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anderson william simões borges estudo e proposta

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1. 47 3 4 M TODOS CONT NUOS PARA AN LISE DE 49 4 PROPOSTA DE OTIMIZA O ENERG TICA EM MOTOBOMBAS DA ESTA O ELEVAT RIA VIVI 50 4 1 DESCRI O MATEMATICA pe enone enesoudumconcaancoronpannesuneuduenaeucnerenenantraneedreiomes 50 4 2 IMPLEMENTA O DA DESCRI O MATEM TICA 53 4 3 M TODOS DISCRETOS PARA AN LISE DE 54 4 4 PROGRAMA O LINEAR E LINEAR 54 4 5 SIMULA O COM REGRA PADRAO 2 ccccssccccssceceneeceenecetenecetenececanececseeecaneeeeas 55 4 6MODELO DE OTIMIZA O PARA REDUZIR O NUMERO DE ACIONAMENTO DOS CONJUNTOS MOTOR BOMBA VIA PROGRAMA O LINEAR E PROGRAMA O QUADRATICA nue meine de de a Lad da a ERY PD a 56 AS FUNGHO 56 4 805 MODELOS DE OTIMIZA O UTILIZADOS cccceecceceeccecenceeeesceeceeceeseeceeeneeeeans 57 5 CONCLUS O ssa sds 63 5 1 RESULTADOS E COMPARA ES a matador aid id ide id dd e id dd da 63 5 1 1Conclus es do Estudo de Casos cccccceeccccsscceneseeeceecceceeceeaeeeecaeeeeaeeees 64 5 2 PROP
2. Agrade o a minha amada esposa Vanessa pela compreens o amor e carinho dedicados nesta etapa da minha vida minha m e Niuza e meu pai Eveton por todo o carinho e apoio pessoas que tenho uma profunda admira o e gratid o Agrade o a CNPq pelo apoio financeiro e a UEL pelo ensinogratuito e de qualidade Se n o puder se destacar pelo talento ven a pelo esfor o Dave Weinbaum BORGES Anderson William Sim es Estudo e proposta para automa o de sistemas de abastecimento de gua 2009 2011 71 f Disserta o Mestrado em Engenharia El trica Universidade Estadual de Londrina Londrina 2011 RESUMO Muitos s o os motivos para a realiza o de pesquisas que envolvam o setor de saneamento b sico no Brasil Entre estes motivos est o algumas caracter sticas muito peculiares relacionadas a este setor caracter sticas que v o desde a sua concep o e a sua forma de organiza o at sua opera o Este trabalho oferece uma vis o pr tica sobre a aplica o de tecnologias de automa o a sistemas de abastecimento de gua e tem como objetivo expor um conjunto de solu es vi veis voltadas automa o de sistemas de abastecimento de guavisando a efici ncia energ tica e que possam ser aplicados at em munic pios que administram o pr prio abastecimento de gua S o apresentados neste trabalho testes da aplica o de m todos de otimiza o ao problema de acionamento hor rio timo
3. EPUSP S o Paulo 1993 PEREIRA S L SOUZA M Instrumenta o inteligente empregada na gest o de sistemas de tratamento de gua e an lise de benef cios e vantagens Controle e Instrumenta o S o Paulo ano 10 n 117 2006 PETTERSON R Visuals for information researchandpractice Calif rnia Educational Technology Publications 1989 SANEPAR Site da companhia de saneamento b sico do estado do Paran Dispon vel em lt http www sanepar com br gt Acesso em 08 jan 2011 SILVEIRA P R SANTOS W E Automa o e controle discreto S o Paulo Erica 1998 SVERZUT J U Redes GSM gPRS EDGE e UMTS evolu o a caminho da terceira gera o 3G S o Paulo Erica 2005 TROJAN F MARCAL R RESENDE L M STLADER C C Automa o em sistema urbano de abastecimento de gua uma ferramenta para redu o de perdas de produ o In ENCONTRO ESTADUAL DE ENGENHARIA DA PRODU O E SIMP SIO DE GEST O INDUSTRIAL 1 2000 Ponta Grossa Anais Ponta Grossa 2000 USEPA Ag ncia de prote o ambiental dos EUA ap ndice a medidas deconserva o de gua guia de planos para conserva o de gua tratada Washington D C ago 1998 ANEXOS 70 71 ANEXO A Artigo Submetido e Aceito BORGES A W S COVACIC M R Optimizing the operation of pumping system with linear programming LP nonlinear PNL and genetic algorithm GA In INTERNATIONAL CONFERENCE ON CHEMICAL MATERIAL AND META
4. T tulo CDU 628 16 ANDERSON WILLIAM SIMOES BORGES ESTUDO E PROPOSTA PARA AUTOMA O DE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA Disserta o apresentada ao Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Universidade Estadual de Londrina para obten o do T tulo de Mestre em Engenharia El trica BANCA EXAMINADORA Prof Dr M rcio Roberto Covacic Orientador Presidente UEL Londrina PR Prof Dr Leonimer Fl vio de Melo UEL Londrina PR Prof Dr Fernando Fernandes UEL Londrina PR Londrina 03 de Novembro de 2011 Dedico este trabalho a minha esposa Vanessa e filha Giovanna duas mulheres maravilhosas que Deus colocou em minha vida AGRADECIMENTOS A Deus Agrade o ao professor Dr Marcio Roberto Covacic pela orienta o e dedica o concedidas a realiza o deste trabalho e principalmente pela confian a e amizade Aos professores Dr Leonimer Fl vio de Melo e Dr Fernando Fernandes pelas contribui es e direcionamento que ajudaram a enriquecer trabalho Aos professores do programa de p s gradua o Alexandre Treviso Silvia Taufik Pizolato pelos ensinamentos A Sanepar por interm dio do Sr Gil Gameiro respons vel pelo CCO de Londrina pelos dados fornecidos Aos colegas da p s gradua o Emerson Evandro Cleber F bio Ednei Wagner Nelson e Osni com quem tive o prazer de conviver durante este per odo t o importante da minha vida
5. rea de comunica o de dados Em primeiro momento a maneira mais simples de representar um sistema de comunica o de dados seria considerar apenas uma fonte e um destino como representado na Fig 6 29 Figura 6 Simplifica o de um meio de comunica o Informa o O s mbolo um conjunto ordenado de elementos Por exemplo dispondo se dos elementos A B e C podem se compor s mbolos AA AB BB ou ainda s mbolos como AAA BBA BBB ou dispondo de elementos 0 e 1 podem se compor os s mbolos 1 0 10 11 1000 ou ainda dispondo se dos elementos 0 1 2 9 v e podem se compor s mbolos 5v 3v Ov etc Os s mbolos s o utilizados para representar configura es de um sinal como os s mbolos podem ser formados por um nico elemento o elemento tamb m pode constituir uma representa o de um sinal Pode se pensar que um sinal de forma intuitiva conforme os seguintes exemplos letra do alfabeto d gito bin rio fonema da pron ncia voltagem corrente el trica etc Para cada um destes exemplos pode se imaginar diferentes configura es para a composi o representativa da informa o Dentro dos sistemas de abastecimento de gua tais mensagens constituem informa es relacionadas a vaz es de adutoras n veis de reservat rios concentra o de elementos qu micos e caracter sticas qu micas da gua entre outras Estas mensagens s o constru das a part
6. representado esquematicamente pela adi o de um bloco correspondendo a uma fonte externa geradora de ru do simbolizando todos os ru dos presentes no canal como mostrado na Fig 8 32 Figura 8 Modelo de transmiss o de esta es remotas at o CCO R dio Remoto Um dos maiores problemas observados nos sistemas de comunica o envolvendo dispositivos de automa o consiste em manter tanto a distor o como o ru do em n veis aceit veis de modo que na recep o a mensagem possa ser recuperada e a informa o correta entregue no seu destino A Anatel 2011 disponibiliza em seu s tio eletr nico manual de projeto t cnico que descrevem a forma de apresenta o e solicita o para aprova o por parte das concession rias de abastecimento procedimento de transmiss o 2 7 CONCEITOS B SICOS ENVOLVIDOS NA SUPERVIS O DE SISTEMAS DISTRIBU DOS Os benef cios de uma arquitetura distribu da baseada em multiagentes como a proposta por Ebata 2000 n o podem ser aproveitados em uma integra o adequada de todo o sistema Tal integra o ocorre por meio do n cleo do sistema SCADA o denominado sistema de supervis o ou supervis rio conforme ilustrado pela Fig 9 33 Figura 9 Ilustra o de um sistema de distribui o controlado por SCADA l Controle do Controle do sistema de po sistema de bombeamento bombeamento Monitoramento da qualidade da gua Distribui o de gu
7. a comunica o e a coopera o entre eles ocorram Um agente pode ser acessado onde quer que esteja possibilitando a implementa o de um mecanismo seguro quanto a falhas A motiva o para a opera o cooperativa aut noma tem sua sustenta o na necessidade de executar miss es cr ticas com restri es de tempo recursos e disponibilidade que muitas vezes est o al m da capacidade de um nico agente No caso dos agentes estarem geograficamente descentralizados ou distribu dos a opera o cooperativa e uma abordagem adequada fornecendo suporte a 24 compartilhamento de informa es compartilhamento de recursos aloca o eficiente de recursos respostas orientadas a contexto e situa o robustez e flexibilidade sob mudan as de condi es redund ncia Uma caracter stica chave da arquitetura proposta a de que todos os agentes s o id nticos em rela o a como s o percebidos por outros agentes ao processamento de informa o a tomada de decis o e a capacidade de comunica o independente de sua fun o Dessa forma um agente pode ser facilmente substitu do no caso de falha Uma arquitetura para automa o distribu da de acordo com o modelo apresentado exige o estabelecimento de um arcabou o tecnol gico que abranja desde tecnologias direcionadas a comunica o entre computadores at aquelas direcionadas a sofisticadas t cnicas de controle 2 5 CONCEITOS B SICO
8. de controle presentes nas esta es remotas dos sistemas de abastecimento de gua Tais dispositivos exemplificados na Fig 5 devem possibilitar a troca autom tica ou o acionamento manual dos elementos finais de controle de forma a estabelecer condi es m nimas de controle enquanto a falha no sistema autom tico principal sanada Paralelos a esta contramedida benef cios inerentes ao sistema de multiagentes como a coopera o entre agentes e comunica o imediata da falha completam o sistema de conten o da arquitetura de controle distribu da 28 Figura 5 Ilustra o de um sistema de supervis o demonstrando bomba de dosagem redundante Bomba de Dosagem Redundante Cloarador Redundante 2 6 CONCEITOS BASICOS ENVOLVIDOS NA COMUNICAGAO DE SISTEMAS Desde 1838 quando Samuel F B Morse transmitiu pela primeira vez uma mensagem telegrafica atrav s de uma linha de cerca de 15 km desde ent o os sistemas el tricos para comunica o est o sendo mais e mais utilizados para permitir a transfer ncia de informa es entre homens e m quinas A comunica o por meio do telefone r dio e televis o considerada corriqueira no dia a dia Da mesma forma est o se tornando cada vez mais comuns as liga es entre computadores situados em locais distantes Dentre as formas de comunica o el trica uma das classes que mais se desenvolveu nos ltimos anos e que continua crescendo rapidamente justamente a da
9. equa o que s tem uma bomba e n o entra nestas restri es 59 2 Etapa A metodologia usada neste trabalho para tentar fazer com que os a i j t fracion rios venham a convergir para os valores bin rios O ou 1 de forma a se minimizar o n mero de liga desligas baseada na programa o quadr tica No entanto durante este processo procurar se alcan ar uma situa o operacional que chegue o mais pr ximo do custo timo global obtido via PL Portanto depois de obtido um resultado via programa o linear que fornece um dos valores timos globais o problema ter infinitos pontos timos de opera o e apresentar v rios a i j t fracion rios quer sejam no hor rio de ponta ou no hor rio fora de ponta para a minimiza o do custo energ tico reformula se o problema da seguinte forma Tem se como vari veis de decis o somente os a i j t fracion rios al m disso tem se que conhecer os valores de seus imediatos antecessores e sucessores no tempo quer sejam iguais a zero ou um para ter a possibilidade de manter se a bomba subsequente em um estado de ligado ou desligado A nova fun o objetivo de natureza quadr tica que visa minimizar o n mero de liga desligas e transformar os a i j t fracion rios iguais a 0 ou 1 dada por max fo k LE X Lj t ijt 1 16 Sendo LI subespa o das vari veis de decis o onde k t 1 1 ou x k I t 1 1 ou se
10. o Os dados s o amostrados um algoritmo de controle executado 34 internamente ao computador e o sinal de sa da aplicado ao processo A escolha do tipo de controle deve considerar a velocidade de comunica o dispon vel entre os agentes que por meio deste tipo de estrat gia pode tonar o controle cont nuo de malhas proibitivo na maioria dos sistemas de supervis o de redes de abastecimento de gua baseados em arquiteturas distribu das O tipo de controle digital aplic vel em sistemas de acionamento remoto orientados a processo descont nuos Tal tipo de controle em geral demanda um determinismo que tolera em at alguns segundos a atua o nos dispositivos Deve se no entanto considerar que interven es no sistema de supervis o tendem a desligar ainda que momentaneamente os algoritmos de controle que funcionam em sua base de dados A concentra o de muitas malhas de controle em um sistema central vem de encontro a proposta estabelecida pela arquitetura de controle de sistemas distribu dos que a de autonomia de funcionamento em caso de falha de um ou mais agentes do sistema de controle Os sistemas de supervis o gerenciam um determinado numero de objetos tamb m denominados TAGs que espelham o comportamento das vari veis de processo monitoradas e comandadas al m de vari veis auxiliares internas ao sistema de supervis o O numero de objetos gerenciados varia de acordo com o porte do sistema por m
11. o volume de informa es no controle e o n vel de gerenciamento bem maior devido as facilidades atribu das principalmente a comunica o digital entre os equipamentos Os sistemas de distribui o de gua necessitam obter todas as informa es pertinentes pois uma opera o complexa em que os operadores devem tomar decis es fundamentais gerar relat rios confi veis e fornecer dados operacionais para a ger ncia conforme demonstrado no cap tulo 5 sobre algoritmo de verifica o 64 5 1 1Conclus es do Estudo de Casos Na avalia o da utiliza o de diferentes modelos PL e PNL que geram solu es com valores fracion rios foi verificado que A programa o linear requer o menor tempo de processamento quando comparado a programa o n o linear e dispensa a atribui o de um valor inicial para as vari veis de itera o programa o linear mais eficiente que a n o linear j que a fun o objetivo linear A programa o n o linear e sens vel escolha dos valores iniciais das vari veis de decis o Na programa o n o linear o valor inicial atribu do s vari veis de decis o pode aumentar o tempo de processamento em mais de 100 vezes A lineariza o de fun es em problemas dessa categoria vi vel Vale ressaltar no entanto para uma poss vel aplica o de fun o multiobjectivo para problemas mal condicionados com vari veis discretas ou fun es de
12. Tokyo IEEE 2000 p 23 27 FILHO Mario Automa o no saneamento b sico diferentes necessidades para um mesmo objetivo Controle amp Instrumenta o S o Paulo n 61 2001 HOUAISS Dicion rio online Dispon vel em lt http houaiss uol com br gt Acesso em 06 mar 2008 KADAR BAMUDIM Pipeline network modeling and simulation for intelligent monitoring and control a case study of a municipal water supply system Ind Eng Chem Res v 37 p 1033 1044 2001 KLEMPOUS R KOTOWSKI J NIKODEN J ULASIEDWIEZ J Optimization algorithms of operative control in water distribution systems Journal v 8 n 2 p 149 172 1997 MACHADO E C M N SANTANA C W S BRASILEIRO E V GALVAO C BRASILEIRO F V Otimiza o da opera o de redes de adu o de gua utilizando algoritmos gen ticos In SIMP SIO BRASILEIRO DE RECURSOS H DRICOS 15 2005 Jo o Pessoa Anais Jo o Pessoa 2005 MASCARENHAS F J A infra estrutura no Brasil In CONSELHO DE INFRAESTRUTURA 2005 Bras lia Conselho Bras lia 2005 MELO BAPTISTA J MATOS M R O saneamento b sico em Portugal Lisboa LNEC 1995 S rie Gest o de Sistemas de Saneamento B sico v 1 MOLLENKAMP R A Controle autom tico de processos S o Paulo Ebras 1995 69 PIOVERSAN A 5 Instrumenta o inteligente a implementa o de malhas de controle no n vel dos instrumentos de processo 1993 Disserta o Mestrado
13. aplicada a metodologia envolvendo programa o linear com a finalidade de se obter uma solu o tima global Numa segunda etapa procura se via programa o quadr tica aproximar os valores fracion rios para n meros inteiros bin rios procurando se manter os custos obtidos na primeira etapa e satisfazendo as restri es f sicas e operacionais do sistema Opta se aqui por dividir o processo de otimiza o em duas etapas com intervalo de an lise hor rio para reduzir o n mero de acionamentos dos conjuntos motor bomba evitando futuros gastos com manuten o Na primeira etapa utiliza se a programa o linear considerando o intervalo de acionamento cont nuo assim garante se o timo global para os intervalos de tempo de acionamento das m quinas e o volume inicial timo 4 7 FUN O OBJETIVO A fun o objetivo relativa a minimiza o do custo de energia tem como base a tarifa hor ria de opera o Dessa forma representa se para um per odo de 24 horas o custo energ tico requerido pelo sistema o qual dado pela Equa o 10 Considerando a reabilita o de sistemas de distribui o de gua proposto por Cheung et al 2003 57 Observa se portanto que num processo de minimiza o dos custos com os gastos com energia os coeficientes dos primeiros segmentos da fun o vaz o versus n mero de conjuntos motor bomba ser o ativados primeiro ou seja buscar se a maior vaz o e portanto maior decliv
14. atuadores de uma ETA convencional com m todo tradicional de interliga o ponto a ponto Nota 41 se que sensores e atuadores est o interligados no CLP por meio de fia o ou seja com padr o de sinal 4 20 mA Figura 11 Exemplo de conex o do CLP com sensores e atuadores eo ANALISADORES DOSADORAS gt 1 Barramento de Campo fieldbus 42 3 METODOLOGIA DO ESTUDO 3 1 REFERENCIAIS DE DESCRI O O controle operacional que demanda hoje todos os dados de vaz o press o n vel de reservat rio e a opera o das elevat rias de gua bruta e tratada s o feitos precariamente Na maioria dos casos estes dados s o transmitidos atrav s de sistema de radio e anotados por um operador num boletim de opera o onde s mensalmente feito o c lculo do volume produzido ao sistema pelo n mero de horas de bombeamento e comparado com a macro medi o que nem sempre os resultados batem com os volumes macro medidos estes dois dados mostram a n o confiabilidade do sistema e a da pr pria macro medi o Com isto geram se informa es n o confi veis como os ndices de perdas f sicas no sistema de distribui o e outros gradientes hidr ulicos importantes n o opera o de adu o e distribui o do sistema de abastecimento de gua O desenvolvimento do modelo proposto visa produzir uma ferramenta til e pr tica que fornece subs dios de apoio a decis o para o delineamento de normas simp
15. de saneamento t m cada vez mais necessidade de melhorar seus resultados operacionais devido s novas exig ncias impostas pela sociedade civil e governamental Neste contexto a automa o surge como uma ferramenta poderosa na melhoria da gest o do saneamento pois al m de aumentar a qualidade do processo possibilita a coleta sistem tica integrada e hierarquizada dos dados necess rios Nesses termos a automa o dos sistemas de abastecimento de gua consiste basicamente em coletar concentrar e analisar as informa es do processo com o uso da tecnologia de informa o Baseados nos resultados obtidos os sistemas de automa o agem de forma aut noma monitorada sobre os estados e as grandezas do processo para obten o dos resultados desejados Mario Filho 2001 explica que o conceito de automa o em sistemas de abastecimento de gua assemelha se muito ao que acontece no setor el trico Da mesma forma que esse segmento pode ser dividido em gera o transmiss o e destrui o de energia o setor de saneamento envolve o tratamento da gua o transporte para os reservat rios e a distribui o aos consumidores Sistemas de automa o destinados supervis o de redes de abastecimento de gua caracterizam se pela necessidade de obten o e envio de informa es entre um ou mais centros de controle operacionais CCOs a esta es remotas situadas nos mais diversos lugares como por exemplo urbanos rurais espa os de ac
16. de decis o fracion ria obtida como solu o na 1 Etapa Assim inclui se na fun o objetivo para este problema a seguinte soma 62 maxfo a 1 1 8 a 1 1 9 a 1 1 14 a 1 1 15 a 1 1 18 a 1 1 19 a 1 1 21 17 1 1 21 1 2 5 1 2 7 dai j t aij t IparavijtO lt aijt lt 1 18 Observe que este tipo de programa o quadr tica tem um numero bem reduzido de vari veis de decis o e apresenta restri es lineares portanto espera se que o processo de converg ncia para um de v rios poss veis timo global seja bem r pido T m se como restri es operacionais e As limita es das vari veis de decis o a i j t O ou 1 Os balan os h dricos e capacidades operacionais dos componentes hidr ulicos que se mant m observe que os balan os h dricos v o ter que considerar como constantes as vaz es oriundas de conjuntos motor bomba considerados ligados na 1 Etapa Para se ter o mesmo n mero de horas ligado para cada sistema motor bomba em hor rio de ponta e fora de ponta tem se que incluir que a soma dos a i j t no hor rio de ponta e fora de ponta como sendo igual a soma de seus valores obtidos via PL Esta restri o manter o custo energ tico timo obtido na PL Se desejar que n o se tenha n mero fracion rio para funcionamento dos sistemas motor bomba basta aproximar a soma dos a i j t fracion rios para um n mero inteiro imediatamente superior e rela
17. existe um consenso com rela o a necessidade de otimiza o do gerenciamento desses objetos Se o n mero de vari veis supervisionadas e de opera es executadas pelo sistema de supervis o for muito grande a velocidade de processamento e o tempo de varredura podem vir a comprometer a supervis o das esta es remotas Deve se portanto em prol da operabilidade e da r pida interven o em caso de emerg ncias definir prioridades de leitura e atua o dos TAGs do sistema Para tanto os sistemas de supervis o disp em de op es em que se podem estabelecer para cada TAG ndices de prioridade que ser o levados em conta em caso de utiliza o em demais da capacidade de processamento do sistema Em geral os n veis mais altos de prioridade s o estabelecidos para TAGs cr ticos de alarme como detec o de vazamento de produtos qu micos n veis de extravas o de reservat rios press es muito altas ou muito baixas de adutoras 35 A atividade de configura o de um supervis rio compreende resumidamente duas etapas gt Definir cada vari vel de processo na base de dados gt Definir telas gr ficas A defini o de dados criada no modo de desenvolvimento m dulo do software de supervis o que permite ao desenvolvedor a configura o dos TAGs Os TAGs como descrito anteriormente espelham o comportamento das vari veis de processo monitoradas e comandadas num ricas ou alfanum ricas envolvidas na aplica o p
18. funcionando em paralelo na esta o elevat ria i Q j 0 0 C caracter stica da esta o elevat ria em rela o ao reservat rio igual a 1 se estiver enviando gua para o reservat rio 1 se estiver tirando gua e O zero se n o assumir nenhuma das caracter sticas j citadas nb i o n mero de conjuntos motor bomba da esta o elevat ria i nb 0 0 Assim as restri es do problema podem ser formuladas 1 Fra o do intervalo de funcionamento de cada conjunto motor bomba que caracteriza a vari vel de decis o do problema de otimiza o dada por Osx i j t lt 1 5 2 Capacidade minima e maxima dos reservat rios ou seja O volume armazenado nos reservat rios no instante t devem ser maiores que o 52 requerimento m nimo Vmin k adotados e menores que sua capacidade m xima Vmax k Vmin k sV k t sVmax k 6 3 O somat rio das vaz es bombeadas 2 Qentra r t para a Esta o de Tratamento de gua r no intervalo t deve ser menor do que a capacidade m xima de tratamento Qentra r t lt CETA 7 4 Volume de cada reservat rio k no in cio do dia Vinicial k igual ao do final do dia anterior i e V k 24 Vinicial k V k 24 8 5 A Equa o 4 respons vel pela discretiza o das vaz es transformando o comportamento n o linear em linear Por conseguinte tem se o aumento no n mero de restri es descritas pela Equa o 9 No funcionamento em para
19. intervalos de tempo definidos pelo usu rio Ao final da medi o tem se um registro gr fico da vaz o Fig 16 onde se pode obter a vaz o m dia e a varia o da mesma em torno deste valor Figura 16 Registro Gr fico no per odo de vaz o no per odo de um dia 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 3 00 6 00 9 00 12 00 15 00 18 00 21 00 Sab 26 Nov 2011 49 3 4 M TODOS CONT NUOS PARA AN LISE DE DESEMPENHO Na an lise de desempenho do sistema por m todos cont nuos para as vari veis de decis o foi aplicado as t cnicas de programa o linear PL n o linear PNL Na utiliza o das duas t cnicas foi utilizado o mesmo formalismo descrito no item seguinte 50 4PROPOSTA DE OTIMIZA O ENERG TICA EM MOTOBOMBAS DA ESTA O ELEVATORIA VIVI XAVIER 4 1 DESCRI O MATEM TICA A fun o objetivo assumida foi minimiza o do custo de energia tendo como base a tarifa hor ria de opera o Dessa forma representa se no per odo de 24 horas o custo do sistema por Z EE Lje Lea Xij 0 T 0 P i Sendo Z custo di rio de energia do sistema de abastecimento R ne o n mero de esta es elevat rias do sistema nb i n mero de conjuntos motor bomba da esta o elevat ria t intervalo de tempo ao longo de um dia 1 lt t 24 T t a tarifa de consumo R kWh no per odo de an lise t X i t o tempo h que indica o funcionamento do conjunto motor bomba j da es
20. os perfurados no aqu fero Guarani retiram gua a 900 metros de profundidade totalizando uma produ o di ria de 17 3 milh es de litros de gua o que representa 10 da produ o do munic pio de Londrina Atualmente o sistema eleva o e reserva o Vivi Xavier o nico que utiliza sistema de resfriamento como mostrado na Fig 13 pois a gua emerge a uma temperatura de 50 C do aqu fero Guarani sendo resfriada a uma temperatura de 27 C Figura 13 Torre de resfriamento de gua do sistema Vivi Xavier 3 E O sistema de bombeamento mostrado na Fig 14 conta com um conjunto motobomba redundante e outros dois de trabalho conforme a necessidade e nivel dos reservatorios 47 Figura 14 Conjunto motobombas da esta o elevat ria Vivi Xavier 3 3 MEDI ES DE VAZ ES NO SISTEMA A atividade de medi es de vaz o do sistema consiste em verificar instantaneamente em litros s a quantidade de gua que est sendo bombeada para os reservat rios estimando mais precisamente seu n vel o aparelho medidor de vaz o ultrass nico port til Fig 15 pode operar em uma ramifica o de medi o fazendo a leitura por meio da medi o da diferen a de tempo necess rio para que ondas sonoras se desloquementre transdutores montados a jusante e a montante 48 Figura 15 Medidor de vazao do um sistema de bombeamento O aparelho registra instantaneamente as medi es realizadas em
21. por empresas municipais aut nomas Cerca de 94 3 da popula o abastecida de gua A taxa de crescimento de novas liga es e de esgoto em 2002 foi de at 15 9 respectivamente O consumo per capita de gua no pa s varia entre 67 e 192 litros habitantes dia Os sistemas de abastecimento de gua tem por objetivo a presta o de um servi o p blico fundamental para a sa de e o bem estar das popula es que consiste em satisfazer as necessidades das comunidades em termos de fornecimento de gua No entanto o setor de saneamento no Brasil durante muitos anos teve uma baixa taxa de investimentos devido a problemas macroecon micos 16 que implicaram decis es de pol ticas governamentais que pouco privilegiaram este servi o Por esta raz o hoje esse setor sofre as consequ ncias desse baixo investimento o que se reflete no pequeno desenvolvimento tecnol gico dos sistemas de automa o cujo papel fundamental na gest o dos recursos de gua Nesse contexto de car ncia de investimentos de suma import ncia a propaga o de conhecimentos tecnol gicos e de boas pr ticas na gest o dos recursos de gua como as definidas por Baptista 1998 p 8 que podem ser resumidas na disponibilidade por parte da empresa de abastecimento de gua de recursos humanos tecnol gicos e financeiros suficientes e infraestrutura de capta o eleva o tratamento adu o armazenamento distribui o e qualidade Um estudo
22. um estudo de caso para comparar a atua o de opera o manual em previs o com um sistema de controle autom tico que visa melhorar a efici ncia energ tica O sistema de acionamento de bombas atualmente implementado no CCO de Londrina Camb realizado por um operador que tem experi ncia para determinar o n vel do reservat rio necess rio ou seja uma previs o de consumo a partir da realizado o abastecimento Com um algoritmo para previs o de demanda seria poss vel controlar melhor o tempo de acionamento dos conjuntos motobombas e a quantidade de vezes que estes s o acionados tanto no hor rio de ponta de consumo como no hor rio fora de ponta Este trabalho precisa ser testado em uma planta f sica para verificar a real funcionalidade da programa o linear e n o linear Espera contribuir para que a gua seja disponibilizada e utilizada de forma que minimize seus custosde produ o e distribui o Espera se ainda abrir novas frentes de pesquisa interdisciplinares na disciplina automa o dos sistemas de saneamento 67 REFERENCIAS ALPEROVITS E SHAMIR U Design of optimal water distribution systems Water Resources Research New York v 13 n 6 p 885 900 1977 ANATEL Manual de projetos t cnicos SITAR Disponivel em lt http www anatel gov br portal exibirportalredireciona do camilhorel Empresa amp cod igodocumento 60402 gt Acesso em 05 jan 2011 ANDERSON Y YONG B Studahl Waterborne campylo
23. LLURGICAL ENGINEERING ICCMME 2011 Hong Kong Conference Hong Kong 2011
24. MIA 31 2003 Porto Seguro Anais Porto Seguro 2003 CELESTE A B SUZUKI K KADOTA A An optimization mode for the operation of a water resource using quadratic programming annual journal of hydraulic engineering JSCE Japan v 4 p 373 378 2004 CERRI M L Enterprise resource planning um estudo sobre estrat gias de implanta o 2004 22 28 f Disserta o Mestrado EPUSP S o Paulo 2004 68 CHEUNG P B REIS L F R CORRIJO Multiobjective optimization to the rehabilitation of a water distribution network In PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTING AND CONTROL FOR THE WATER INDUSTRY 3 2003 Londres Conference sep 2003 p 318 328 CLINGENPEEL W H Optimizing pump operating cost Journal of American Water Works Association v 75 n 10 p 502 509 1963 COELHO M S LOBUE F S Apostila de sistemas digitais de controle Sao Paulo SENAI 2006 CORRIJO I B Otimiza o de redes de distribui o de gua com expans o aplica o cidade de Goi nia 2009 239 f Disserta o Mestrado Universidade de S o Paulo S o Carlos 2009 COULBECK B ORR C Real time optimized control of water distribution system Optimizing the resource for water management ASCE p 248 251 1990 EBATA Y Development of the Intranet based SCADA supervisory control and data acquisition system for power system In POWER ENGINEERING SOCIETY WINTER Tokyo 2000 Conference
25. OSI ES PARA ESTUDOS FUTUROS cccsscccceseceeeseeeceeceeseeceeseeceseaeeeeseeees 64 5 3 CONSIDERA ES FINAIS e e e CS Ca ate ad er ae ad 65 REFERENCIAS sir oc tect ced do a ese Geer 67 70 14 1 INTRODU O 1 1 JUSTIFICATIVA DO ESTUDO E PESQUISA Dentre os recursos naturais a gua e o ar s o os mais importantes por serem vitais para a humanidade Durante anos constituiu se um cen rio em que o recurso gua foi utilizado despreocupadamente por ser percebido como renov vel e abundante e portanto entendido como infind vel Com o crescimento demogr fico os agrupamentos urbanos tornaram se cada vez mais densos e com atividades que exigiam cada dia uma maior quantidade de gua Da crescente consci ncia sobre o car ter esgot vel dos recursos h dricos infere se a necessidade de gest o eficiente e efetiva destes bens que se j era evidente torna se nos dias atuais imperativa Foram criados os rg os de controle ambiental como por exemplo IAP Instituto Ambiental do Paran ag ncias e SINAS para normatizar o uso e prevenir n veis de polui o que viesse a comprometer a sobreviv ncia do ser humano em gera es futuras Neste contexto a automa o dos procedimen
26. S Terceira gera o de padr es e tecnologias de telefonia m vel Amperagem Algoritmo Gen tico Amplitude modulada Ag ncia Nacional de Telecomunica es AsynchonousTransferMode Modo de transfer ncia ass ncrono Centro de Controle de Motores Centro de Controle Operacional Controlador L gico Program vel Cavalo Vapor Digital DirectControl Controle digital direto Esta o Elevat ria de gua Esta o Elevat ria de gua Bruta Aplicativo Computacional modelo de simula o Sistema Integrado de Gest o Empresarial Esta o de Tratamento de gua Frequ ncia Modulada Fora de Ponta C digo de OtimizagaoNao linear kilo Volt Amper Kilo Volt Kilo Watt Kilo Watt Hora Metro de Coluna d gua Posto de Clora o Potencial Hidrogenionico Controle Proporcional Integral e Derivativo Programa o Linear Programa o linear Inteira Programa o N o Linear Programa o Quadr tica Programa Nacional de Conserva o de Energia El trica rpm SABESP SANEAR SANEPAR SCADA TAG Rotagao Por Minuto Companhia de Saneamento Basico do Estado de Sao Paulo Efici ncia Energ tica no Saneamento Ambiental Companhia de Saneamento B sico do Paran Supervis rio de Controle de Aquisi o de Dados Sigla referente a codifica o Tens o El trica Volts SUMARIO INTRODU O tod fond fot dot fe tot Sot fot Sond teint tt 14 1 1 JUSTIFICATIVA DO ESTUDO E PESQUISA cite hceucses
27. S ENVOLVIDOS NO CONTROLE DE SISTEMAS DISTRIBU DOS De acordo com a defini o do dicion rio eletr nico Houaiss 2008 um processo uma sequ ncia cont nua de fatos ou opera es que apresentam certa unidade ou que se reproduzem com certa regularidade Atualmente estima se que a vasta maioria dos sistemas de controle de processos cont nuos implementa uma estrat gia tipo PID Proporcional Integral Derivativa para controle de suas malhas Esta larga utiliza o se deve ao fato de que o controle baseado no algoritmo PID conduz a solu es bastante satisfat rias a maioria dos sistemas incluindo os de abastecimento de gua Quatro importantes opera es b sicas devem estar presentes em todos os sistemas de controle gt Medi o a medida da vari vel controlada e ou de dist rbio usualmente feita por combina o de sensores e transmissores gt Compara o opera o que compara o valor da vari vel controlada e ou de dist rbio com um valor espec fico que deve orientar a tomada de decis o do sistema de controle 25 gt Computa o opera o baseada na medi o e na compara o que possibilita ao controlador decidir o que fazer para manter a vari vel em um valor desejado gt Corre o resultado da decis o do controlador o sistema submetido a uma a o normalmente executada pelo elemento final de controle Estas opera es s o ilustradas no diagrama de fluxo da Fig 3 que
28. Universidade Estadual de Londrina ANDERSON WILLIAM SIMOES BORGES ESTUDO E PROPOSTA PARA AUTOMA O DE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA Londrina 2011 ANDERSON WILLIAM SIMOES BORGES ESTUDO E PROPOSTA PARA AUTOMA O DE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA Disserta o apresentada ao Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Universidade Estadual de Londrina para obten o do T tulo de Mestre em Engenharia El trica Orientador Prof Dr Marcio Roberto Covacic Londrina 2011 Cataloga o elaborada pela Divis o de Processos T cnicos da Biblioteca Central da Universidade Estadual de Londrina Dados Internacionais de Cataloga o na Publica o CIP B732e Borges Anderson William Sim es Estudo e proposta para automa o de sistemas de abastecimento de gua Anderson William Sim es Borges Londrina 2011 71 f il Orientador M rcio Roberto Covacic Disserta o Mestrado em Engenharia El trica Universidade Estadual de Londrina Centro de Tecnologia e Urbanismo Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica 2011 Inclui bibliografia 1 Abastecimento de gua Teses 2 Abastecimento de gua nas cidades An lise energ tica Teses 3 gua Uso Teses 4 Saneamento Automa o Teses Covacic M rcio Roberto Il Universidade Estadual de Londrina Centro de Tecnologia e Urbanismo Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica
29. a SCADA Bombeamentol Controle Bombeamento Capta o de gua bruta Ido processolde gua tratadal Os sistemas de supervis o de processos industriais coletam dados do processo por meio de esta es remotas e formatam estes dados e os apresentam ao operador em uma multiplicidade de formas O objetivo principal dos sistemas de supervis o o de propiciar uma interface de alto n vel ao operador informando o em tempo real sobre todos os eventos de import ncia do sistema Os sistemas de supervis o oferecem no m nimo tr s fun es b sicas gt Fun es de monitoramento incluem todas as fun es de visualiza o do processo como sin ticos animados gr ficos de tend ncia de vari veis anal gicas e digitais relat rios em v deo e impressos etc gt Fun es de opera o incluem ligar e desligar dispositivos parametriza o e opera o de malhas PID mudan a do modo de opera o de equipamento etc gt Fun es de controle executadas por meio do tipo de controle DDC Digital Direct Control ou Controle Digital Direto inerente aos sistemas de supervis o que por meio de uma linguagem que permite definir diretamente a es sem depender de um n vel intermedi rio de controle localizado em esta es remotas inteligentes atua diretamente no processo Todas as opera es de entrada e sa da s o executadas diretamente atrav s de cart es que s o comandados pelo sistema de supervis
30. a a atuar na corre o antes de oscila es na vari vel principal ocorram Para tanto adota se uma estrat gia h brida de controle onde vari veis de dist rbio s o utilizadas para antecipar uma corre o Este tipo de estrat gia caracteriza se por ser um hibrido entre o controle realimentado e o antecipat rio e tem seu uso por exemplo em sistemas de dosagem de produtos qu micos em marcha em que a vaz o de adu o vai diretamente para consumo ap s a dosagem de produtos como cloro e fl or Pode se descrever um algoritmo PID e as estrat gias que ele possibilita independentemente do dispositivo que o executa Um sistema supervis rio moderno capaz de comandar dezenas de malhas de controle que s o implementadas em um n vel inferior de controle por meio dos agentes de controle definidos Controladores L gicos Program veis CLPs e controladores industriais de uso dedicado do tipo single loop capazes de controlar uma nica malha de controle e multi loop capazes de controlar mais de uma malha de controle Os par metros de configura o do algoritmo PID s o enviados para a memoria do controlador de campo nivel inferior de controle por meio de agentes de comunica o do sistema O operador pode ent o realizar a sintonia da malha durante a sua partida ou durante a parada de subsistemas guiado por uma tela de tend ncia que mostra os valores das vari veis Importante ressaltar a necessidade de redund ncia dos dispositivos
31. a de energia el trica do Parana COPEL Assim fornecer subs dios para sua implanta o em regi es em que os sistemas n o foram ainda objeto de automatiza o ou redu o do consumo de energia el trica 1 3 DIVISAO DO TRABALHO Com inten o de delinear uma proposta de automa o para sistemas de abastecimento de gua o trabalho est estruturado em torno dos aspectos indicados a seguir Primeiramente estabelece se a conceitua o b sica por meio da descri o dos sistemas de abastecimento de gua e da estrutura que constitui estes sistemas Esta conceitua o seguida pela descri o b sica do que s o sistemas automatizados em especial os de arquitetura distribu da que constituem o enfoque principal neste trabalho Estabelecidas as bases conceituais define se a metodologia de obten o an lise e interpreta o dos dados que subsidiaram a proposta de efici ncia energ tica apresentado O sistema de abastecimento de gua consome entre torno de tr s por cento da energia do mundo utilizando a no bombeamento e tratamento de gua para resid ncias urbanas e industriais USEPA 1998 A Eletrobr s preocupada com os custos de eletricidade no setor desaneamento b sico est investindo na redu o do consumo de energia emparceria com a Secretaria de Saneamento Ambiental SNSA do Minist rio das Cidades Efici nciaEnerg tica no Saneamento Ambiental PROCEL SANEAR Espera reduzir em 10 o gasto de energia
32. a enchimento dos reservat rios Este era baseado no histograma previsto de demanda dos consumidores O algoritmo garantia o atendimento da demanda e aminimiza o dos custos de energia considerando a varia o dos pre os de energia el trica A metodologia de otimiza o proposta leva em considera o uma fun o objetivo que representada numa primeira etapa pelos custos energ ticos de bombeamento de acordo com o sistema tarif rio em vigor ou seja a minimiza o de custos operacionais decorrentes do consumo de energia el trica e numa segunda etapa os custos com manuten o representados pelo n mero de liga desligas dos conjuntos motor bomba s o minimizados nas esta es de bombeamento Associadas a busca pela minimiza o de custos existe requerimento de satisfazer as restri es t cnicas operacionais e entre elas se destaca os modelos de simula o hidr ulica Os modelos de simula o de redes de distribui o de gua consistem basicamente do equacionamento das vaz es nos trechos de uma rede e das cargas hidr ulicas nos n s entre trechos consecutivos A simula o hidr ulica avalia as respostas do sistema em termos das suas vari veis de estado press o vaz o e n veis nos reservat rios face as diversas conjunturas operacionais portanto uma ferramenta essencial avalia o dos objetivos estabelecidos A solu o obtida por an lises sucessivas com altera es impostas pelos usu rios
33. ala com o m todo de ponto interior primal dual e o de m dia escala que utiliza o m todo Simplex Ainda a escolha do modulo autom tica atrav s do algoritmo predictor corrector 54 A aplica o n o linear utiliza a rotina fmincon do MATLAB que tamb m possui dois m dulos o de larga escala com o m todo de Newton e o m dulo de m dia escala que utiliza o m todo de programa o quadr tica sequencial 4 3 M TODOS DISCRETOS PARA AN LISE DE DESEMPENHO Na an lise de desempenho do sistema por m todos discretos para as vari veis de decis o foi aplicados as t cnicas via Simula o com uma regra padr o SP e um m todo dividido em duas etapas com t cnica de programa o linear PL e linear inteira PLI 4 4 PROGRAMA O LINEAR E LINEAR INTEIRA Opta se aqui por dividir o processo de otimiza o em duas etapas com intervalo de an lise hor rio para reduzir o n mero de acionamento dos conjuntos motor bomba evitando futuros gastos com manuten o Na primeira etapa utiliza se a programa o linear considerando o intervalo de acionamento cont nuo assim garante se o timo global para os intervalos de tempo de acionamento das m quinas e o volume inicial timo A descri o matem tica estabelecida pelas Equa es de 4 a 9 A segunda etapa ter como meta atingir no m nimo o volume timo determinado na primeira etapa mas com as bombas funcionando durante todo o per odo de tempo defini
34. at ria Observa se nessa tabela que a soma dos valores fracion rios do sistema motor bomba j 1 no per odo fora de ponta igual a 1 6 horas a i j 8 0 3 a i 9 0 2 a i 14 0 4 e a i j 15 0 5 A soma dos valores fracion rios do sistema motor bomba j 2 no per odo considerado como fora de ponta igual a 3 6 horas a ij 1 0 2 a ij 2 0 3 a ij 4 0 3 a ij 5 0 5 a ij 7 0 4 a i j 10 0 3 a i j 11 0 5 a i j 12 0 6 a i j 13 0 1 a i j 24 0 4 A soma dos valores fracionarios do sistema motor bomba j 1 no hor rio de ponta igual a 0 9 horas a i j 18 0 4 a i j 19 0 5 a i j 21 0 2 Com isso para manter o custo de energia el trica obtido na primeira fase se faz necess rio impor as seguintes restri es ao problema nesta segunda fase a ij 8 a i j 9 a ij 14 a i j 15 lt 1 6 para i l e j 1 a ij 1 a i j 2 a i j 4 a i j 5 a i j 7 a i j 10 a 1 j 11 a i j 12 a i j 13 a i j 24 lt 3 6 para i l e 52 a ij 18 a i j 19 a i j 21 lt 0 9 para 1 e j 1 Resultado da primeira etapa de funcionamento de 2 conjuntos motor bomba para um problema qualquer 61 Tabela 2 Resultado do funcionamento de bombeamento fora de ponta Elevat ria Bomba Tempo de Funcionamento minutos 1 21914 5 1617 8 9 10 11 12 Fora de Ponta 1 1 1 1 1 1 1 0 3 0 2 1 1 1 1 2 0 2 0 3 0 0 3 0 5 1 10410 10 0 3 0 5 0 6 Resultado da primeira e
35. bacter in sweden the cost of an outbreak Wat Sci Tech GreatBritain v 35 n 11 14 1997 ANDRADE A A Emprego de sistemas especialistas em sistemas supervisorios de automa o industrial 2001 Disserta o Mestrado EPUSP S o Paulo 2001 BAO Y MAYS L W Model for water distribution system reliability Journal of Hydraulic Engineering v 116 n 9 p 1119 1137 2000 BAPTISTA J M Como melhorar a qualidade em sistemas de abastecimento de agua In CONGRESSO DA AGUA 4 1998 Lisboa Anais eletr nicos 1998 Disponivel em lt www aprh pt congressoagua98 gt Acesso em 11 de jan 2011 BARBOSA J Simula o da opera o de bombas em sistemas de abastecimento de agua 2009 110 f Dissertagao Mestrado Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande 2009 BERGE J Fieldbuses for process controle engineering operation maintenance Carolina do Norte The Instrumentatation Systems and Automation Society 1998 BRAND O B L J Modelo para opera o de sistema de reservat rio com usos m ltiplos 2003 Tese Doutorado EPUSP S o Paulo 2003 BRION L MAYS L W Methodology for optimal operation of pumping stations in water distribution systems journal of hydraulic engineering ASCE New York v 117 n 11 p 1551 1569 1991 CARMO C M TAVORA JR J L Avalia o da efici ncia t cnica das empresas de saneamento brasileira utilizando a metologia DEA In ENCONTRO NACIONAL DE ECONO
36. caeieevirentdecieeetitadts OG dade 14 V2 OBIETIVOS eai eae AD DIONE 16 TES DIVIS O DO TRABALHO ysacgsc hacer 17 2 ESTUDO DOS SISTEMAS ABASTECIMENTO 18 2 1 AN LISE DOS SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE 18 2 2 A AUTOMA O E A GEST O DO USO DA GUA 20 2 3 SISTEMAS DISTRIBU DOS DE AUTOMA O E 21 2 4SISTEMAS GEOGRAFICAMENTE DESCENTRALIZADOS E DE ARQUITETURA DISTRIBU DA E A E Gdendeavddevddavddes Gecedverdccedsevder vddevdereddevdeacdsovdeste 22 2 5 CONCEITOS B SICOS ENVOLVIDOS NO CONTROLE DE SISTEMAS DISTRIBU DOS 24 2 6 CONCEITOS B SICOS ENVOLVIDOS NA COMUNICA O DE SISTEMAS 28 2 7CONCEITOS BASICOS ENVOLVIDOS NA SUPERVIS O DE SISTEMAS DISTRIBUIDOS T ita DR Ud Si E outed 32 2 8CONCEITOS B SICOS DE ACIONAMENTO E CONTROLE DE MOTOBOMBAS 39 3 METODOLOGIA DO ESTUDO 42 3 1 REFERENCIAIS DE DESCRIGAO 02cccccsecccesecccneceneneeeeenecceanecccanececaneeeeaseeeeaeeees 42 3 2 OTIMIZA O DA OPERA O DAS ESTA ES 44 3 3 MEDI ES DE VAZ ES NO 5 51
37. ciados de acesso para operadores de sistemas engenheiros de processo e engenheiros de desenvolvimento cada qual com privil gios diferenciados no sistema de controle caracterizados por meio de senhas ou identifica o biom trica 2 4 SISTEMAS GEOGRAFICAMENTE DESCENTRALIZADOS E DE ARQUITETURA DISTRIBU DA Algumas abordagens de arquiteturas distribu das s o descritas na literatura cient fica em v rias reas de aplica o Dentre os modelos de sistemas de automa o e controle que fazem uso dessa arquitetura destacam se mais fortemente os baseados e Sistemas Digitais de Controle Distribu do SDCDs ou nos SCADA O primeiro modelo vem ao encontro de sistemas de controle concentrados geograficamente como os encontrados em plantas industriais de produ o J o segundo vem ao encontro de sistemas que possuem suas unidades geograficamente descentralizadas ou seja distribu das em bairros ou cidades como o caso dos sistemas de abastecimento de gua A maioria das aplica es SCADA usa a tecnologia de agentes que como proposto por Ebata 2000 fazem uso de intranets definidas no dicion rio eletr nico Houaiss 2008 como redes locais de computadores circunscritas aos limites internos de uma institui o nas quais s o utilizados os mesmos programas e protocolos de comunica o empregados na internet que s o utilizadas como plataformas de comunica o para estes sistemas Sua argumenta o principal baseia se no desempe
38. de para hor rio de para hor rio ponta ponta gt 2 horas deponta lt 2 horas 1 Ter o Enchendo Mant m a Liga se uma Mant m programa o bomba aprograma o Esvaziando Liga se uma Liga se uma bomba bomba 2 Ter o Enchendo Mant m a Desliga se uma Esvaziando programa o bomba 3 Ter o Enchendo Desliga se uma Desliga se uma bomba bomba Esvaziando Mant ma Mant m a programa o programa o Escolhe se a bomba que est a mais tempo inativa Escolhe se a bomba de maior vaz o 56 4 6 MODELO DE OTIMIZA O PARA REDUZIR O NUMERO DE ACIONAMENTO DOS CONJUNTOS VIA PROGRAMA O LINEAR E PROGRAMA O QUADRATICA Com o aumento da demanda e crescente limita o na oferta de energia o objetivo deste trabalho o de minimizar os custos com energia el trica no uso principalmente em sistemas de abastecimento de gua Apresenta se um modelo de otimiza o do n mero de acionamento dos conjuntos motor bomba utilizados geralmente em sistemas elevat rios evitando futuros gastos com manuten o A demanda principal do sistema de abastecimento vem de Reservat rios de Distribui o O desenvolvimento da metodologia final que venha a ser aplicada neste modelo de otimiza o venha ter um baixo requerimento de tempo computacional para se obter uma solu o que seja pr ximo do timo global que geraria valores fracion rios Dentro deste contexto numa primeira etapa
39. do Assim a programa o linear inteira aplicada Na segunda etapa a fun o objetivo Z E Dyer Etta amp 0 T D PGA 10 Sendo a i j t um n mero bin rio 0 ou 1 que indica se o conjunto motor bomba j da esta o elevat ria i est ligado 1 ou n o 0 durante o intervalo de tempo t assim o acionamento cont nuo Al m da Equa o 7 da capacidade da ETA t m se as restri es na segunda etapa dadas por 55 10O volume armazenado nos reservat rios no instante t devem ser maiores que o requerimento timo determinado na primeira etapa Voti k e menores que sua capacidade m xima Vmax ky 2 No funcionamento em paralelo dos conjuntos motor bomba que o conjunto seguinte s pode ser acionado depois do anterior em uma mesma adutora a i j t lt a i 1 t 4 5 SIMULA O COM REGRA PADR O Para tentar reproduzir o procedimento operacional normalmente adotado em sistemas de abastecimento de gua um conjunto de regras foi definido por Machado et al 2005 e Barbosa 2001 cujo fundamento b sico bombear o m ximo poss vel nos per odos fora de ponta mantendo um n vel m nimo ou m ximo do reservat rio de distribui o e sem desperd cios de gua e energia As regras de opera o s o detalhadas na Tabela Tabela 1 Bombeamento em per odos de ponta e fora de ponta N vel do tanque receptor Tempo que falta Tempo que falta Hor rio
40. dos conjuntos motor bomba do sistema principal de abastecimento de gua comparados com a opera o manual Numa primeira an lise de desempenho fez se uso de programa o linear PL e n o linear PNL onde foi considerado que as vari veis de decis o pudessem assumir valores fracion rios Por fim s o descritas algumas destas solu es aqui denominadas referenciais de an lise com o objetivo de delinear um modelo de automa o para sistemas de abastecimento de gua que possa oferecer subs dios para o desenvolvimento destes sistemas em regi es que est o a um n vel muito baixo de automa o com foco em efici ncia energ tica Palavras chave Sistemas SCADA Tecnologias de automa o Supervis o de sistemas de abastecimento de gua Programa o linear PL N o linear PNL Efici ncia energ tica BORGES Anderson William Sim es Study andproposal for automation systems water supply 2009 2011 71 f Dissertation Maste s in Electrical Engineering Universidade Estadual de Londrina Londrina 2010 ABSTRACT There are many reasons for conducting research involving the basic sanitation sector in Brazil Among these reasons are some very peculiar features related to this industry features ranging from its design and form of organization to its operation This paper offers a practical view on the application of automation technologies in water supply systems and aims to expose a set of feasible solutions focused on aut
41. duas etapas na primeira etapa resolve via programa o linear assumindo 45 que as vari veis de decis o podem assumir valores fracionarios e minimizando os custos operacionais e na segunda etapa resolve via programa o quadr tica minimizando o n mero de opera es liga desliga ao mesmo tempo em que procura converter valores fracion rios de tempo em valores inteiros Nesta segunda etapa reduz se naturalmente o n mero de vari veis fracion rias e tem se como fun o objetivo uma fun o quadr tica que apresenta um bom desempenho computacional Clingenpeel 1963 afirma que mais de 50 dos custos anuais das empresas de saneamento s o com energia el trica nos quais 95 do or amento de energia el trica pode ser associado com os custos de bombeamento Considerando condi es ideais de recebimento de gua por parte da esta o de tratamento de gua a Fig 12 mostra a esta o elevat ria de gua Vivi Xavier que tem a fun o de atender a demanda da zona norte de Londrina para o abastecimento de dois tipos de reservat rios Reservat rio Elevado com capacidade de 2 000 000 de litros a partir de motobombas de recalque de gua Reservat rio Apoiado com capacidade de 5 000 000 de litros abastecido e esvaziado com motobombas auxiliando na vaz o e equil brio de press o para os consumidores finais Figura 12 Esta o Elevat ria de Vivi Xavier Londrina PR 46 De acordo com a Sanepar os po
42. e o estudo pr vio o anteprojeto e o projeto de execu o Aprovado o projeto efetiva se ent o a constru o do sistema a que se segue a sua explora o compreendendo sua opera o e manuten o permitindo coloc lo ao servi o dos consumidores e com uma dura o prevista t o longa quanto poss vel da ordem das muitas d cadas Se n o houver nenhuma interven o o envelhecimento natural e inevit vel do sistema e ou eventualmente o envelhecimento acelerado resultante de planejamento projeto constru o ou explora o inadequados tender gradualmente a dificultar e mesmo a impossibilitar o cumprimento dos seus objetivos de uma forma t cnico economicamente aceit vel conduzindo ao fim do ciclo de vida do sistema no entanto poss vel recorrer reabilita o de toda a infraestrutura com o objetivo de melhorar o seu desempenho por meio da altera o da sua condi o f sica e ou da sua especifica o t cnica Essa fase corresponde na pr tica ao retorno as fases de projeto e constru o do sistema permitindo mant lo 20 em explora o por um per odo de tempo significativamente maior Este processo envolve a constante atualiza o tecnol gica dos sistemas de automa o e considera es sobre modifica es nas tecnologias utilizadas na gest o dos cada vez mais preciosos e escassos recursos de gua 2 2 A AUTOMA O E A GEST O DO USO DA GUA Como exposto por Carmo e T vora 2003 as empresas
43. e a garantir as press es necess rias nos pontos de consumo 19 O sistema de tratamento tem por fun o conferir gua caracter sticas f sicas qu micas e bacteriol gicas compat veis com as exig ncias da legisla o atual O sistema de adu o tem por fun o transportar a gua para as zonas de consumo por vezes muito afastadas do local de capta o O sistema de armazenamento tem por fun o acumular a gua por per odos vari veis em locais especialmente destinados a isso seja para regulariza o dos mananciais seja para garantir reservas de inc ndio e de avaria O sistema de distribui o p blica tem por fun o fazer a distribui o na regi o a abastecer garantindo que diversos pontos de consumo recebam a gua com press es convenientes O ciclo de vida dos sistemas de abastecimento de gua composto por diversas fases algumas das quais constituem aquilo que pode ser designado por vida til do sistema Nesse sentido o in cio do ciclo de vida corresponde ao planejamento do sistema fase em que ele imaginado em termos gerais tendo em conta o contexto f sico em que ele ir se inserir e os objetivos que se pretende alcan ar Melo Baptista 1995 afirma que ap s o planejamento segue se a fase de elabora o do projeto em que se detalha e especifica o sistema idealizado Ele constitu do por diversas etapas compreendendo de acordo com a legisla o atual o programa preliminar o programa bas
44. elas do processo que permitem a visualiza o sint tica do funcionamento de uma planta industrial Estas telas gr ficas fornecem uma representa o geral do sistema em substitui o aos pain is sin ticos tradicionais Cada sin tico representa uma rea do sistema de abastecimento de 36 agua em certo nivel de detalhe Para se obter uma vis o mais detalhada de uma determinada rea pode se recorrer a um novo sin tico a um sin tico de hierarquia inferior sub sin tico ou a uma vis o de uma outra camada do mesmo sin tico sistema multilayer Para alguns tipos de processo recomenda se o uso de um sin tico tipo plano infinito que traz a representa o global de um sistema distribu do geograficamente tal como uma rede de adutoras um sistema de controle de tr fego de uma cidade um sistema de controle de subesta es de energia etc Esta t cnica denominada full graphics e requer um poder computacional relativamente elevado No m dulo de desenvolvimento gr fico o desenho formado livremente pela combina o de entidades geogr ficas fundamentais como retas ret ngulos elipses e c rculos textos e figuras bitmapeadas e vetoradas arcos etc Os s mbolos definidos s o armazenados numa biblioteca Se a representa o armazenada corresponde a descri o das entidades geom tricas temos uma biblioteca orientada a geometria Se o s mbolo armazenado corresponde a uma configura o fixa de bits mapa de bi
45. ento dos lucros e a diminui o de perdas Paralelamente aos pontos positivos da automa o de sistemas a automa o industrial implica tamb m elevados investimentos iniciais e custos de manuten o mais altos pois depende de m o de obra altamente qualificada Em geral esses inconvenientes s o compensados pela garantia de qualidade da produ o que dessa forma torna se mais homog nea monitorada pelo estabelecimento de padr es mais r gidos a serem atingidos De acordo com Coelho e Lobue 2006 p 12 desenvolvimento do controle industrial tem sido fortemente influenciado pela tecnologia dos dispositivos micropocessados que possibilitaram tornar o controle dos processos industriais totalmente distribu dos Mesmo antes da revolu o da eletr nica o controle autom tico de processos cont nuos j era orientado a um modelo de arquitetura distribu da Esta arquitetura no entanto n o era integrada como resultados disso os componentes do sistema de automa o funcionavam de forma desorganizada por meio de um conjunto de malhas de controle independentes 22 As primeiras aplica es do computador no controle de processos foram for osamente centralizadas devido ao alto custo desse equipamento na poca A tend ncia encontrada atualmente a da integra o de todo ou grande parte do sistema permitindo um controle hierarquizado por meio da introdu o do conceito de n veis de acesso que implica modos diferen
46. ervis o o operador deve identificar se no computador entrando com seu nome e senha e a partir da toda opera o executada naquela esta o passa a ser de sua responsabilidade Ao projetar uma interface homem maquina o desenvolvedor deve levar em conta a necessidade de gt Diminuir a chance de erro do operador principalmente nos momentos de maior demanda operacional que coincide com o aumento do stress f sico e mental Por isso necess rio que as entidades de processo sejam representadas de forma nica e consistente independentemente do tipo de equipamento fisicamente presente no processo A presen a de instrumentos e equipamentos que embora exer am a mesma fun o mas tenham interface e parametriza o local diferente muito comum em sistemas extensos e expans veis como os de redes de abastecimento de gua urbano Esta representa o poss vel por meio de instrumenta o virtual em que os instrumentos representados na esta o de opera o independem de marca modelo ou parametriza o f sica dos instrumentos instalados no processo gt Evitar as situa es de monotonia que levam a desconcentra o do operador sin ticos pouco representativos do processo e sem atra es de anima o ou com muitos dados tubulares levam a um cansa o natural Muitos elementos piscantes na tela tamb m trazem cansa o O ideal que ocorra um equil brio das interfaces com cores predominantemente neutras para os eleme
47. esso restrito zonas costeiras e portu rias espa os subterr neos ou de topografia elevada As tecnologias utilizadas nos sistemas de automa o destinados a supervis o de redes de abastecimento de gua adequam se diversidade de contexto das localidades a que elas devem atender Toda esta diversidade de tecnologias encontra em sistemas distribu dos de automa o e controle definidos 21 por Coelho e Lobue 2006 p 48 como sistemas de arquitetura computacional aut noma independente e hierarquicamente integrada como os de Controle Supervis rio e Aquisi o de Dados SCADA a possibilidade de ser integrada em uma nica arquitetura de sistema caracterizada principalmente pela sua abertura e ampla capacidade de expans o A integra o das informa es de processo constitui segundo Cerri 2004 a base para o estabelecimento de um sistema Integrado de Gest o Empresarial ERP que possibilite o gerenciamento e a disponibiliza o racional da grande quantidade de dados envolvidos na supervis o dos sistemas de abastecimento de gua 2 3 SISTEMAS DISTRIBU DOS DE AUTOMA O E CONTROLE Segundo Pereira 1995 apud SOUZA 2006 p 28 A automa o possibilita a coleta metrol gica e precisa de dados que podem ser empregados para se obter a otimiza o do processo Nesse sentido os sistemas de automa o possibilitam portanto a redu o do custo de todo o sistema produtivo com o consequente aum
48. genharia El trica do Centro de Tecnologia e Urbanismo da Universidade Estadual de Londrina Foi necess rio realizar uma ampla pesquisa sobre os atuais sistemas tecnol gicos incluindo instrumenta o de campo interface de comunica o protocolos e sistemas de redes para automa o supervis rios SCADA softwares de simula o como EPANET Foi realizada a compara o de protocolos propriet rios assim como protocolos abertos e redes Desta an lise foi constado que poss vel utilizar com seguran a nos sistemas de gest o e controle do abastecimento de gua softwares aberto com n veis de seguran a diferenciado e utiliza o de linhas privativas integrados com os demais n veis de automa o A partir do estudo dos sistemas de abastecimento de gua foi elaborada uma proposta para padroniza o de futuras instala es seguindo as 66 normas da SANEPAR Companhia de Saneamento Basico do Parana que vem de encontro com os recentes an ncios que a empresa deve aumentar sua atua o junto aos munic pios para que possam administrar os SAAE Servi o Aut nomo de Agua e Esgoto A constata o que muitas empresas de saneamento operam o tratamento e distribui o de gua com automa o parcial ou at mesmo de forma manual dificultando a gest o eficiente e rigorosa impactando diretamente no custo final para o consumidor Referente a otimiza o do uso de energia el trica foi realizado uma compara o e elaborado
49. idade da reta numa programa o linear pelo menor custo Quando o custo de energia a mesma para todos os motor bomba quer estejam ligados isoladamente ou em paralelo com outros a fun o objetivo 1 pode n o vir a funcionar ou seja n o consegue distinguir qual deles deve ser ligado primeiro Como os coeficientes da fun o objetivo s o iguais apenas custos energ ticos para conjuntos motor bomba de uma mesma elevat ria esta situa o tamb m exige que se inclua entre as restri es a condi o que a i j t 2 a i j 1 t ou seja s ligar o motor bomba j 1 quando o motor bomba j estiver ligado Para for ar a escolha dos que produzem maior vaz o como sendo os primeiros a serem ligados deve se dar prefer ncia queles cujo custo por unidade de vaz o seja menor pode tamb m ser conseguido via a atribui o de um peso ou seja 1 T t P iLs es re 14 minZ gt gt 24 x i j 0 p AQ L J 11 Sendo j 1 j 1 w o valor constante peso ex 10 atribu do escolha do j zimo motorbomba AQ i j acr scimo de vaz o da coloca o do j zimo conjunto motorbomba em paralelo na esta o elevat ria TIL P t AQL custo de energia por unidade de vaz o do j zimo conjunto motorbomba em paralelo na esta o elevat ria no instante t 4 8 Os MODELOS DE OTIMIZA O UTILIZADOS 1 Etapa Levando em considera o as pondera es sob
50. indo de um mapa geral do sistema focalizando a cada clique uma determinada regi o do mapa em um plano mais detalhado da regi o desejada gt A padroniza o das telas deve considerar a usabilidade intuitiva do sistema Para tanto imprescind vel que a equipe de opera o participe do desenvolvimento das telas do sistema de abastecimento de gua pios os operadores s o os usu rios ativos deste sistema gt A padroniza o da nomenclatura dos dispositivos e de seus status deve obedecer a codifica es normalizadas de forma que a uma representa o por meio de sin tico seja a mesma encontrada no campo pela equipe de opera o ou manuten o local gt O sistema de alarmes deve ser idealizado a partir de um conceito de hierarquia de forma que os mais cr ticos possam ser visualizados mesmo que o operador esteja em outra tela do sistema O deslocamento imediato para a tela que apresenta o alarme deve ser viabilizado por meio de bot es e acesso r pido ou de teclas de atalho gt Os sistemas de atua o que envolva consequ ncias irrevers veis ou de grade impacto devem contar com bot es ou sequencias de confirma o que fa am o operador refletir sobre a execu o de determinadas a es como por exemplo a decis o sobre o 38 fechamento de v lvulas de adutoras que se encontrem pressurizadas gt Todo o nivel de opera o deve ser hierarquizado isso significa que ao apresentar se no posto de sup
51. ir de um conjunto ordenado de s mbolos em que a fonte seja ela uma esta o remota ou o sistema de supervis o selecionada para compor uma informa o Todos os sistemas de comunica o independente da natureza da informa o transmitida ou dos sinais utilizados podem ser analisados segundo o modelo da Fig 7 30 Figura 7 Modelo de um sistema de comunica o Mensagem Sinal Sinal Mensagem Transmitido Recebido Recuperada Ruido Fonte de Ruido Neste modelo podem se identificar os seguintes componentes gt A fonte que geralmente n o disp e de potencia suficiente para cobrir as predas da propaga o do sinal Esta potencia suprimida pelo emissor Nos sistemas de controle de redes de abastecimento de gua Este componente pode ser representado por exemplo por um CLP instalado em uma esta o remota exemplificado na Fig 8 gt O emissor o ente que acionado pela fonte entrega um sinal de energia adequado a transmiss o pelo canal Nos sistemas de controle de redes de abastecimento de gua este componente pode ser representado por exemplo por um modem como exemplificado na Fig 8 por um radio modem ou por um roteador gt O canal meio o ente que propaga a energia entregue pelo emissor at o receptor permitindo que o sinal seja transmitido geralmente cobrindo dist ncias razoavelmente grandes Nos sistemas de controle de redes de abastecimento de gua este componente pode ser rep
52. ja seu sucessor ou antecessor no tempo que n o uma vari vel de decis o para este problema seja um n mero inteiro e igual a 1 Para se ter uma id ia de como funciona o termo quadr tico deste processo toma se como exemplo um problema que tenha como resultado da PL os valores a i j 1 0 5 a i 2 0 7 e a i j 3 0 8 resultando numa fo 0 91 Observe que o maximo numero de horas para uma combina o de valores dos a i j t fracion rios igual a 2 soma caso contr rio aumenta se o n mero de horas em 60 que o sistema est ligado e consequentemente o valor do gasto com energia Portanto os prov veis resultados que maximizam a fun o objetivo fo acima ser o dados na forma sequencial dos a i j t a n o ser por limita es f sicas dos reservat rios ou outros componentes f sicos pois qualquer outra combina o gerar uma fo menor que 1 ou seja a i j 1 1 0 a i j 2 1 0 e a i j 3 0 0 com a fo 1 ou a i 1 0 0 a ij 2 1 0 e a i j 3 1 0 com a fo 1 O termo linear da fun o objetivo tem a fun o de vincular ao estabelecimento de um sistema motor bomba que n o vari vel de decis o ligado Tf e tlka a liga o do mesmo sistema motor bomba num tempo anterior ou posterior evitando se mais uma opera o de liga desliga Para ilustrar tal comportamento tendo se como base Tabela 02 FIRMINO et al 2006 onde apresenta os resultados oriundos da aplica o da primeira etapa para uma esta o elev
53. ladas em locais que n o possuem infraestrutura de telecomunica es ou energia el trica levando ao aproveitamento de estruturas alternativas como postes e torres improvisadas A influ ncia da presta o de um bom servi o de saneamento b sico tem impacto direto na rea da sa de e do meio ambiente e claro sobre o desenvolvimento e crescimento econ mico do pa s De acordo com Bao e Mays 1990 dita que a confiabilidade uma medida da performance desempenho do sistema A performance hidr ulica depende das condi es ideais que viabilizam fatores como intera o entre o sistema de transporte conserva o da capacidade de armazenamento conserva o da capacidade de distribui o sistema de seguran a como funcionamento adequado das v lvulas reguladoras e bombas Dentro do conjunto de condi es urbanas essenciais para a preserva o da sa de p blica que constitui o termo saneamento b sico que envolve tamb m o condicionamento e destina o do esgoto e o controle da polui o ambiental as a es de abastecimento de gua constituem uma vertente de estudo espec fica O SNIS Sistema Nacional de Informa o Sobre Saneamento 2002 aponta que no Brasil de 5 561 munic pios amostrados apenas 75 3 s o servidos por sistemas de abastecimento de gua com a presta o dos servi os de saneamento centralizada em 25 concessionarias estaduais e sociedades de economia mista o restante dos munic pios atendido
54. lelo dos conjuntos motor bomba necess rio que s se ligue o conjunto seguinte quando acionado o anterior em uma mesma esta o elevat ria X i j t SX i j 1 t 9 Na aplica o da programa o n o linear as Equa es 4 e 9 n o s o utilizadas sendo substitu das por um algoritmo de determina o da vaz o no trecho descrito abaixo resposta Rotina w 1 w 2 w n q 1 q 2 q n Colocar o tempo de funcionamento e a vaz o q de cada conjunto em ordem crescente Para f 1 at n min f Para g f 1 at n 53 Se w g lt a min min g Fim do se Fim do para aux w f w f w min w aux qf q f q min q min aux Fim do para Calculo da vazao horaria no trecho h n Resposta 0 Paraf 1at n Resposta q h x w h resposta h h 1 Fim do para Fim da Rotina As vaz es hor rias nas adutoras s o caracterizadas pelo funcionamento em paralelo dos conjuntos motor bomba que apresentam comportamento n o linear O c lculo da vaz o tamb m no modelo n o linear foi determinado segundo as caracter sticas de medi o Assim com a utiliza o do algoritmo reduz o n mero de restri es do problema resolvido por programa o n o linear 4 2 IMPLEMENTA O DA DESCRI O MATEM TICA Na aplica o da programa o linear utiliza se a rotina linprog do toolbox de otimiza o do MATLAB Esta funciona em dois m dulos o de larga esc
55. les para a opera o de conjuntos elevat rios e ao mesmo tempo minimizar os custos de energia el trica Com a redu o dos custos na energia el trica a Empresa poder investir em equipamentos como v lvulas de controle de press o e vaz o compra de computadores e de um programa de transmiss o de dados via on line treinamento para os operadores que ser o beneficiados por intervirem subjetivamente no sistema e onde executam tarefas de acordo com o grau de experi ncia pessoal adquirida no exerc cio de suas atividades di rias Klempous et al 1997 prop s um modelo baseado em tr sn veis O primeiro era controle direto das unidades de bombeamento ajustes das v lvulas de controle cargas e vaz es de um sistema Nesse n vel baseado num algoritmo de controle era determinado o numero de bombas em funcionamento Assim como a posi o desejada de regula o de v lvulas Os valores recomendados de carga e vaz o eram fornecidos como par metros do algoritmo de controle a partir do segundo n vel de modelo 43 O segundo determinava os valores dos parametros descritos anteriormente carga vaz o que garantiam a implementa o da demanda aos usu rios Os valores desses par metros eram obtidos da minimiza o dos custos de energia el trica Como resultado deste n vel obt m se um gr fico ilustrando a coopera o entre esta es de bombeamento e reservat rio O terceiro n vel determinava um gr fico timo par
56. nho e na confiabilidade em tempo real os quais constituem fatores para a solu o de alguns problemas Essas solu es v o ao encontro de uma arquitetura gen rica que aplica a metodologia de sistemas multiagentes na automa o de sistemas distribu dos Nesta metodologia os agentes t m a fun o de prover maior autonomia para cada parte constituinte do sistema de controle Nessa arquitetura os agentes s o designados para diferentes fun es tais como monitorar e controlar o sistema de abastecimento de gua ler 23 dispositivos armazenar dados e prover interface grafica Um exemplo de agentes tipicos dos sistemas automaticos distribuidos pode ser visto na Fig 2 Figura 2 Representa o de um sistema autom tico distribu do Sist Corporativos de informa o Mananciais SERVIDORES IHM OPERADORES LAN TCP IP Processador comunica o Roteador E e cm Reservat rios Est Trat Agua Redes de dutos outros A A i Meios de i i iy i comunica o i 2 WAN gt UTROU Processo i NE se E E Medidores de press o n vel vaz o anal ticos transdutores med el tricas atuadores v lvulas Os agentes t m que ser identificados por endere os ou TAGs digitais sigla referente a codifica o de equipamentos ou dispositivos de campo em processos industriais de maneira inequ voca no ambiente em que operam Isso possibilita que o controle
57. no setor uma vez que o consumo de energia de 8 890 Gwh ano PROCEL 2003 querepresenta 3 3 do consumo global de energia el trica no Brasil Por conseguinte estabelecem se as considera es finaise proposi es para aprofundamento do tema 18 2 ESTUDO DOS SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE AGUA 2 1 ANALISE DOS SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE AGUA A infraestrutura de um sistema abastecimento de agua composta por diversas esta es desde a origem da agua que constitui a esta o de capta o at local de monitora o do macro consumo S o elas na totalidade dos casos as esta es de capta o de eleva o de tratamento de adu o h drica de armazenamento e de distribui o p blica Um modelo simplificado desde infraestrutura pode ser visto na Fig 1 Figura 1 Modelo de infraestrutura do abastecimento de agua Sulfato de Aluminio ae Cal lt gt dos Bairros T T E Flocula o Decanta o Filtra o Para Trojan et al 2000 o sistema de capta o tem por fun o recolher em qualquer meio superficial ou subterr neo gua em quantidade suficiente e com caracter sticas f sicas qu micas e bacteriol gicas minimamente aceit veis O sistema de eleva o tem por fun o transmitir energia gua de modo a que ela passe n o s a circular a uma press o conveniente como tamb m a ter a possibilidade de vencer desn veis topogr ficos
58. ntos de background 39 Os sin ticos devem ser elaborados levando em conta conceitos ergon micos relacionados a movimenta o dos olhos Como exposto por Petterson 1989 em seu estudo sobre usabilidade os olhos tendem a se mover de gt Uma imagem grande para uma menor gt Uma cor saturada para uma n o saturada gt Uma cor brilhante para a cor pastel gt Uma imagem colorida para uma imagem monocrom tica gt Formas sim tricas para formas assim tricas gt Algo que se move e pisca para uma imagem est tica H tamb m de se evitar a necessidade de consultas a refer ncias externas ao sistema Se o operador do sistema de abastecimento de gua tiver d vidas quanto opera o de elementos do sistema de supervis o dever consultar o pr prio sistema help online Se tiver d vidas com rela o opera o do processo dever consultar um guia operacional online Manuais s o dif ceis de consultar numa emerg ncia 2 8 CONCEITOS B SICOS DE ACIONAMENTO E CONTROLE DE MOTOBOMBAS Existem diversos modos de acionamento e controle para os conjuntos motobombas de uma esta o elevat ria em sistema maiores vi vel a implementa o de um acionamento por inversor de frequ ncia mostrado na Fig 15 com controle por corrente 4 a 20mA conectado a um controlador l gico program vel executando uma rotina ou algoritmo pr estabelecidos nesta situa o poss vel reduzir o bombeamento de gua quando n
59. o existe demanda de consumo protegendo a tubula o de press o excessiva aumentando a vida til do sistema de distribui o e ainda economizando no consumo de energia el trica 40 Figura 10 Inversor de Frequ ncia para acionamento de motobombas O processo de automatiza o de uma esta o elevat ria inicia se pelo n vel hier rquico mais baixo ou seja pelos transdutores equipamentos que transformam grandezas n o el tricas em grandezas el tricas O controle geralmente realizado pelos CLPs equipamentos que recebem as informa es dos transdutores executam a l gica obedecendo rigorosamente a um software isolado e as condi es pr estabelecidas Os transdutores t m a responsabilidade de transmitir os sinais das vari veis do processo para os atuadores do processo Os atuadores s o os dosadores de um produto qu mico controladores de v lvulas e de outros dispositivos de acionamento ou seja s o equipamentos que atuam diretamente no processo de tratamento Mediante a intera o das tr s etapas mencionadas acima obt m se um processo de tratamento de gua automatizado nos dois primeiros n veis de automa o instrumenta o e controle Normalmente os valores e condi es do processo s o exibidos em computadores distantes do pr prio processo denominados sistemas de supervis o geralmente instalados em CCO Fig 11 ilustra um fluxograma e arquitetura atual de interliga o dos transdutores e
60. odem ser utilizados em fun es computacionais opera es matem ticas l gicas com vetores ou strings sequencia ordenada de caracteres ou s mbolos escolhidos a partir de um conjunto pr determinado e podem tamb m representar pontos de entrada sa da sensores atuadores de dados do processo que est sendo controlado etc Neste caso os TAGs correspondem as vari veis do processo real como por exemplo n vel de um reservat rio vaz o de uma adutora ph da gua etc comportando se como a liga o entre software supervis rio e o sistema de controle A configura o dos TAGs do sistema envolve tamb m o estabelecimento das faixas dos dispositivos aos quais eles espelham no caso dos TAGs de campo e tamb m dos n veis de alarme relacionados ao sinal enviado por cada dispositivo ou ponto de campo Cabe aqui a ado o de um crit rio que leve em conta o n mero elevado de sinais envolvidos em um sistema de abastecimento de gua urbano Como h centenas de pontos monitorados e comandados devem ser configurados para gera o de alarmes apenas aqueles pontos cujo comportamento excepcional deva de fato ser digno de aten o por parte do operador de sistemas A configura o de n veis de alarme para a maioria dos pontos gera hist ricos de alarmes muito extensos muitas vezes imposs veis de serem acompanhados em tempo real A defini o das telas gr fica socorre por meio do m dulo de desenvolvimento de sin ticos que s o t
61. omation of water supply and improving efficiency that can be applied even in municipalities that manage their own water supply They are presented here testing the application of optimization methods to the problem drive good time sets the motor pump system main water supply compared with manual operation In a first performance analysis was made using linear programming LP and nonlinear PNL where it was considered that the decision variables could take fractional values Finally we describe some of these solutions here called referential analysis in order to outline a model of automation systems for water supply that can provide insight to the development of these systems in regions that are at a very low level of automation focusing on energy efficiency Keywords SCADA systems Automation technology Supervision of water supply systems Linear programming LP Nonlinear NLP and energy efficiency LISTA DE TABELAS Tabela 1 Bombeamento em per odos de ponta e fora de ponta Tabela 2 Resultado do funcionamento de bombeamento fora de ponta Tabela 3 Funcionamentode bombeamento em ponta efora deponta LISTA DE FIGURAS Figura 1 Modelo de infraestrutura do abastecimento de gua 18 Figura 2 Representa o de um sistema autom tico distribu do 23 Figura 3 Processo realimentado em malha fechada de controle 25 Figura 4 Diag
62. ou em combina o com modelos de otimiza o onde a solu o obtida automaticamente Neste trabalho o simulador utilizado o Matlab com o toolbox de otimiza o O Matlab que abrevia Matrix Laboratory Laborat rio de Matrizes um programa de computador de uso especifico otimizado para executar c lculos cient ficos e de engenharia Ele nasceu como um programa para opera es matem ticas sobre matrizes mas ao longo dos anos transformou se em um sistema computacional flex vel capaz de resolver essencialmente qualquer problema t cnico O programa Matlab faz uso de uma linguagem espec fica similar a outras 44 linguagens de programa o e oferece uma ampla biblioteca de fun es predefinidas para que a programa o t cnica se torne mais f cil e eficiente 3 2 OTIMIZA O DA OPERA O DAS ESTA ES ELEVAT RIAS As t cnicas de otimiza o v m sendo utilizadas na busca de solu es timas para problemas operacionais espec ficos Se o objetivo for por exemplo o m nimo custo operacional a fun o custo estar associada tarifa de energia el trica ao rendimento das bombas s perdas de carga nas instala es etc Por outro lado h restri es impostas pelo pr prio sistema tais como n veis m ximos e m nimos dos reservat rios limites de press o e de potencia e quantidade de gua dispon vel Algumas dificuldades decorrem da utiliza o das t cnicas de otimiza o para a solu o do
63. problema do controle Estas dificuldades est o associadas ao grande n mero de equa es a serem resolvidas dificuldade de formula o do problema geral ao tratamento de restri es operacionais n o expl citas e aquisi o e manuten o de dados Al m disso os algoritmos desenvolvidos normalmente requerem um alto tempo computacional para atingir uma solu o que geralmente n o um timo global Dentro deste contexto foram testadas algumas metodologias baseadas em programa es linear linear inteira e n o linear e algoritmo gen tico al m de um m todo puramente heur stico para efeitos comparativos no sentido de delinear a busca de uma melhor metodologia para resolver o problema Portanto ser apresentada neste cap tulo a formula o matem tica das metodologias que foram usadas para analisar os seus desempenhos com rela o aplica o em um subproblema da descri o apresentada SHAMIR 1977 ALPEROVITS SHAMIR Num primeiro teste de desempenho usando programa o linear n o linear e algoritmo gen tico permite se que as vari veis de decis o assumam valores fracion rios Num segundo teste aplicam se programa o linear inteira as vari veis de decis o da programa o linear com intuito de as tornarem inteiras e compara se os resultados com um m todo heuristico que foi usado por Machado et al 2005 e Barbosa 2001 Em face dos testes realizados optou se por resolver o problema geral em
64. rada uma aplica o t pica desta estrat gia de controle na automa o de um sistema de controle de n vel de um reservat rio Figura 4 Diagrama de Controle de n vel de reservat rio gt Controle antecipat rio Feedforwared por meio de medi es das vari veis de carga modifica se a vari vel manipulada de forma a compensar uma altera o antes que ela ocorra A desvantagem deste m todo est no fato de n o haver medi o da vari vel controlada que tem a sua estabilidade muito vulner vel uma vez que tal estabilidade depende apenas da precis o da rela o entre as vari veis de carga medidas e da altera o na vari vel manipulada Considerando se estas duas estrat gias entende se que o controle realimentado quando devidamente sintonizado pode ser empregado sem preju zo ao sistema de abastecimento de gua em sistemas de capacit ncia consider vel onde oscila es da vari vel controlada por um curto per odo s o toler veis Exemplos desses sistemas s o os de controle de n vel de grandes reservat rios e tamb m os de dosagem de produtos qu micos em linhas de abastecimento de gua 27 onde a vaz o de adu o de agua em um reservat rio antes de ser distribu da para consumo O sistema antecipat rio em contrapartida demanda uma estrat gia de controle que previna o afastamento da vari vel controlada de seu valor desej vel antecipando dist rbios e compensando modifica es do processo de form
65. rama de Controle de n vel de 26 Figura 5 Ilustra o de um sistema de supervis o demonstrando bomba de dosagem redundante 0 2 2 22 cane oes sando ano nanda anda nanda 28 Figura 6 Simplifica o de um meio de 29 Figura 7 Modelo de um sistema de 30 Figura 8 Modelo de transmiss o de esta es remotas at o CCO 32 Figura 9 Ilustra o de um sistema de distribui o controlado por SCADA 33 Figura 10 Inversor de Frequ ncia para acionamento de motobombas 40 Figura 11 Exemplo de conex o do CLP com sensores e atuadores 41 Figura 12 Esta o elevat ria Vivi Xavier Londrina PR 45 Figura 13 Sistema de resfriamento da esta o elevat ria Vivi Xavier 46 Figura 14 Conjunto motobombas da esta o elevat ria Vivi Xavier 47 Figura 15 Medidor de vaz o do um sistema de bombeamento 48 Figura 16 Registro Gr fico no per odo de vaz o no per odo de um dia 48 3G A AG AM ANATEL ATM CCM CLP DDC EEA EEAB EPANET ERP ETA FM FP GRG2 KVA KV KW KWh mca PC pH PID PL PLI PNL PQ PROCEL LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURA
66. re a fun o objetivo e as vari veis de decis o poder se usar uma simples programa o linear numa 58 primeira etapa como ponto de partida para se determinar o ponto de opera o timo Isso porque o resultado obtido via programa o linear reproduzem o que seria um timo global O problema a ser resolvido numa segunda etapa est em se determinar uma metodologia para transformar os par metros a ijt que s o fracion rios em valores bin rios O ou 1 que significa fisicamente que o sistema motor bomba estar desligado ou ligado respectivamente Portanto na primeira etapa o problema pode ser formulado da seguinte forma 24 T L E 1 j 1 e 4 24 T L E Z jel gt AQ 1 a 1 1 1 Xj s l AQ 2 j KODE o T t E 3 1 T t E 4 j 10 1 1 a OCA 10 11 4 j t J zi i 13 SO T t E 5 j T t E 6 T t 5 T t E 6 j os yt 5 gt eso 0 1 6 2 1 x 5 A 0 6 pl a 6 j t j 1 t 1 j 1 t 14 Restri es quanto a limita es operacionais volum tricas para os reservat rios Veen lt Ve t lt Ve vt 15 er Sendo Vr o volume do reservat rio no instante t Restri es de limites quanto ao n mero de bombas que trabalham em cada esta o neste caso foi usado o n mero m ximo de motores bomba em cada esta o elevat ria menos um que poder estar em manuten o exceto para a
67. representa um processo industrial Figura 3 Processo realimentado em malha fechada de controle Dist rbios CORRE O amento tnal de controle Saida Entrada PROCESSO Sinal de corre o MALHA DE CONTROLE FECHADA MEDI O Detector Elementos C lculo tis ie rai Sinal de t a medi o COMPARA O COMPUTA O Valor desejado Sinal de erro A Fig 3 ilustra como a partir da medi o da vari vel de sa da do processo ou vari vel controlada poss vel efetuar a corre o da vari vel de entrada ou manipulada em fun o de um valor previamente determinado Define se portanto como o principal objetivo do controle de processos utilizarem a vari vel manipulada vari vel alterada por meio do elemento final de controle para manter a vari vel controlada em um valor desej vel valor este tamb m denominado de setpoint Este procedimento deve ocorrer de forma independente as perturba es externas Quanto estrat gia de controle Pioversan 1993 afirma que os sistemas de controle autom tico podem ser classificados em dois tipos 26 gt Controle realimentado Feedback o valor da variavel controlada medido e o comparado com um setpoint sendo a diferen a erro usada para ajustar a vari vel manipulada A desvantagem desta estrat gia de controle o fato da resposta ocorrer ap s haver desvios na vari vel controlada Na Fig 4 ilust
68. resentado por exemplo por linhas 31 telef nicas linhas digitais de transmiss o ou por canais de frequ ncia gt O receptor o ente que retira a energia do meio e recupera os s mbolos de forma t o precisa quanto poss vel de modo a reproduzir a mensagem a ser entregue ao destino Nos sistemas de controle de redes de abastecimento de gua este componente pode ser representado por exemplo pelos dispositivos de comunica o presentes no CCO ou em outras esta es remotas gt O destino para onde se dirige a informa o Nos sistemas de controle de redes de abastecimento de gua este componente pode ser representado por exemplo pelo sistema de supervis o ou por dispositivos de controle presentes em outras esta es remotas Deste modo o emissor e o receptor desempenham fun es inversas e complementares com rela o ao meio que os interliga Existe um fluxo de sinal entre o emissor e o receptor e este sinal contem os s mbolos portadores da informa o Em condi es ideais o sistema deveria se comportar de modo que a mensagem produzida pela fonte conseguisse ser fielmente recuperada pelo receptor Na pr tica isto n o ocorre No processo de transmiss o limita es f sicas e outros fatores alteram as caracter sticas do sinal que se propaga produzindo o que se chama distor o Al m disso no canal aparecem sinais esp rios de natureza aleat ria que se somam ao sinal produzindo ru do Este eleito
69. scont nua 5 2 PROPOSI ES PARA ESTUDOS FUTUROS Como possibilidade de aprofundamento e futuros desdobramentos deste trabalho destacam se Incluir estudo com previs o de demanda a partir de grandes hist ricos para um melhor resultado das an lises pesquisa sobre sensores sem fio para melhorar a gest o no monitoramento da capta o 65 pesquisa sobre instrumentos inteligentes para melhorar defini o dos instrumentos que comp em um sistema de abastecimento de gua visando o tratamento e distribui o interligadas as vari veis de controle implementa o da proposta deste trabalho de pesquisa em uma instala o de abastecimento de gua para avaliar o comportamento em per odo de teste aprofundamento dos sistemas supervis rios SCADA existentes estudo de interfer ncias e inclus o de novos protocolos de comunica o entre esta es remotas e CCOs fazer um re estudo do problema utilizando modelagem que incorpore outras fun es custo benef cio multiobjetivo na opera o e manuten o dos sistemas estudar e aplicar t cnicas de otimiza o na minimiza o do uso de energia el trica pelo sistema quando da introdu o de inversores de frequ ncia como ferramentas de controle de vaz es no bombeamento das esta es elevat rias 5 3 CONSIDERA ES FINAIS A pesquisa que serviu para elabora o deste trabalho foi desenvolvida no per odo de 2009 a novembro de 2011 no Departamento de En
70. sobre os resultados de implanta o de uma modelo de otimiza o realizado por Coulbeck e Orr 1990 numa cidade da Inglaterra buscava redu o de custos de energia el trica no bombeamento utilizando um modelo de previs o de demanda de consumo de gua e um modelo simulador Concluiram a partir dos resultados que a implanta o trouxe benef cios incluindo um custo de bombeamento m nimo um sistema de opera o automatizado instant neo e com introdu o de um sistema deprevis o 1 2 OBJETIVOS Visando a an lise de tecnologias para o controle a supervis o e o gerenciamento dos sistemas de abastecimento de gua e a sua difus o optou se por um estudo para automa o de um sistema de abastecimento de gua e um cap tulo com estudo sobre efici ncia energ tica Por meio deste estudo pretende se apresentar desde um conjunto de solu es simples de automa o de sistemas de abastecimento de gua que demandam pouco investimento at solu es mais elaboradas para utiliza o em sistemas de maior porte cuja necessidade de investimento maior Objetiva se com a descri o dessas solu es aqui denominadas referenciais de an lise estabelecer uma proposta de automa o para sistemas de abastecimento de gua com vistas efici ncia energ tica utilizando a programa o linear para o controle do bombeamento de gua a partir de uma esta o elevat ria 17 minimizando consumo em horarios de ponta da companhi
71. ta o elevatoria i est ligada durante o intervalo de tempo f Pf i j a potencia KW quando se liga o conjunto motor bomba j que dado por 9 81 P i j i j H i j j QI Cj HC j 2 n i j o rendimento do conjunto motor bomba da esta o elevat ria a vaz o firme provocado por ligar o conjunto motor bomba j da esta o elevat ria em m s e H ij a altura manom trica ou seja altura de eleva o mais o acr scimo de perdas devido ao aumento da vaz o em mca As vaz es hor rias nas adutoras s o caracterizadas pelo funcionamento em paralelo de conjuntos motor bomba O c lculo da vaz o estabelecido pelo acr scimo de vaz o no acionamento de mais de um conjunto na 51 mesma adutora Na caracteriza o f sica do sistema faz se necess rio verificar os volumes hor rios dos reservat rios os quais obedecem ao princ pio da conserva o de massa V k t V k t 1 2Qs k t D k DAL 3 Em que V k t o volume do reservat rio k no instante t V k 0 igual ao volume inicial do reservat rio k D k t a demanda m h do reservat rio k no intervalo 2Qs K t a soma dos volumes correspondentes as vaz es que chegam ou deixam o reservat rio k no instante t por bombeamento e dada por Qs k t 1 Q i j 1 X Li nb i 1 t 4 Onde Q ij a vaz o m h da quantidade de bombas
72. tapa para o funcionamento de 2 conjuntos motor bomba para um problema qualquer Tabela 3 Resultado do funcionamento de bombeamento em ponta e fora de ponta Elevat ria Bomba Tempo de Funcionamento minutos 131 14 115 16 117 18 19 20 21 22 23 24 Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta l 1 1 104 051 11 JOAO pot 1 1 l 2 0 1 0 10 10 O O 10 10 O 10 10 04 Com rela o aos elementos da fun o objetivo relativos aos antecessores ou sucessores as variaveis de decisao fracionarias temos que Os a i j t constantes e iguais a O ou 1 antecessores ou sucessores as vari veis de decis o com n meros fracion rios segundo os resultados da 1 Etapa deveriam ser vari veis de decis o na programa o quadr tica e entrar na fun o objetivo para permitir ver se o antecessor ou sucessor est ligado ou desligado para ligar ou desligar o af i j t fracion rio e minimizar o n mero de liga desligas Para evitar incluir os a i j t inteiros antecessores e sucessores como vari veis de decis o pois j se sabe os seus valores leva se em considera o o seu valor na hora de se estabelecer a fun o objetivo da seguinte forma se o antecessor a i j t 1 adicionar a i j t a ij t 1 a ij t 1 na fun o objetivo caso contr rio a i j t 0 o termo af i j t a i j t 1 0 ou seja n o se adiciona nada e 8 mesma regra se aplicar ao sucessor de uma vari vel
73. tos de coleta de dados sobre o uso de recursos de gua pode contribuir significativamente para seu melhor aproveitamento pois possibilita seu acompanhamento e controle Al m disso a racionaliza o do uso desses recursos permite tamb m a gest o de sua distribui o e um controle de perdas mais efetivo Silveira 1998 p 23 descreve a automa o como sendo um conceito e um conjunto de t cnicas por meio das quais constroem se sistemas ativos capazes de atuar com uma efici ncia tima pelo uso de informa es recebidas do meio sobre o qual atuam J Pereira 1995 apud SOUZA 2006 p 28 concebe a automa o como sendo a ci ncia que estuda e aplica metodologias ferramentas e equipamentos objetivando definir quando e como converter o controle de um processo manual para autom tico Infelizmente como afirmado por Trojanet al 2000 p 2 ao abordarem as condi es de uso da gua a automa o em saneamento ainda pontual Isso reflexo da falta de recursos das companhias de saneamento majoritariamente estatais Associado a essa car ncia de recursos outro entrave enfrentado para a ado o de automa o nesse segmento incide sobre o aspecto 15 geogr fico que imp e s rios limites ao uso de meios de comunica o como recursos de obten o de dados sobre o funcionamento do sistema de abastecimento de gua Geralmente as unidades de monitora o e controle remotos que comp em o sistema est o insta
74. ts temos um editor bitmapeado Sin ticos com estrutura geom trica de dados modelados s o mais flex veis para modifica es futuras e parecem ser uma tend ncia dentre os sistemas SCADA atuais Sin ticos bitmapeados permitem definir um maior n vel de detalhe para cada s mbolo Os sin ticos s o formados por elementos est ticos e din micos estes ltimos geralmente associados TAGs constituem anima es como barras gr ficas ideais para demonstrar n veis de reservat rios mudan as de cor utilizados para indicar mudan as de status de dispositivos discreto como v lvulas ON OFF deslocamento de objetos pela tela e links textuais num ricos Existem ainda elementos de tend ncia que uma vez associados a um ou mais TAGs permitem a visualiza o do gr fico de comportamento das vari veis de campo ou internas associadas a estes TAGs Todos os elementos configurados nas telas gr ficas podem oferecer al m da capacidade de monitoramento das vari veis a capacidade de atua o nos elementos de campo por meio do mouse e do teclado de um computador 37 Dentro de uma proposta de metodologia para elabora o de interfaces gr ficas para sistemas de controle complexos como os de abastecimento de gua h de se considerar os seguintes fatores gt O n mero elevado de vari veis e consequentemente de telas de sistema deve conduzir o desenvolvedor a representa o gr ficas do tipo plano infinito part
75. xar principalmente as restri es volum tricas que podem for ar a gera o de n meros fracion rios 63 5 CONCLUSAO 5 1 RESULTADOS E COMPARA ES Um dos primeiros benef cios da arquitetura proposta a ser levado em considera o a redu o de cabos de interliga o e de hardware permitindo que se adquira somente o necess rio para iniciar a opera o Os instrumentos passam a ter uma maior import ncia dentro do processo pois a partir de sua automa o passa a executar autodiagnostico processamento e atua o direta no sistema Outras vantagens da automatiza o do processo em rela o ao sistema manual s o e Melhor tempo de resposta a tomada de decis o e Redund ncia da informa o e Melhoria na qualidade e Redu o de custo por dosagem excessiva Os sistemas em rede tamb m s o vantajosos pois podem ser totalmente configurados pelo operador local Este n o precisa conhecer linguagem de programa o para operar ou configurar o sistema pois essas a es s o realizadas por meio de uma interface gr fica apropriada Por m durante a configura o deve se distribuiras tarefas de um modo racional para n o sobrecarregar a rede de campo deixando as fun es cr ticas e demais fun es a cargo do servidor Em sistemas de automa o tradicional o volume de informa es dispon veis ao usu rio normalmente n o ultrapassa o volume das informa es de controle Nos sistemas fieldbus por exemplo

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