Dissertacao ImplementacaoSistemaSupervisorio
Dissertacao ImplementacaoSistemaSupervisorio
Dissertacao ImplementacaoSistemaSupervisorio
Belém
Agosto de 2021
IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA SUPERVISORIO EM UNIDADES
GERADORAS DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS ISOLADOS
INSTALADOS NOS MUNICIPIOS DO ESTADO DO AMAZONAS
Examinada por:
_______________________________________________
Prof. Jandecy Cabral Leite, Dr.
(PPGEP/ITEC/UFPA-Orientador)
________________________________________________
Prof. Manoel Henrique Reis Nascimento, Dr.
(PPGEP/ITEC/UFPA-Membro)
________________________________________________
Prof. David Barbosa de Alencar, Dr.
(FAMETRO-Membro)
BELÉM, PA - BRASIL
AGOSTO DE 2021
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
Sistema de Bibliotecas da UFPA
CDD 670.42
Resumo da Dissertação apresentada ao PPGEP/UFPA como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Processos (M. Eng.)
Agosto/2021
iv
Abstract of Dissertation presented to PPGEP/UFPA as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Process Engineering (M. Eng.)
August/2021
v
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO.......................................................................... 1
1.1 - MOTIVAÇÃO................................................................................................ 1
1.1.1 - Identificação e justificativa da proposta.................................................. 2
1.2 - OBJETIVOS................................................................................................... 2
1.2.1 - Objetivo geral............................................................................................. 2
1.2.2 - Objetivos específicos.................................................................................. 3
1.3 - CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO..................................................... 3
1.4 - ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO.............................................................. 4
CAPÍTULO 2 - REVISÃO DA LITERATURA................................................. 5
2.1 - HISTÓRICO DO SETOR ELÉTRICO........................................................... 5
2.1.1 - Geração de energia elétrica....................................................................... 6
2.1.2 - Os tipos de geração de energia elétrica.................................................... 7
2.1.3 - Transmissão de energia elétrica................................................................ 7
2.1.4 - Distribuição de energia elétrica................................................................ 9
2.2 - SISTEMA ELÉTRICO NO ESTADO DO AMAZONAS............................. 10
2.2.1 - Levantamento histórico da matriz energética de Manaus: do motor
elétrico ao sistema interligado nacional............................................................... 11
2.2.2 - Configuração do sistema elétrico na Amazônia...................................... 12
2.3 - GRUPO GERADOR....................................................................................... 16
2.4 - MANUTENÇÃO............................................................................................ 17
2.4.1 - Classificação da manutenção.................................................................... 17
2.4.2 - Política da manutenção.............................................................................. 18
2.5 - CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS (CLP)........................ 19
2.5.1 - Vantagens do uso do CLP.......................................................................... 19
2.5.2 - Princípio de funcionamento do CLP - Diagrama de blocos................... 20
2.5.3 - Estrutura interna do CLP......................................................................... 22
2.6 - PROTOCOLO MODBUS............................................................................... 30
2.6.1 - Rede Modbus TCP/IP................................................................................ 31
2.7 - SISTEMAS SUPERVISORIOS...................................................................... 31
2.7.1 - Planejamento de um sistema supervisório............................................... 32
2.7.2 - Software de supervisão.............................................................................. 33
vi
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS..................................................... 35
3.1 - METODOLOGIA DA PESQUISA................................................................ 35
3.1.1 - Pesquisa bibliográfica................................................................................ 35
3.1.2 - Pesquisa exploratória................................................................................. 36
3.1.3 - Estudo de caso............................................................................................ 36
3.1.3.1 - Característica da unidade geradora da usina............................................. 37
3.1.3.2 - Operação e manutenção............................................................................ 38
3.1.3.3 - Painel de controle...................................................................................... 41
3.1.3.4 - Painel concentrador – Módulo CLP (comando)........................................ 42
3.1.3.5 - Sistema de supervisão de aquisição de dados - SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition)................................................................................. 44
3.2 - IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO................................ 46
3.2.1 - Interface inicial do supervisório............................................................... 46
3.2.2 - Interface de navegação.............................................................................. 47
3.2.3 - Interface da calha fluvial do baixo Amazonas......................................... 48
3.2.3.1 - Calha fluvial do baixo Amazonas - Município Barreirinha...................... 49
3.2.3.2 - Interface do alimentador 01...................................................................... 50
3.2.3.3 - Interface de registros histórico de dados do alimentador 01..................... 51
3.2.3.4 - Interface de relatório por período do alimentador 01: Voltagem,
corrente, potência e fator de frequência.................................................................. 52
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................... 60
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES.............................................. 65
5.1 - CONCLUSÕES............................................................................................... 65
5.2 - SUGESTÕES.................................................................................................. 66
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................ 67
vii
LISTA DE FIGURAS
viii
Figura 3.15 Medições das grandezas elétricas do município de Barreirinha.. 49
Figura 3.16 Medições das grandezas elétricas do alimentador 01.................. 50
Figura 3.17 Medições das grandezas elétricas de picos máximos e mínimos. 51
Figura 3.18 Registros histórico de dados........................................................ 52
Figura 3.19 Interface relatório por período..................................................... 53
Figura 3.20 Interface tabela de medições........................................................ 54
Figura 3.21 Gráfico de medições de tensão..................................................... 55
Figura 3.22 Gráfico de medições de tensão da barra do alimentador 01......... 56
Figura 3.23 Gráfico redimensionado de medições de tensão.......................... 56
Figura 3.24 Gráfico de medições da corrente.................................................. 57
Figura 3.25 Gráfico de medições de potência/energia.................................... 58
Figura 3.26 Gráfico de medições de fator de potência/frequência.................. 59
Figura 4.1 Interface modo funcionamento do supervisório local.................. 60
Figura 4.2 Gráfico das variações da corrente elétrica do alimentador 01..... 61
Figura 4.3 Gráfico de correção da corrente elétrica do alimentador 01........ 62
Figura 4.4 Gráfico das variações do fator de potência no alimentador 02.... 63
Figura 4.5 Gráfico da correção do fator de potência do alimentador 02....... 63
ix
LISTA DE TABELAS
x
NOMENCLATURA
xi
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 - MOTIVAÇÃO
1
1.1.1 - Identificação e justificativa da proposta
1.2 - OBJETIVOS
2
utilizando sensores, atuadores, transdutores e CLP, possibilitando acesso de qualquer
lugar, via internet.
3
Por outro lado, é necessário avaliar outros aspectos para essa implementação,
levado em consideração as peculiaridades da região amazônica, por exemplo:
− Enchente e Vazantes dos rios durante o ano;
− Demanda de tempo para chegar na maioria das locais (municípios);
− Os rios são as ruas de acesso aos locais (municípios);
− Dificuldades de acesso;
− Períodos “definidos” para transporte de grandes cargas;
− Disposição de logística, pois a falta de um equipamento, ferramenta e/ou peça
tem um impacto enorme na execução dos serviços.
4
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
5
De forma simplificada, visualiza-se na Figura 2.1 a nova configuração do setor
elétrico brasileiro em um esquema estrutural.
Estrutura Vertical
GERAÇÃO
Estrutura Horizontal
TRANSMISSÃO DISTRIBUIÇÃO
GERAÇÃO
TRANSMISSÃO Mista, porém, em sua Vários Distribuidores
Vários Produtores
maior parcela estatal Independentes
DISTRIBUIÇÃO
Em 2001, o setor elétrico sofreu uma grave crise de abastecimento que culminou
em um plano de racionamento de energia elétrica (MELO et al., 2011). Esse
acontecimento gerou uma série de questionamentos sobre os rumos que o setor elétrico
estava trilhando. Visando adequar o modelo em implantação, foi instituído em 2002 o
Comitê de Revitalização do Modelo do Setor Elétrico, cujo trabalho resultou em um
conjunto de propostas de alterações no setor elétrico brasileiro. Assim, o Governo
Federal durante os anos de 2003 e 2004 apostou em um novo modelo para o setor
elétrico brasileiro. (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA).
6
gerador brasileiro. Pode-se encontrar, por exemplo, a capacidade instalada por fonte, o
número de plantas de geração por fonte e por região e informações das plantas em
construção.
7
(volts). A eletricidade que é gerada nas usinas tem a tensão elevada e para diminuir as
perdas dessa energia durante sua transmissão a longas distâncias, reduz-se o diâmetro
dos cabos e, logo, o seu peso e custo. Dessa forma, cabeamento mais leve também
significa estruturas mais leves e com menos custos que dão sustentação a essas extensas
linhas de transmissão.
O SIN é responsável pelo suprimento de energia elétrica a 96% do território
nacional. Os 3,4% restantes constitui-se de sistemas isolados localizados na região norte
do país que dispõem de sistemas hidrotérmicos e/ou térmicos locais, conforme mostra a
Figura 2.2. (AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2015.)
8
2.1.4 - Distribuição de energia elétrica
9
e avenidas das grandes cidades, frequentemente compostas por três fios condutores
aéreos sustentados por cruzetas de madeira em postes de concreto. (FIGUEIRA, 2011)
As redes de baixa tensão, com tensão elétrica que pode variar entre 127 e 440 V,
são aquelas que, também afixadas nos mesmos postes de concreto que sustentam as
redes de média tensão, localizam-se em altura inferior. As redes de baixa tensão levam
energia elétrica até as residências e pequenos comércios/indústrias por meio dos
chamados ramais de ligação. Os supermercados, comércios e indústrias de médio porte
adquirem energia elétrica diretamente das redes de média tensão, devendo transformá-la
internamente para níveis de tensão menores, sob sua responsabilidade. (ATHAYDE,
2001).
10
energia virá de geração isolada cuja sustentabilidade requer que a fonte de energia
primária seja renovável. Proporcionando assim, um impacto positivo na melhoria da
qualidade de vida e as condições básicas para o exercício da cidadania dessa população.
Potência
Ano Energético Origem Modal Finalidade
Instalada
A própria Iluminar os
Serviços vendidos
Iluminação a empresa principais
1856 por empresa não 25 lampiões
gás hidrogênio importava a M.P. pontos da
declarada
e produzia o gás cidade
90 candeeiros e
Importação
de velas Iluminar as ruas
Serviços vendidos efetuada pela
Iluminação a montados em mais habitadas e
1870 pela Empresa Empresa
querosene postes de frequentadas da
Thury & Irmão Prestadora do
madeira de 5 cidade
Serviço
palmos de altura
Serviços vendidos O próprio Iluminar as ruas
Iluminação a
por Manoel empresário mais habitadas e
1879 gás Globo 122 lampiões
Joaquim Pereira importava a M. P. frequentadas da
(óleo de nafta)
de Sá e produzia o gás cidade
Termelétrica à
Tubulações para 64 cavalos a Abastecimento
lenha para o
Represa da transporte até as vapor e conjunto de água para a
1889 bombeamento
Cachoeira Grande caixas d’água e de bombas cidade de
de água
torneiras públicas elétricas Manaus
potável
O Governo do
Estado assumiu o
comando da Linhão de
327 lâmpadas de Toda a zona
Termelétrica à produção da Transmissão aérea
1896 arco voltaico de urbana da sede
lenha energia, em postes de
2.000 velas Municipal
iluminação e madeira
fiscalização do
sistema
3 Bondes e 16
Serviço prestado Transporte
1896 Vapor - km de trilhos da
pela empresa urbano
cidade
Alimentar
Serviços vendidos Linha de
Termelétrica à eletricamente as
1899 pela Manaós transmissão aérea -
lenha linhas de bondes
Railway Company em postes de ferro
elétricos
1900 Telégrafo Manaus – Linha de - Comunicação
11
Itacoatiara transmissão com a sede do
terrestre Governo
Balbina no Ampliar
Linha de
Hidroeletricid Município de capacidade de
1989 transmissão aérea 250 MW
ade Presidente geração
de 230 kV
Figueiredo-AM instalada
5,5 milhões de
Substituir o
m³/dia
Urucu do consumo de
Gás Natural Gasoduto Urucu- inicialmente, mas
2009 Município de óleo
(GN) Coari-Manaus pode ser
Coari-AM combustível por
aumentado se
gás natural
houver demanda
Interligar o
Linha de Potência
Hidroeletricid Tucuruí-PA pelo Estado do
2013 transmissão aérea destinada oscila
ade SIN Amazonas ao
de 500 kV por sazonalidade
SIN
12
de gás natural proveniente da plataforma de Urucu, localizado no município de Coari,
no Estado do Amazonas, a 363 km de distância da capital Manaus, e os seus excedentes
transferidos para os subsistemas nordeste e sudeste/ Centro-Oeste, com as quais são
feitos intercâmbios, objetivando otimizar a operação dos seus reservatórios, conforme
mostra a Figura 2.3.
Vale ressaltar que a usina Termoelétrica de Mauá 3 é considerada estratégica
pelo Governo Federal, por garantir o aumento da confiabilidade no suprimento de
energia, funcionando como uma espécie de seguro na recomposição do sistema da
capital amazonense, em situações de ocorrência de falha no Sistema Interligado
Nacional (SIN), além de garantir o consumo eficiente do gás natural de Urucu. (ONS,
2012)
13
Figura 2.3 - Sistema interligado do estado do Amazonas.
Fonte: Google Maps (2019).
14
− Sistema Isolado;
No estado do Amazonas existem 89 sistemas isolados, sendo 1 atendido pela
Manaus Energia S.A, e 88 de responsabilidade da companhia Energética do Amazonas
S.A – CEAM. A Figura 2.4, mostra o mapa do sistema isolado do município de
Caapiranga localizado a 133 km da Capital Manaus.
15
2.3 - GRUPO GERADOR
Um grupo motor gerador (GMG) é uma mescla que agrega um motor diesel com
um gerador síncrono, também conhecido como alternador, que gera correntes e tensões
alternadas. Sua finalidade é fornecer energia elétrica para operar de forma autônoma ou
em ligação paralela com a rede convencional de energia elétrica da concessionária, por
meio do uso de óleo diesel como combustível (CHAPMAN, 2013).
Os sistemas de geração com geradores, podem ser classificados como standby,
contínuo ou prime, dependendo de como ele será destinado para entregar a energia
produzida e como a carga aplicada irá se comportar, sendo fundamental ter o
levantamento total de consumo a ser atendido. Quando é conectada uma carga,
imediatamente ocorre uma queda de tensão, a estabilização do gerador, neste momento,
ocorre pela ação do regulador de tensão que aumenta a corrente de campo e a volta da
tensão nominal entre 1 e 10 segundos (CUMMINS, 2015).
A principal diferença entre a energia consumida de um grupo gerador e a
proveniente da concessionária se dá quando conectada uma carga subitamente. A rede
elétrica da distribuidora, normalmente, não ocorre variação de frequência, mas quando
conectada a um gerador, ocorre uma redução na velocidade de rotação do eixo e,
posteriormente, a frequência do GMG é reduzida. Na Figura 2.5 tem-se um
equipamento projetado pelo fabricante Guascor.
16
2.4 - MANUTENÇÃO
17
− Manutenção Preventiva Não Sistemática (Programada):
É um tipo de manutenção voltada na atuação de anormalidades de equipamentos
antes mesmo que ocorram defeitos ou perdas. Tendo como objetivo central o
desenvolvimento de uma cadeia de operações e com um sistema de rotina elaboradas
que atendam as mais diversas atividades, incluindo aquelas manutenções não
programadas. Levando em consideração o período de tempo de funcionamento dos
equipamentos que fazem parte da produção de energia ou não (sistema auxiliares),
conforme determinado pelos manuais dos fabricantes.
− Manutenção Preditiva:
É definida pelas atuações que são feitas nas máquinas de acordo com alterações
em parâmetros de controle. Possui a finalidade de indicar, por meio de softwares e
equipamentos, as condições de funcionamento e desempenho de uma máquina em
tempo real. Por meio desse controle de parâmetros e métricas é possível que os
responsáveis pela manutenção monitorem a degradação dos equipamentos. Tudo isso
evitará que ocorram perdas para a empresa.
Para FOGLIATTO (2011), A principal função de um programa de manutenção é
controlar o estado e garantir a disponibilidade em um equipamento ou sistema. Assim,
entende-se que é necessário identificar o período para realização de manutenções, trocas
e inspeções de maquinários e demais ferramentas utilizadas no processo de manutenção.
18
bem definidos, capaz de consolidar a experiência obtida e fixar os rumos a serem
seguidos.
19
lógica de controle. Além disso, permite a realização de operações mais
complexas do que as realizadas através de relés;
− Grande flexibilidade: torna-se mais simples de modificar a lógica do processo;
− Maior controle: por ser um equipamento microprocessado, dispõem ao usuário a
facilidade de interagir com o hardware via software, se tornando muito prática
facilitando a identificação de falhas;
− Monitoramento on-line: pode-se ter vários controladores conectados
comunicação, e com essa conexão monitorar em tempo real os processos;
− Manutenção simples: o próprio CLP indica a existência de erros;
− Recursos para processamento em tempo real e multitarefa: controle em tempo
real que permite exatidão maior na execução de tarefas.
INICIALIZAÇÃO
20
A Figura 2.6 mostra o princípio de funcionamento de um controlador lógico
programável, sendo cada uma das etapas descritas abaixo:
1. Ciclo de Varredura
Durante o seu funcionamento o CLP realiza sequências de operações
denominada de ciclo de varredura. O tempo que leva para completar um ciclo
denomina-se Tempo de Varredura ou Scan Time, os fabricantes em geral fornecem o
tempo de varredura para executar 1024 (1K) instruções de lógica booleana. Todas as
tarefas que são realizadas pelo processador são executadas sequencialmente e cíclica
enquanto estiver sendo alimentado.
2. Inicialização
No momento em que o CLP está em funcionamento executa uma série de
operações pré-programadas, que são gravadas em seu programa monitor:
− Verifica o funcionamento da CPU, memórias e circuitos auxiliares;
− Confere a configuração interna e compara com os circuitos instalados;
− Checa o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc.);
− Verifica a existência de um programa de usuário;
− Emite bip de erro, caso algum dos itens acima falhe.
21
6. Atualizar o estado das saídas
O CLP escreve o valor que está na memória de saídas, atualizando os módulos
de saída, ou seja, liga ou desliga conforme seu programa, até que se inicie um novo
ciclo de varredura.
UNIDADE
MEMÓRIA DE MÓDULOS DE
DE
DADOS SAÍDAS
PROCESSAMENTO
PROCESSO
MEMORIA DO MEMÓRIA
MÓDULOS DE
PROGRAMA IMAGEM DA
ENTRADA
MONITOR E/S
CIRCUITOS
BATERIA
AUXILIARES
22
alimentação auxiliar para os elementos de chaveamento e conversão os quais possuem
as seguintes funções básicas:
− Converte a tensão da rede elétrica (127 ou 220 VCA) para a tensão de
alimentação dos circuitos eletrônicos, (+ 5 VCC para o microprocessador,
memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o
programador ou computador);
− Mantem a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e
Memória do tipo RAM;
− Fornece tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 VCC).
2. Unidade de processamento
A tarefa principal do processador é a execução do programa realizado pelo
usuário, além de outras, como o gerenciamento da comunicação e execução dos
programas de auto-diagnósticos. Para poder realizar todas estas tarefas, o processador
necessita de um programa escrito pelo fabricante, denominado sistema operacional. Este
não é acessível pelo usuário e se encontra gravado na memória não volátil que faz parte
da CPU. Existem atualmente CLP’s que usam mais de um processador, conseguindo
dividir tarefas e com isso ganhar maior velocidade de processamento e facilidade de
programação.
3. Bateria
As baterias são usadas para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter
parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de rompimento
de energia, além de guardar configurações de equipamentos. Normalmente são
utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni-Ca ou Li. Nesses casos, incorporam se
circuitos carregadores.
23
programa construído pelo usuário e permanecer estável durante o funcionamento do
equipamento com facilidade de leitura, escrita e com possibilidade de exclusão. Por isso
que em seu armazenamento usam-se memórias tipo RAM ou EEPROM. No caso de
usar memórias tipo RAM, será necessário também o uso de baterias, pois esse tipo de
memória se apaga na ausência de um alimentador. A velocidade também exerce um
papel importante na operação do CLP, por isso são utilizadas memórias tipo RAM.
Nesse processo, a memória é responsável pelo armazenamento de todas as informações
necessárias para o funcionamento do CLP.
5. Memória usuário
Armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário, podendo ser
alterada, já que uma dentre várias de se utilizar CLP’s é a flexibilidade de programação.
Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas
memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias), EEPROM e
FLASH-EPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a
troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória
varia bastante de acordo com a marca/modelo do CLP, sendo normalmente
dimensionadas em Passos de Programa.
7. Circuitos auxiliares
24
equipamento e assim que o microprocessador assume o controle do
equipamento, esse circuito é desabilitado.
− POWER-DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente
desenergizado, o conteúdo das memórias pode ser perdido. Para isso há um
circuito responsável pelo monitoramento da tensão de alimentação, e em caso do
valor desta cair abaixo de um limite pré-determinado, o circuito é acionado
interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o
conteúdo das memórias em tempo hábil.
− WATCH-DOG-TIMER: Para garantir no caso de falha de um microprocessador,
o programa não entra em “loop”, considerado assim um desastre, para isso há
um circuito denominado “Cão de Guarda”, que é acionado em intervalos de
tempo pré-determinados, caso não seja acionado, assume o controle do circuito
sinalizando uma falha geral.
São circuitos usados para adequar eletricamente os sinais de entrada para serem
processados pela CPU (ou microprocessador) do CLP, com dois tipos básicos de
entrada: as digitais e as analógicas.
− Entradas Digitais:
São possuem somente dois estados, ligado ou desligado, vejamos alguns
exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas:
− Botoeiras;
− Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;
− Chaves comutadoras;
− Termostatos;
− Pressostatos;
− Controle de nível (boia);
− Etc.
As entradas digitais podem ser programadas para operar em corrente contínua
(24 VCC) ou em corrente alternada (127 ou 220 VCA). Podem ser do tipo N (NPN) ou
do tipo P (PNP) que se refere a construção interna do sensor. No caso do tipo N,
necessita fornecer o potencial negativo (terra ou neutro) da fonte de alimentação para
25
que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo
(fase). Em qualquer dos tipos é de praxe haver uma isolação galvânica entre o circuito
de entrada e a CPU. Esta isolação é realizada normalmente através de opto acopladores.
As entradas de 24 VCC são utilizadas quando identificada a distância entre os
dispositivos de entrada e o CLP não excederam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído
pode provocar disparos acidentais. Conforme mostra as Figuras 2.7 e 2.8, com
exemplos, de circuito de entrada digital 24VCC e 127/220VCA:
− Entradas Analógicas:
As Interfaces de Entrada Analógicas, permitem que o CLP manipular grandezas
analógicas, enviadas normalmente através de sensores eletrônicos. As grandezas
analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No
caso de tensão as faixas de utilização são: 0 a 10 VCC, 0 a 5 VCC, 1 a 5 VCC, -5 a +5
26
VCC, -10 a +10 VCC (para o caso de interfaces que permitem entradas positivas e
negativas são denominadas Entradas Diferenciais), e no caso de corrente, as faixas
utilizadas são: 0 a 20mA ou de 4 a 20mA.
Os principais dispositivos são:
− Sensor de pressão monométrica;
− Sensores de pressão mecânica (strain gauges – usadas em células de
carga);
− Taco - geradores para medição rotação de eixo;
− Transmissor de temperatura;
− Transmissores de umidade relativa.
Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução.
Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de
bits permite uma melhor representação das grandezas analógicas. Por exemplo: uma
placa de entrada analógica de 0 a 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma
sensibilidade de 39,2mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits
permite uma sensibilidade de 2,4mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de
0,2mV. Assim, quanto maior o bit menor a sensibilidade de mV. (NORMAN, 2011).
27
− Módulos para Encoder Absoluto;
− Módulos para Termopares (Tipo J, K, L, S, etc.);
− Módulos para Termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25, etc.);
− Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges;
− Módulos para leitura de grandezas elétricas (kWh, kW, kVA, kVAr, fator de
potência (cosφ), corrente elétrica (I), tensão (V), etc.).
28
Figura 2.12 - Circuito de saída digital à transistor.
− Saídas Analógicas:
Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em
sinais de saídas em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 a 10 VCC ou
0 a 5 VCC, e no caso de corrente de 0 a 20mA ou de 4 a 20mA.
Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo:
− Válvulas proporcionais;
− Motores de Corrente Contínua (CC);
− Servo Motores CC;
− Inversores de Frequência;
− Posicionamentos rotativos;
− Etc.
A Figura 2.13 mostra um exemplo de circuito de saída analógico:
29
Figura 2.14 - Circuito de saída analógico.
30
2.6.1 - Rede Modbus TCP/IP
31
Segundo SALVADOR e SILVA (2005), há quatro elementos básicos que fazem
parte da arquitetura de um sistema de supervisão, são eles: sensores e atuadores,
estações remotas de aquisição e/ou controle, redes de comunicação e monitoração
central. “Sistemas supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação da
planta que gerenciam variáveis de processo. Estas são atualizadas continuamente e
podem ser guardadas em bancos de dados locais ou remotos para fins de registro
histórico.” (MORAES; CASTRUCCI, 2012).
Todo processo é composto de variáveis que definem o bom funcionamento de
um sistema. Para que se possam tomar medidas de controle é necessário saber
continuamente sobre as variáveis para que seja possível atuar de forma mais eficiente
sobre estas. Para exemplificar pode-se citar um gerador eólico, o qual possui variáveis
que devem ser constantemente controladas, como a velocidade do vento, capacidade de
geração ou a tensão da bateria.
Atualmente os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de
computação e comunicação para realizar a aquisição de dados dos processos,
geralmente localizados geograficamente distantes, conforme MOREIRA LOPES (2009)
a respectiva apresentação destes dados ao operador é feita de forma amigável por uma
interface gráfica com recursos os quais ajudam a interpretação destes. Para MORAES e
CASTRUCCI (2007) esses sistemas visam à integridade física dos equipamentos e
operadores, devido à identificação de falhas.
32
e especialistas ajuda a entender as necessidades, requisitos mínimos. Depois de formar
uma ideia sólida sobre o processo, separar este em partes e criar um diagrama de blocos
de modo a entender todas as interações entre as partes e obter uma ideia do volume de
informações trocadas entre elas. Após o entendimento do processo, deve ser feito um
levantamento de todas as variáveis deste, as quais são de suma importância na etapa de
registro histórico, devido a estas definirem possíveis intervenções no processo e
condições de alarme. E para obtenção de uma transferência de dados mais eficiente e
segura entre estação remota e central, um processo de identificação conhecido como
“tag” é aplicado. Em seguida deve ser feito o planejamento da base de dados, parte
essencial de um sistema supervisório, tendo em vista que o histórico de informações do
processo será armazenado neste, e esta deve ser feita pensando em apresentar apenas os
dados essenciais do processo de maneira que o supervisório se torne conciso, porque um
grande tráfego de informações pode prejudicar o desempenho total do sistema. “A
preparação da base de dados deve levar em conta que não importa quão rápido o seu
sistema seja, uma base de dados otimizada representa maior eficiência de troca de
dados, permitindo tempos de atualização menores e menor chance de problemas
futuros.” (MORAES; CASTRUCCI, 2007).
33
verificação de alarmes etc. A função de operação é permitir que os operadores atuem
sobre o sistema. Esta tarefa era realizada nas mesas de controle e hoje estão disponíveis
no supervisório.
As funções de controle incluem: ligar e desligar equipamentos, operação de
malhas de controle, mudança de modo de operação de equipamentos, etc. Para FILIPE
(2018) a função de controle é a ação de gerar um sinal de saída para o processo, a fim de
manter a variável controlada em um estágio pré-estabelecido, alguns sistemas de
supervisão possuem uma linguagem de programação que permitem definir a estratégia
de controle sem depender de um equipamento intermediário. Os sistemas SCADA
possuem um ambiente integrado de desenvolvimento que possui editor de gráficos,
editor para banco de dados, relatórios, receitas e editor de scripts.
34
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
35
A pesquisa bibliográfica, ou de fontes secundárias, abrange toda a bibliografia já
tornada pública em relação ao tema de estudo, desde publicações avulsas, boletins,
jornais, revistas, livros, pesquisas, monografias, teses, artigos científicos impressos ou
eletrônicos, material cartográfico e até meios de comunicação oral: programas de rádio,
gravações, audiovisuais. (LAKATOS, 2017).
Nos ensinamentos de PRODANOV, CLEBER CRISTIANO (2013), “a pesquisa
bibliográfica é elaborada a partir de material já publicado, constituído principalmente
de: livros, publicações, artigos científicos, monografias, dissertações, com o objetivo de
colocar o pesquisador em contato direto com todo material já escrito sobre o assunto da
pesquisa, [...]” e fundamentou as informações necessárias sobre a Energia; O histórico
do Setor Elétrico Brasileiro; A configuração do Sistema Elétrico na Amazônia;
Unidades Geradoras; A Manutenção; Controladores Lógicos Programáveis; Sistemas
Supervisórios, e demais tópicos pertencentes a estruturação desta monografia.
36
localizada há cerca de 331 quilômetros da capital Manaus, onde foram realizadas visitas
a fim de “levantar” informações que atendesse a realização desse trabalho, levando-se
em consideração as atividades cotidianas realizadas pelos mantenedores, operadores e
demais colaboradores que laboram na usina, assim também, como as informações dos
equipamentos instalados nesse ambiente como: motores, geradores, caldeiras, sistemas
elétricos, mecânicos, pneumáticos e sistemas lógicos (CLP). E no contexto desse estudo
de caso, as atividades específicas de leitura e medição das grandezas elétricas utilizadas
para a implementação de um sistema supervisório.
37
3.1.3.2 - Operação e manutenção
38
Figura 3.3 - Anotações de grandezas elétricas dos alimentadores coletada pelos
operadores.
39
Dessa forma, grande parte das atividades em uma usina têm o risco de acidentes,
seja: elétrico, mecânico, em altura, queimaduras, entre outros. Entretanto, e não menos
importante, temos que levar em consideração as instalações da usina, pois como está em
um município do Estado do Amazonas, nesse estudo de caso em Barreirinha, a
proximidade com a área florestal é ponto crítico, pois há vários tipos de risco, como por
exemplo:
− Picadas de insetos;
− Picadas de animais peçonhentos;
− Ataques de animais carnívoros, e etc.
E como relatados por vários colaboradores, já houveram vários incidentes na
usina, relacionados a esses animais.
Sob outra perspectiva, temos a proximidade dessas usinas com o leito do rio, até
por quê, é uma questão de logística da usina a utilização dos rios, tendo em vista que os
recebimentos de equipamentos, ferramentas, óleo lubrificante, entre outros, além dos
próprios colaboradores (funcionários) usam para acessar a usina em situações onde os
rios estão cheios (jusante) mostrado na Figura 3.5. Entretanto, o período que ocorre a
subida dos rios traz consigo, também, a proximidade de répteis no ambiente da usina.
40
3.1.3.3 - Painel de controle
41
manualmente, conforme a necessidade do sistema de distribuição de energia
elétrica.
A Figura 3.6 mostra um dos painéis de controles instalados na usina com vista
externa (fechado) e interna (aberto).
42
Como os equipamentos estão instalados em um sistema integrado de
comunicação, esse CLP, também, “responde” aos comandos realizados pelo computador
supervisório. Dessa forma os operadores/mantenedores realizam ajustes, quando
necessário, para atender de forma controlada e segura, a necessidade de carga que o
sistema de distribuição de energia elétrica desse município solicita.
Ainda no painel concentrador tem-se instalado os equipamentos de comunicação
via Ethernet (Moldem GSM), que possibilita o tráfego de todas informações nesse
sistema que são visualizados e/ou “setados” na interface do supervisório ou nos
módulos IHM, localizados dentro da sala de máquinas.
43
− Tela sensível ao toque (IHM) colorido para interação de forma remota com os
painéis de controle dos grupos. (Inserção remota de valores de potência, partida
remota dos grupos em função da demanda de carga, etc...);
− Modem GSM;
− Carregador de Baterias de 20 A;
− 2 baterias de 12 VDC e 38 Ah para garantir a alimentação do painel.
A Figura 3.8 mostra a tela IHM que fica na parte externa do painel de controle.
44
Figura 3.9 - Painel de comando operacional.
Por outro lado, nas unidades geradoras e em seus sistemas auxiliares estão
instalados vários equipamentos analógicos, em destaque os manômetros por exemplo,
que durante as manutenções preventivas, deparamos em alguns momentos com
divergências, levando a condição de dúvidas nas leituras, quando faz-se o comparativo
com as medições do sistema supervisório, Figura 3.10. O que torna para os operadores e
mantenedores uma situação duvidosa, pois a atividade de acompanhamento das leituras
desse equipamentos são de grande importância para o bom funcionamento dos
equipamentos e, além disso, influenciando nas tomadas de decisões e principalmente na
possibilidade de ocorrer um sinistro agravante na planta.
45
3.2 - IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO
46
Figura 3.11 - Interface inicial do sistema.
47
conexão com a internet. Como demonstração, tem-se a Figura 3.13, a navegação pelo
sistema Android.
48
Figura 3.14 - Medições energéticas dos municípios da calha do baixo Amazonas.
49
3.2.3.2 - Interface do alimentador 01
A Figura 3.16 ilustra as leituras das medições das grandezas elétricas específicas
do circuito denominado alimentador 01, as quais foram captadas a exibidas na interface
04BAM_01_Barra_ALP01 do supervisório.
Nessa mesma interface, também são disponibilizados dois botões para acessos
distintos, são eles:
50
Exibindo, dessa forma, os últimos registros capturados dessas grandezas
elétricas, organizados e dispostos em duas categorias: Picos (Máximos e Mínimo) e em
intervalos (dia e mês). Figura 3.17. Possibilitando, identificar de forma simplificada,
esses picos nos dias e horários correspondentes, já que tais informações são de
relevância para os relatórios de acompanhamentos diários e mensais realizados pela
equipe de operação da planta.
51
Figura 3.18 - Registros histórico de dados.
Após clicar na opção Voltagem em vermelho, tem-se o acesso aos dados das
medições captadas de um dos alimentadores dessa usina, representados em vários
cenários, tendo como proposta, a melhor visualização desses eventos.
Neste item as interfaces das opções de: Voltagem, Corrente, Potência e Fator de
Frequência terão a mesma estrutura na interface Relatório por Período exibida na
Figura 3.19, obtendo resultados de grande relevância para a manutenção e para a equipe
de operação desse sistema, já que nessa interface há a viabilidade de acessar o histórico
de dados captados para realizar as análises dessas variações ocorridas nesse alimentador
no decorrer dos períodos selecionados, ou ainda, personalizar o período a ser analisado.
Essa temática traz uma proposta, ainda que de forma primária e limitada, uma
perspectiva no entendimento das variações de comportamentos dessas grandezas
elétricas citadas anteriormente, para possíveis causas de problemas que ocorrem na
própria unidade geradora, refletindo em pequenas melhorias que possa aperfeiçoar os
procedimentos nas intervenções das manutenções das unidades geradoras e minimizar o
tempo na normalização do sistema de geração.
52
Figura 3.19 - Interface relatório por período.
53
esse período inicia as 00h00m do primeiro dia do mês passado e finaliza às
23h59m do último dia desse mês.
− De: (data) até (data): é a possibilidade de gerar dados em um período inicial e
final do calendário, especificado pelo usuário. Entretanto, assim, como descrito
no item anterior, o período pesquisado iniciará às 00h00m da data inicial e terá
como hora término às 23h59m da data final dessa pesquisa. Por outro lado,
existe a possibilidade de que as datas das pesquisas sejam anteriores as datas de
captação dos dados do sistema, e sendo assim, não será disposto nenhum dado.
E para não gerar dúvidas nas opções de pesquisa nessa interface, deve-se adotar
apenas uma opção por vez, pois, conforme a lógica de programação elaborada, não há a
possibilidade de selecionar duas ou todas as opções disponíveis.
Para efeito didático da funcionalidade do sistema, selecionou-se como exemplo a
última opção listada anteriormente de: (data) até (data) tendo como base o período de
30/11/2019 00h:00m à 01/12/2019 23h:59m conforme item selecionado em verde na
imagem 3.18 e a tabela gerada após clicar nessa opção, conforme ilustra a Figura 3.19.
Na tabela gerada por essa opção de pesquisa são exibidos os dados captados
nesse horário e período da tensão de cada fase do alimentador 01, que conforme
54
disposição na interface, possibilita também, a visualização gráfica da composição dos
dados dessa grandeza elétrica.
A Figura 3.21 exibe um gráfico em destaque as opções de Voltagem, oriundo
dos dados da tabela da Figura 3.20, e na interface desse gráfico, pode-se também, exibir
vários cenários nesse plano. Como exemplo, a supressão de uma das fases, bastando
clicar em uma das caixas das fases que estão disponibilizadas (conforme box destacado
em vermelho da Figura 3.21), proporcionando ao usuário realizar as análises de cada
fase nesse período. Há de ressaltar, que pode ser preterida pelo usuário qualquer outra
fase que deseje suprimir ou visualizar nesse cenário.
55
área inferior esquerda da Figura 3.22, onde está descrito: clique com o botão esquerdo
e arraste para ampliar. Clique duas vezes para restaurar.
56
elaboração de relatórios técnicos dos eventos ocorridos para uso dos operadores e
mantenedores desse sistema, quando necessário. Vale salientar, que as causas da
variação de tensão são diversas. Dentre as mais comuns estão o chaveamento de cargas
de potência elevada, que quando são ligadas necessitam uma quantidade de energia
grande da rede, o que acarreta em uma queda de tensão, e quando são desligadas
devolvem essa energia para a rede de uma vez só, acarretando em uma elevação da
tensão por um determinado tempo. Outro motivo é o acionamento de banco de
capacitores, que ao serem acionados exigem uma corrente maior da rede para serem
completamente energizados, o que ocasiona uma redução de tensão significativa.
Diante ao exposto, também há a viabilidade de realização das análises das outras
grandezas como a opção Corrente, por exemplo, na qual o usuário terá acesso através da
interface Relatório por Período do Alimentador 01. E para efeito de demonstração da
funcionalidade do sistema, também adotou-se o mesmo intervalo utilizado
anteriormente, ou seja, o período de 30/11/2019 00h:00m à 01/12/2019 00h:00m, para
a geração do gráfico com os comportamentos dos dados da corrente elétrica de cada
fase, conforme exibido na Figura 3.24.
57
visão dinâmica do processo. E com incrementos nos processos de visualização, pode-se
realizar as implementações de ampliação dos gráficos, para uma análise mais detalhada
e supressão de uma ou duas fases da corrente elétrica do alimentador.
Dando continuidade nas opções da interface da Figura 3.18 de Registros de
Histórico de Dados e seguindo os passos anteriores de parametrização dos períodos
aplicados, tem-se acesso a geração de gráficos de Energias (Ativa e Reativa) além das
Potências (Ativa e Reativa), Figura 3.25. Que, assim como os demais gráficos exibidos,
podem ser ampliados, conforme a necessidade do usuário.
E seguindo esses tópicos, tem-se por último e tão importante quanto as outras
grandezas elétricas citadas anteriormente, a Frequência e o Fator de Potência Indutivo.
Valer ressaltar que a frequência elétrica, por padronização pelo órgão
regulamentador no Brasil a ANEEL, estabelece conforme os Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. Módulo 8 –
Qualidade de Energia, que a variação deve ser na faixa de 59,5 Hz a 60,5 Hz. E levando
em consideração a exibição do gráfico da Figura 3.26, percebe-se que a frequência
medida está dentro da faixa estabelecida, ou seja, está adequado aos procedimentos
legais estabelecidos.
58
Figura 3.26 - Gráfico de medições de fator de potência/frequência.
59
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
60
Dessa forma, a implementação desse sistema supervisório, viabilizou no ponto
de vista técnico, melhorias na análise e interpretação das variações das grandezas
elétricas captadas no supervisório implementado no sistema de geração de energia do
município de Barreirinha. Para tanto, ressalta-se alguns exemplos de atividades
diretamente relacionada ao sistema de distribuição de energia elétrica, oriundas da
aplicação dessa melhoria no sistema em decorrência da implementação do sistema
supervisório:
− Situação 1:
Realizou-se um estudo de uma situação em que se verificava, via sistema
supervisório, a defasagem considerável entre as correntes das fases do alimentador 01
(fase B), tendo como pontos de análises, as variações das distorções e o período. E
conforme a utilização da ferramenta de geração de gráficos do supervisório, foram feitas
análises das possíveis causas atribuídas para as origens desse desequilíbrio.
Com isso, as análises técnicas dos gráficos condicionaram a realização de várias
atividades em campo para mitigar a resolução dessa defasagem. Onde técnicos da
manutenção realizaram as adequações, também conhecido como “balanceamento de
cargas” de vários transformadores de distribuição instalados nessa rede. Nessas
atividades, foram realizados o balanceamento de 8 transformadores, sendo: 3 de
150kVA e 5 de 112,5kVA, em um período 5 semanas, aproximadamente.
A Figura 4.2, reflete o comportamento das variações das três correntes do
alimentador 01, anterior as atividades realizadas pelos técnicos para a adequação das
cargas desse circuito.
61
Como resultado dessas atividades, de acordo com a Figura 4.3, tem-se o
equilíbrio das correntes do alimentador 01, impactando, diretamente, na vida útil do
transformador, na minimização de quedas de tensões desse equipamento (reclamações
constantes dos consumidores alimentados por dessa rede), devido a adequação das
cargas e no equilíbrio das cargas refletida nos geradores da usina. Dessa forma, a
utilização de ferramentas do supervisório para geração de gráficos, propiciaram análises
e mitigações na atuação dos agentes causadores desse distúrbio no sistema.
− Situação 2:
Trata-se de um evento ocorrido no Município de Barreirinha, onde haviam
distúrbios em determinados períodos do dia, causando perturbações no fator de potência
do alimentador 02, Figura 4.4. E diante desses dados, foram realizados estudos
pesquisas de campo, para avaliar e esclarecer quais as causas que estavam ocasionando
esse comportamento nocivo ao alimentador 2.
E através das várias análises, o primeiro ponto analisado estava relacionado a
carga muito elevada do alimentador 2, comparado com o alimentador 1 desse sistema
elétrico. Verificou-se também, via sistema supervisório, que durante o período noturno,
ou seja, fora do horário comercial, o fator de potência desse alimentador voltava ao
estado de normalidade. E paralelo a essas análises, verificou-se, com os estudos de
campo, que haviam duas olarias instaladas no circuito desse alimentador.
Diante a esses estudos e análises, identificou-se que as duas olarias instaladas no
circuito do alimentador 02 estavam causando um surto indutivo nesse sistema, devido
62
ao funcionamento dos vários motores elétricos instalados nas plantas das olarias,
confirmados durante as visitas técnicas realizadas.
63
É claro e evidente que todo os processos e resultados demostrados, necessitam
de constantes melhorias e aperfeiçoamento e esse sistema supervisório implementado
não foge à regra. Entretanto, o fato de haver a possibilidade de armazenamento,
estruturação e acompanhamento, em tempo real, desses dados captados de forma
automática, como o caso da usina do município de Barreirinha. E com resultado dessa
captação, a possibilidade de realização de análise desses dados acerca desse processo,
possibilitando, por exemplo, encontrar padrões e tendências resultados das variações
desse sistema, possíveis falhas, como defasagem entre fases, variações do fator de
potência e até mesmo possíveis interrompimentos de energia, já concede essa
implementação do sistema supervisório um grande aliado no desenvolvimento de
melhorias nos processos para esse sistema.
Ressaltando e levando em consideração que, anteriormente, todos os dados
extraídos eram realizados de forma manual pelos operadores da usina, e sem desmerecer
de forma alguma, a realização dessas atividades na coleta das informações de forma
organizada. Entretanto, apenas com essas planilhas de dados das medições anotadas não
havia condições, nessa circunstância, uma clara percepção e sensibilidade nos
comportamentos dessas grandezas elétricas entre o sistema de geração de energia
elétrica e as cargas do sistema de distribuição.
Nessa linha de tendência, o acompanhamento do comportamento desses dados
compilados via internet e em tempo real, possibilita, além do fácil entendimento visual
dessas grandezas elétricas captadas, uma melhoria na performance dessa análise dos
dados, além do mais, todos esses dados podem ser visualizados dentro da característica
de cada interface do supervisório, a qualquer momento e em qualquer lugar, tendo
apenas o acesso a esse sistema supervisório, via internet.
64
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
5.1 - CONCLUSÕES
65
sobre sistemas de geração de energia. As responsabilidades incumbidas também
contribuirão para um grande crescimento profissional. Além disso, a convivência diária
em uma seção com envolvimento em diversas áreas de atuação com sistemas
supervisório contribuiu para um aumento da percepção de novas soluções de projetos.
Assim como qualquer sistema e/ou processos são suscetíveis a melhorias
contínuas, torna-se necessário estudos para tais necessidades, até porquê, devido a
limitação de tempo, viabilização financeira e de estudos de vários equipamentos
auxiliares e do próprio motor, não forma possíveis realizar implementações.
5.2 - SUGESTÕES
66
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
67
FOGLIATTO, F. S. Confiabilidade e manutenção industrial. Rio de Janeiro: Editora:
Elsevier Ltda. ABEPRO, 2011. ISBN 978-85-352-5188-3.
68
MICHEL, J. C.; STRINGARI, S. Protótipo de Rede Industrial Utilizando o Padrão
Serial RS485 e Protocolo Modbus. I Congresso Brasileiro de Computação – CB-
Comp 2001, Blumenau, SC, 2001.
69
STOUFFER, K.; FALCO, J. Guide to supervisory control and data acquisition
(SCADA) and industrial control systems security. 2006.
70