmente; Decisões de manobras baseadas em poucas informações do sistema; Informação off-line dos estados das estações elevatórias; Pressurização de regiões operadas por quadro de relés temporizados. Os principais problemas relatados pela operação e gerência foram: Perda constante de água, por excesso, nos reservatórios devido à negligência de operadores; Constantes problemas dos “automáticos” para controle do nível; Informações dos estados do sistema off-line; Atraso na detecção de falhas no sistema; Freqüentes rompimentos de rede; Controle de perdas ineficientes. De posse das características e dos problemas, foi proposto um projeto de automação dividido em duas grandes etapas. A primeira etapa consistiu na supervisão do sistema, ou seja, na telemedição dos níveis dos reservatórios, das vazões nas redes de distribuição de água e dos estados das estações elevatórias. A segunda etapa compreendeu o controle automático dos níveis dos reservatórios e o telecomando das válvulas reguladoras de vazão. A tabela 3 resume as características do projeto de automação desenvolvido para a CESAMA. Tabela 3 - Características do projeto de automação e telemetria desenvolvido Tipo Quantidade Característica Telemedição / Atualização das medidas com taxa de 30 minutos / Geração de histórico com taxa de 15 Nível de reservatório 55 minutos. Telemedição / Atualização das medidas com taxa de Vazão 39 30 minutos / Geração de histórico com taxa de 15 minutos / Totalização da vazão. Válvula 01 Telecomando da válvula Controle Liga/Desliga, automático e remoto, com Elevatórias 120 histerese, das bombas das elevatórias / Informações dos estados da(s) bomba(s). O sistema de supervisão e controle foi implantado usando a estrutura Mestre/Escravo. O mestre da rede é a aplicação SCADA sendo executada numa estação Windows NT e situada no Centro de Controle Operacional (CCO) da CESAMA. As estações escravas são compostas pelos CLPs espalhados por diversos pontos geográficos da cidade. Estas estações são responsáveis pelas coletas dos dados, armazenamento de histórico local, comando das elevatórias e válvulas e por disparar alarmes para a central. A figura 11 mostra um trecho exemplo do sistema de abastecimento da CESAMA e a figura 12 ilustra a arquitetura implementada. A estação SCADA/NT é sempre o mestre da rede e as estações CLPs são sempre os escravos. Neste tipo de implementação os escravos não podem comunicar-se entre si diretamente, mas somente através do mestre. Assim quando o CLP, conectado ao reservatório de água destino, percebe que o seu nível atingiu o valor máximo, por exemplo, ele sinaliza para o mestre a situação de alarme de nível máximo atingido. O mestre, então, envia um comando para a estação da elevatória, solicitando o desligamento da bomba. Deste modo todas as trocas de informações, entre as estações escravas, são comandadas pela central.
Figura 11 - Trecho exemplo da distribuição de água com estações elevatórias e reservatórios
ELIPSE/NT Modem
Modem
CLP
CLP Reservatório destino
Elevatória Reservatório origem
Figura 12 - Aplicação SCADA como mestre da rede Na implementação Mestre/Escravo, com o SCADA na função mestre, todas as comunicações passam por ele, ou seja o supervisório tem que se comunicar com cerca de 150 estações remotas. Esta situação merece cuidado, pois o tempo de varredura do sistema pode ficar comprometido. Para verificar esta situação basta fazer as considerações a seguir: • as comunicações entre as estações são realizadas pelo sistema RVI, composto por linhas comutadas; • o tempo necessário para a discagem e a formação do laço de comunicação é em torno de 30 s (empírico); • o tempo para transferência dos dados e desconexão é em torno de 10 s (empírico); Assim, o tempo total para varrer as estações remotas é dado por 1: (1) Tvarredura = Nestações.(THs + TTrans) onde: Tvarredura é o tempo necessário para varrer todas as estações; Nestações é o número total de estações a serem varridas; THs é o tempo de conversação entre os modems (handshaking) TTrans é o tempo necessário para a transferência dos dados e a “quebra” da conexão. Para a aplicação CESAMA, tem-se: Tvarredura = 150.(30 + 10) = 6000 s = 100 minutos = 1,67 horas
Este tempo não atende as especificações do sistema, que requer atualização das estações a cada 30 minutos, conforme mostrado na tabela 3. Além do tempo de varredura, o sistema deveria ter “folgas” para atender as solicitações dos alarmes e conexões manuais. A solução adotada para cumprir as especificações de projeto foi a de utilizar uma placa multiserial com 24 canais, sendo estes canais divididos por funções, conforme a tabela a seguir. Tabela 4 - Divisão dos canais por eventos Número dos canais (drivers) 1–5 6 – 10 11 – 15 16 17 18-24
Função Conexões de alarmes (Remotas para Elipse) Varredura periódica do sistema Conexão manual do sistema Conexão Remota do Supervisor (conexão Dial-up) Comando das válvulas Expansão do sistema
A placa multiserial permite as operações dos canais como canais independentes o que permite a operação em multitarefa. Por exemplo, ao iniciar uma varredura da rede são disparados 5 processos simultâneos. Isto permite reduzir o tempo final de varredura, uma vez que o “handshaking” dos modems é efetuado de modo independente. Também a transferência dos dados ocorre quase que em paralelo, pois o tempo de transferência entre o buffer do modem e o computador é muito menor que o da transferência dos dados pelo par trançado. Na prática o tempo final de varredura do sistema é 5 vezes menor como mostra 2: (2) Tvarredura = Nestações.(THs + TTrans) /Ncanais Onde Ncanais é o número de portas seriais que serão conectadas simultaneamente. Logo: Tvarredura = 150. (30 + 10)/5 = 6000/5 segundos = 20 minutos Este seria o tempo total para a atualização consecutiva das 150 estações. Para melhor aproveitar a arquitetura distribuída que a placa multiserial proporciona, foram criados 5 grupos, cada um contendo um número de 30 estações remotas. Desta forma, no aplicativo, pôde-se criar drivers de comunicação para cada grupo, estruturando toda a aplicação em torno desta divisão. Uma separação quanto aos eventos também foi implementada; para melhor organizar os dados e ações criou-se os eventos: varredura, conexão manual e situações de alarmes. Com todas estas subdivisões, o aplicativo possui um total de 17 drivers (canais) como mostrado na tabela 4. A tabela 5 mostra como o tempo é dividido por grupo para um ciclo de 30 minutos. As conexões manuais e os alarmes podem ser atendidos nos intervalos em que o sistema está liberado. Tabela 5 - Divisão do tempo para a varredura dos 150 pontos. Tempo Grupo correspondente 60s Primeiro grupo 120s Segundo grupo 180s Terceiro grupo 240s Quarto grupo 300s Quinto grupo M
M
1800s
Trigésimo grupo
A figura 13 mostra como as diversas estações estão conectadas a central, onde encontram-se 24 pares telefônicos (ramais RVI) interligando as 150 estações externas, por pares telefônicos individuais. A central RVI encarrega-se de realizar as conexões adequadas.
ELIPSE/NT PLACA MULTISERIAL Modem1
Modem2
Modem3
Modem24
Central RVI TELEMAR
Modem1
CLP1
Modem2
CLP2
Modem3
CLP3
Modem150
CLP150
Figura 13 - Visão Geral do Sistema
4.1 Telas No projeto da CESAMA foram desenvolvidos 6 tipos de telas: Tela Principal, Tela das Regionais, Tela da Estação, Tela de Histórico, Tela da Válvula e Tela de Alarmes. A seguir são apresentadas as principais características de cada uma. a) Tela Principal (figura 14): é onde o usuário deve efetuar o login e o logout e a partir daí ele poderá ter acesso a outras telas ou sair da aplicação. O operador deverá efetuar sua identificação (login) para que o sistema lhe dê o devido acesso às telas e comandos do aplicativo. Todas ocorrências de alarmes serão vinculadas ao usuário conectado naquele momento.
Figura 14 - Tela principal do sistema b) Telas das Regionais: a estrutura regional da operação do sistema CESAMA é reproduzida na aplicação de modo a facilitar a localização dos pontos, uma vez que os operadores já possuem esta localização geográfica memorizada. Cada região contém os indicadores dos níveis dos reservatórios, das vazões dos macromedidores, dos estados das estações e bombas das elevatórias. O operador, ao acessar uma região, tem toda a informação visual disponibilizada na tela. A figura 15 mostra a tela da Regional Sudoeste I onde se pode observar os reservatórios, as estações elevatórias, os medidores de vazão e o estado da bomba (verde-ligada ou vermelha-desligada) e da energia da estação (verde - em operação). As informações colocadas neste primeiro nível são as mais importantes. Caso o operador precise de maiores detalhes de uma dada estação, como por exemplo o horário da última atualização, ele poderá acessar esta através do “click” do mouse, como ilustrado na mesma figura para o Reservatório Henrique de Novais. Se julgar necessário, ele poderá ainda atualizar a estação por meio do botão “conectar”.
Figura 15 - Tela exemplo das regionais c) Tela da Estação: a tela da estação apresenta maiores informações relativas à estação como mencionado no item anterior para o Reservatório Henrique de Novais. Nela estão contidos: o valor percentual do nível do reservatório, a data e a hora da última atualização, os estados dos contatos da porta, do nível da água na sucção, os estados dos contatos remotos das bombas, entre outros. d) Tela de Histórico: ao executar o evento varredura, totalizador de vazão e alarme o sistema armazena todos os dados relativos àquela estação em um arquivo (.DAT) característico do software SCADA. Este arquivo poderá então ser analisado utilizando-se a ferramenta de análise histórica, que se divide em 3 objetos: Consulta, Gráfico e Relatório. Além disto, pode-se ainda realizar uma análise estatística dos dados do histórico por meio do Controle Estatístico de Processos (CEP). Como os dados são colhidos em um intervalo de 15 minutos, tem-se portanto o mesmo período de tempo no histórico. Pode-se efetuar uma consulta com filtros, selecionando períodos de segundos, minutos, horas, dias, meses ou anos. A figura 8 é um exemplo deste recurso gráfico contendo dados no intervalo de 11:30 H do dia 21/02/2001 à 17:30 H do dia 22/02/2001. Analisando o gráfico pode-se extrair, por exemplo, quantas vezes, durante a noite, a bomba foi desligada (3 vezes). e) Tela da Válvula: a figura 7 mostra a tela da válvula reguladora presente na Estação de Tratamento de Água (ETA) CDI. É nesta tela que se ajusta a vazão da 3ª adutora através do percentual de abertura da válvula (empírico). Além do número que representa a abertura da válvula também está disponível o nível da caixa de partida. Esta tela possui prioridade 1, ou seja, somente usuários com nível de acesso igual a 1 (administradores) poderão acessá-la. f) Tela de alarmes: ao ocorrer qualquer tipo de alarme este será armazenado em um arquivo de banco de dados para análise futura ou quando for necessário. A figura 16 mostra este banco de dados no objeto Browser, que permite uma visualização dos arquivos criados pelo Elipse. Os dados podem ser consultados na tela ou enviados para a impressora.
Figura 16 - Tela de histórico de alarmes - Reservatório Henrique de Novais
4.2 Controle das bombas O sistema de controle de nível implementado no projeto é do tipo liga-desliga com histerese. Este tipo de controle foi bem aceito na aplicação uma vez que evita o ricochete na bomba, ou seja, liga-desliga com pequeno intervalo de tempo, que poderia danificar ou comprometer sua vida útil. Além dos níveis de controle (liga-desliga) também era necessária uma análise no momento de ligar a bomba, pois se não houvesse água na sucção ela estaria operando a vazio, não podendo portanto ser ligada. Para solucionar esta questão, implementou-se os níveis críticos (nível mínimo crítico e nível máximo crítico) também com histerese. Se a água baixar do valor mínimo crítico não será possível ligar a bomba até que o nível ultrapasse a marca Nmáx crítico por no mínimo 1 minuto. A figura 17 ilustra este tipo de controle mostrando os valores utilizados no projeto. Alarme - desliga Nmáximo (96%) HISTERESE Nmínimo (74%)
Alarme - liga Nmáx critico(20%) HISTERESE Nmín crítico (10%)
Figura 17 - Controle liga-desliga com histerese Os valores da figura anterior são retentivos no CLP, podendo ser alterados local ou remotamente. A vantagem em se poder alterar estes valores através do supervisor é a de se tornar viável um controle sazonal, ou seja, durante a madrugada o consumo é relativamente baixo, pode-se então alargar a
faixa de histerese abaixando-se o nível mínimo, por conseqüência o intervalo liga-desliga da bomba aumenta, trazendo o benefício da diminuição dos custos com manutenção e reparos. É importante ressaltar que para ligar a bomba certas exigências devem ser cumpridas. A figura 18 mostra a seqüência de contatos (“ladder”) responsável pela comutação da bomba. Para que haja sucesso deve-se respeitar rigorosamente esta seqüência como descrito a seguir: • AENERG1 – Representa a energia da estação elevatória. No caso de falta de energia a bomba deve permanecer desligada por um tempo para que as condições de energia da rede de alimentação se estabilizem (picos transitórios podem emular uma falta de energia); • NOK – Representa a presença de água na sucção da bomba. Este valor é vinculado ao nível do reservatório e avaliado sob as condições críticas apresentadas acima, ou na presença de água na tubulação, quando se tratar de booster; • ELPR1B1 – Representa o contato remoto do supervisor (SCADA). É através deste contato, normalmente fechado, que o operador do sistema pode desligar remotamente a bomba, caso ela esteja em funcionamento; • R1B1 – Representa o pedido remoto da malha de controle para ligar ou desligar a bomba.
Figura 18 - Seqüência de contatos para comutar a bomba
4.3 Uma Seqüência de Eventos Nos programas orientados a eventos as ações são encadeadas, não a partir de uma seqüência de instruções, conforme nos acostumamos nas linguagens de programação convencional (C, Pascal, Matlab, etc), mas a partir da ocorrência de eventos. Enquanto não ocorre um evento o programa encontra-se em estado de latência, ou espera. Ao ocorrer um evento o programa passa a responder a este e desenvolve um conjunto de ações (scripts), retornando ao estado de latência logo a seguir. Assim a identificação dos eventos é o primeiro passo na elaboração do programa aplicativo, na aplicação CESAMA existem 3 principais eventos (manual, varredura e alarme) como ilustrado na figura 19. Uma tabela de eventos é uma boa prática para a organização do programa. A tabela 6 apresenta uma descrição dos grupos de eventos do programa desenvolvido para a CESAMA. CARREGA DRIVERS E RECEITAS
TELA
Leitura da Tabela de CONTROLE
Atualização das variáveis
DISCA
IDENTIFI CAÇÃO
TELA
Leitura da Tabela de CONTROLE
LIBERA O SISTEMA
DISCA
EVENTO 2
LIBERA O SISTEMA
EVENTO 1
IDENTIFI CAÇÃO
Alarmes
Varredura
Arquivo em disco HISTÓRICO
EVENTO 3
ATENDE Leitura da Tabela de CONTROLE
IDENTIFI CAÇÃO
Scripts AÇÃO
Scripts IF
AÇÃO
Figura 19 - Principais eventos são executados em paralelo
LIBERA O SISTEMA
Conexão Manual
Tabela 6 - Descrição dos principais eventos da aplicação CESAMA Nome do Evento Origem Ações • Leitura do endereço da estação; Carrier Alarme Alto Remota gera alarme • Escreve confirmação de conexão no CLP; • Dispara Crono_Reset Alarme. • Leitura da tabela de dados e de controle da remota; • Atualização da palavra de status das Leitura Carrier Alarme Alto respectivas estações na tela; End_estação Alarme • Armazenamento dos dados nos históricos: Totalizador e Alarme; • Mensagem na tela para o operador. Crono_Reset • Habilita Crono_Alarme; Carrier Alarme Alto Alarme • Reseta o modem. • Enviar comando para a remota, conforme foi solicitado pela estação que disparou o Crono Alarme Crono_ Reset Alarme processo de alarme; • Aguarda Carrier Alarme Alto. • Leitura do endereço da estação; Carrier Manual Alto Comando do operador • Escreve confirmação de conexão no CLP; • Dispara Crono_Reset Manual. • Leitura da tabela de dados e de controle da Leitura remota; Carrier Manual Alto End_estação • Atualização das telas relacionadas às Manual estações. Crono_Reset Carrier Manual Alto • Reseta o modem. Manual • Seleciona 5 ramais e efetua a conexão das 5 Crono_Varredura Cronômetro interno estações simultaneamente. • Leitura do endereço da estação; Carrier Varredura Crono_Varredura • Escreve confirmação de conexão no CLP; Alto • Dispara Crono_Reset Varredura. • Leitura da tabela de dados e de controle da remota; Leitura • Atualização das telas relacionadas às End_estação Carrier Varredura Alto estações; Varredura • Armazenamento dos dados no histórico de varredura; Crono_Reset Carrier Varredura Alto • Reseta o modem. Varredura • Ler nível da caixa de partida e abertura da válvula (%); Carrier Válvula Alto Comando do operador • Pode-se alterar o posicionamento da válvula reguladora; • Aguarda desconexão manual. Desconexão Comando do operador • Reseta o modem. Manual Válvula • Atender a solicitação de acesso dial-up da aplicação CESAMA CLIENTE; Conexão externa com Conexão Dial-up o aplicativo CESAMA • Transfere dados e/ou arquivos; CLIENTE • Pode desencadear um evento Carrier Manual Alto. A tabela anterior descreve, de maneira seqüencial, os eventos que podem ocorrer na aplicação CESAMA. Pode-se observar que um evento sempre está vinculado a outro, de forma a proporcionar uma seqüência lógica capaz de cobrir as necessidades do sistema. A tabela deixa clara a divisão por grupos de eventos: alarmes, conexão manual, varredura automática das estações, válvula reguladora e conexão dial-up.
A título de ilustração de uma seqüência de eventos, considere a situação ilustrada na figura 20. Esta figura mostra um trecho do sistema, onde o nível no Reservatório do Bairu (RB) deve ser controlado pela bomba na Elevatória Henrique de Novais (EHN). Quando o nível máximo (ou mínimo) do reservatório do Bairu é atingido, o CLP desta estação disca para o modem da central, onde se encontra o supervisório. Quando o evento de Carrier Alarme Alto é detectado, pelo aplicativo, este se encarrega de ler, no CLP que originou o alarme, a sua tabela de controle com o código de alarme e o número do ramal que deve ser discado (Ramal da EHN), entre outras informações. A interpretação do código de alarme como sendo de nível máximo atingido (ou mínimo) dispara o Crono Alarme, que após atingir a contagem final gera o evento que irá ligar para o modem da EHN. Quando o evento Carrier Alarme Alto é novamente detectado, o Elipse encarregase de enviar o comando para desligar a bomba (ou ligar). A estação da elevatória ao receber o comando procura executá-lo. Duas situações podem ser detectadas pelo programa do CLP local, que controla a bomba: sucesso ou erro. Esta estação após um tempo determinado (default 2 minutos) liga novamente para a central enviando um código de alarme de sucesso ou erro (observe que o evento gerado será do tipo Carrier Alarme Alto). Se o código de alarme for de erro o programa Elipse sinalizará na tela, indicando para o operador que a estação Henrique de Novais possui algum tipo de problema. Se o código de alarme for sucesso será disparado o Crono Alarme. Neste caso a central discará de volta para a estação do Bairu informado que o comando foi executado corretamente. Isto faz com que o CLP do Bairu entre em estado de repouso, ou seja ele só voltará a gerar alarme de nível máximo (mínimo) se houver um novo cruzamento pelo limite, na mesma direção (setas figura 17). Isto fará com que o alarme seja uma interrupção. Situação Crítica Atingida Inibe Alarme Gerado
Repassa Alarme Repassa Alarme
Visualização do Alarme
LEGENDA: BAIRU
Executa Ação de Controle
Sucesso
SUPERVISÓRIO
Erro
HENRIQUE DE NOVAIS
Figura 20 - Seqüência de eventos para ligar e desligar bombas
4.4 A Aplicação CESAMA CLIENTE Tendo em vista a necessidade diária dos diretores da CESAMA acompanharem o desempenho do sistema de distribuição de água como um todo, e a dificuldade geográfica (a sede está fisicamente longe da central) foi desenvolvida uma aplicação que permitisse a conexão remota com a central. Esta aplicação deveria ser uma réplica do sistema supervisório possuindo todas as telas, funções e comandos existentes na central. Disponibilizando todos os recursos e possibilitando inclusive efetuar uma conexão tipo manual no supervisório. As possibilidades de se implementar tal aplicação passaram tanto por protocolo de rede TCP/IP como por uma simples conexão dial-up. A princípio uma conexão utilizando-se os IPs (protocolo de identificação) das respectivas máquinas seria mais interessante, pois a comunicação é mais rápida e segura. Em contrapartida, uma conexão utilizando-se a internet seria limitada ao domínio da rede, ou seja, onde não estivesse disponível tal recurso este método seria impraticável além de implicar em investimentos adicionais com segurança, como por exemplo com um firewall, que são as ferramentas mais tecnologicamente evoluídas para proteger a rede interna da invasão dos hackers. Deste modo,
optou-se pela conexão utilizando-se a linha telefônica (dial-up), que está disponível em grande escala, além da vantagem de se poder utilizar, em viagens, um computador portátil. Ao conectar-se, o sistema disponibiliza um “download” dos arquivos históricos (.DAT) para um diretório local podendo assim abrir os gráficos históricos de varredura, totalizador de vazão e alarmes. A figura 21 mostra a transferência dos arquivos para a estação Reservatório Bairu.
Figura 21 - Tela da atualização dos arquivos de banco de dados
5 CONCLUSÃO A matéria-prima água, que já é insuficiente principalmente nas grandes concentrações urbanas, que escasseia tanto em quantidade quanto em qualidade vem tornando-se cada vez mais cara e está como prioridade nas pastas dos governos estaduais e federais. Portanto, esta área merece ser alvo de estudos e investimentos que minimizem o desperdício ao mesmo tempo em que maximizem a produtividade. A concepção do projeto, a partir de premissas previamente estabelecidas, consistiu na implantação de equipamentos que satisfizessem as necessidades da empresa com boa qualidade técnica e baixo custo. Os mini controladores programáveis nas pontas remotas possibilitam uma solução eficaz e com boa flexibilidade de alterações futuras. A comunicação simultânea entre a unidade operacional (remota) e o supervisório permite o acionamento e monitoramento de grandezas. Essa implantação ocasiona redução dos custos operacionais, fornece uma crítica dos dados e prognósticos de falhas e defeitos tanto na comunicação quanto na execução da ação requerida, elimina a complexidade dos trabalhos manuais e fornece dados técnicos para elaboração de relatórios com os históricos armazenados. A confiabilidade e agilidade na obtenção de informações resulta em uma maior segurança operacional. Para este trabalho foram classificados os seguintes itens: equipamentos de automação e controle, equipamentos de comunicação de dados e um software SCADA responsável por agrupar as informações do campo, de modo simples e eficaz. Entre os equipamentos de automação e controle, foram considerados os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs). Os CLPs são apropriados para a programação da seqüência de partida e parada das bombas, para informar uma abertura na porta do armário de equipamentos, para adquirir dados de estado dos diversos equipamentos (dados digitais) e para adquirir dados de grandezas analógicas sensoreadas (nível e vazão). Para a comunicação de dados foi escolhido um sistema de modems utilizando a rede virtual integrada (RVI) da operadora TELEMAR. Para o Centro de Controle Operacional foi adquirido um PC com sistema operacional multitarefa (Windows NT 4.0) e software supervisório (Elipse SCADA versão 2.20). A comunicação com as remotas é feita por meio de 24 linhas telefônicas (RVI) a dois fios comunicando-se por modems.
Para registrar as grandezas de interesse nos processos das estações e transformá-las em sinais adequados para os equipamentos de automação local (geralmente 4 a 20 mA), foram adotados os transdutores de corrente, além de sensores de nível e vazão. As telas definidas são caracterizadas por funções de supervisão e ou comando do processo. Toda a aplicação foi georeferenciada, ou seja, as tela foram divididas segundo uma divisão regional, a qual o operador já estava acostumado. Foram distribuídas também as prioridades de acesso às telas mais importantes e essenciais para o sistema, dividindo os usuários em grupos de acesso distintos. Para conseguir o gerenciamento do sistema foi criado um pequeno protocolo de troca de informações entre o Elipse e as estações remotas. Deste modo foram definidos códigos de alarme, palavras de controle e estados, entre outras. Assim, ao ser gerado um evento no Elipse, o aplicativo interpreta o código recebido e toma as providências necessárias. Alguns códigos de alarme geram mensagens para que o operador possa tomar decisões, enquanto outros códigos são internos ao sistema e geram ações sem que necessitem a intervenção do operador. A aplicação, como um todo, divide-se em 3 principais eventos: varredura, manual e alarme. Enfim, pode-se afirmar que com a utilização da metodologia implantada no projeto conseguiu-se uma economia da ordem de 2/3. Dessa forma, consegui-se cumprir o objetivo inicial, que era o de desenvolver um projeto o qual apresentasse um fator custo-benefício como diferenciador.
AGRADECIMENTOS À CESAMA, agradeço o suporte fornecido e toda confiança depositada. Agradeço em particular ao gerente Lincoln, aos diretores, aos eletricistas e a todo o pessoal de apoio. Agradeço também a FAPEMIG - Órgão financiador da bolsa de mestrado, a faculdade de Engenharia Elétrica e todo o corpo docente do programa de pós-graduação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]
[2] [3] [4]
Automação.net, “Automação industrial”, web page, http://www.automação.net, 2000. Bracarense, Alexandre Queiroz e Rogana, Wagner Gomes, “Automação Industrial”, Arquivo Automação.zip, grupo de robótica, soldagem & simulação, UFMG – Engenharia Mecânica. Elipse Windows, “Sistema de Supervisão e Controle”, Elipse Software Manual do Usuário, 1999, Porto Alegre - RS. Petrobrás S.A, “Avaliação de arquiteturas de supervisão para instalações operacionais da E&P”, Relatório RL-3000.00-5520-850-PGT-003.
REFERÊNCIAS DE APLICAÇÕES PRÁTICAS Sistema de Supervisão e Controle da Rede de Distribuição de Água Tratada da Companhia de Saneamento e Pesquisa do Meio Ambiente (CESAMA) - Juiz de Fora MG.
DADOS DOS AUTORES Carlos Augusto Duque Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia Elétrica – Campus Universitário Juiz de Fora – Minas Gerais Telefone: (32)3229-3442 Ramal 27 E-mail:
[email protected] Sérgio Queiroz de Almeida Universidade Federal de Juiz de Fora Rua São Lourenço, 292 São Benedito 36.061-230 – Juiz de Fora Minas Gerais Telefone: (32)3217-5993 E-mail:
[email protected]
