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agua
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Automação, Modelagem, Controle eSimulação da Estação de Tratamento
de Água Hengstey
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Marcelo De Lellis Costa de Oliveira
Florianópolis, outubro de 2006
Automação, Modelagem, Controle e Simulação daEstação de Tratamento de Água Hengstey
Marcelo De Lellis Costa de Oliveira
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplinaDAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final peloCurso de Engenharia de Controle e Automação Industrial
Banca Examinadora:
Dipl.-Ing. Marc KuchenbeckerOrientador Empresa
Prof. Marcelo Ricardo StemmerOrientador do Curso
Prof. Augusto Humberto BruciapagliaResponsável pela disciplina
Prof. Max Hering de Queiroz, Avaliador
Eduardo Valim, Debatedor
Rafael Gonçalves d’Ávila da Silva, Debatedor
Agradecimentos
Nada no mundo se alcança sozinho, de forma isolada. Assim, o trabalho aqui
apresentado não poderia ter sido realizado sem a participação direta e indireta de
muitas pessoas, amigos, familiares, professores, os quais através dos anos de convi-
vência e ensinamento, ou mesmo nas mais pequenas contribuições, colaboraram para
a consolidação e sucesso deste projeto de fim de curso.
Primeiro eu gostaria de agradecer ao meu pai Alvaro e à minha mãe Rejane,
com cujo amor e apoio incondicional pude contar desde a mais tenra idade. Nunca
mediram esforços para ofertarem-me as melhores oportunidades de estudo e aprendi-
zado, não só acadêmicas, mas de vida. Antes de tudo foram meus melhores amigos,
sempre foram meus maiores incentivadores, desde os brinquedos de criança até esta
experiência de engenharia no exterior. Tudo lhes devo. Muito obrigado pai e mãe, isto
é para vocês.
Imprescindível foi a participação de meus companheiros de jornada acadêmica,
que com o tempo se tornaram muito mais que companheiros, mas sinceros ami-
gos. Com eles aprendi muito. Em especial agradeço ao meu colega Adriano Bess
por apresentar-me a oportunidade de estágio no Laboratório de Automação Industrial
(LAI) do Departamento de Automação e Sistemas (DAS), além dos ensinamentos em
programação e software. Ao meu colega Renato Leal, lhe agradeço profundamente
pela oportunidade deste projeto de fim de curso na empresa GreyLogix, na Alemanha,
além dos frutos que se seguem. Ao meu professor José Cury, agradeço pelos ensina-
mentos e incentivo no estudo de Sistemas a Eventos Discretos, além de seu especial
companheirismo.
Agradeço muito a todo o apoio e dedicação de meus colegas na GreyLogix. Em
especial sou muito grato a Lars Malter, Gerd Witzel e Matthias Buch, pela estrutura
que me ofereceram de sua empresa, pela oportunidade de visita à feira de Hanno-
ver e acomompanhamento in loco do projeto, além da confiança em mim depositada
para os planos futuros. À Stephanie Blank, muito obrigado pelo planejamento e apoio
burocrático do meu projeto na empresa e estadia na Alemanha. Aos meus colegas
de projeto, em especial ao meu orientador Marc Kuchenbecker, sou grato por toda
a disposição e paciência no ensinamento sobre as ferramentas de desenvolvimento
Simatic-Siemens, além do auxílio no aprendizado da língua alemã.
i
Sou especialmente grato à toda minha família pelo apoio nesta jornada, pelo
amor, companheirismo e amizade profundos que sempre nutrimos. Ainda que a facul-
dade tenha nos distanciado geograficamente, nos aproximamos ainda mais. Muitas
vezes deixamos de nos reunir em prol dos compromissos acadêmicos. Em especial
agradeço aos meus avós paternos Mirocem e Maria, pelo exemplo de trabalho, seri-
edade e dedicação que sempre me apresentaram. Aos meus avós maternos Miguel
(In Memoriam) e Evanir, por todo o apoio e carinho sinceros com os quais pude contar
por todos estes anos, assim como à minha dinda Rosane e à minha irmã Aline.
Por último, agradeço aos meus amigos que me acompanharam por toda esta
importante etapa, tornando o cotidiano mais fácil e descontraído.
A todos, sou muito grato. Graças a Deus.
ii
Resumo
O trabalho aqui apresentado foi realizado no âmbito do projeto de automação e
controle da estação de tratamento de água (ETA) Hengstey, no município de Hagen,
Alemanha. No momento da apresentação deste relatório o projeto ainda encontra-
se em desenvolvimento, com duração estimada em pelo menos um ano e meio, de
maneira que neste documento constam os resultados parciais obtidos nos seis meses
de duração das atividades deste aluno, entre fevereiro (início do projeto) e agosto de
2006.
Essencialmente trata-se de um projeto de retrofitting, através do qual toda a
infra-estrutura de hardware é renovada e as diversas partes da planta são integradas
através da implantação de um sistema supervisório. Além disso, um modelo de infil-
tração e distribuição da água no subsolo foi elaborado, o qual não existia de maneira
formal até o momento, permitindo uma melhor sistematização e controle da etapa de
purificação da água no lençol freático. Outra colaboração relevante do aluno foi na
elaboração de uma simulação geral da planta, com a qual pôde-se testar diversas si-
tuações de demanda de água e verificar o comportamento dos módulos, auxiliando no
processo de ajuste de seus controladores.
O projeto foi desenvolvido utilizando produtos Siemens da linha Simatic, tais
como controladores lógico-programáveis (CLPs) das classes S7-300 e S7-400, swit-
ches Ethernet com suporte à fibra-óptica, painéis de controle para operação in loco e
integração com os CLPS, computadores de arquitetura IBM-PC, entre outros. As prin-
cipais ferramentas de desenvolvimento (software) foram as aplicações da suíte PCS7
– para programação de CLPs e demais componentes do nível de “campo” – e o ambi-
ente de desenvolvimento do sistema supervisório (SCADA) WinCC. Três protocolos de
redes industriais foram empregados: Profibus, MPI e Ethernet (wireless, fibra-óptica e
par-trançado).
Em suma, as atividades desenvolvidas abrangeram diversas disciplinas do curso
de graduação em Engenharia de Controle e Automação Industrial da UFSC, em es-
pecial: Informática Industrial (CLPs, sistemas SCADA, programação C), Modelagem e
Controle de Sistemas Automatizados (sistemas a eventos discretos, autômatos, graf-
cets), Avaliação de Desempenho de Sistemas (indicadores de desempenho, modelos
de simulação) e Redes para Automação Industrial (Ethernet, Profibus).
iii
Abstract
The work presented in this document was realized in the scope of the automa-
tion and control project for the Hengstey water treatment station (ETA) in the city of
Hagen, Germany. At the moment of presentation of this report the project is still in de-
velopment, with a total estimated duration of one and a half year, so that hereby will be
presented the partial results obtained by the student between the months of February
(project’s beginning) and August, 2006.
Essentially it consists of a retrofitting project, whereby all the hardware infras-
tructure is renewed and all the parts of the plant are integrated by means of a su-
pervisory system. Moreover, an infiltration and subsoil water distribution model was
elaborated, one that so far did not exit in a formal way, making it possible a better
systematization and control of the water purification stage through the underground.
Another relevant colaboration from the student took place on the creation of an over-
view simulation of the water station’s operation, wherewith one can test several water
demand circumstances and verify how each one of the modules respond to that, hel-
ping in the process of adjusting their controllers.
The project was developed using Siemens (Simatic line) products, such as pro-
grammable logical controllers (PLCs) from classes S7-300 and S7-400, Ethernet swit-
ches with optic fiber support, control panels for in loco operation and integration with
PLCs, IBM-PC computers, among others. The main development tools (software) utili-
zed were the applications from the PCS7 suite – for PLC and correlated field devices
programming – and the development environment for the WinCC supervisory system
(SCADA). Three industrial network protocols were used: Profibus, MPI and Ethernet
(wireless, optic fiber and twisted-pair).
In summary, the developed activities covered several subjects of the Enginee-
ring of Control and Automation’s UFSC graduation course, specially: Industrial Infor-
matics (PLCs, SCADA systems, C programming), Modelling and Control of Automa-
tized Systems (discrete-event systems, automata, grafcets), Evaluation of Systems’
Performance (performance indicators, simulation models) and Networks for Industrial
Automation (Ethernet, Profibus).
iv
Sumário
1 Introdução 1
2 Descrição do Processo 4
2.1 Etapas do Tratamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Tratamento de Água Residual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Filtragem pelo Subsolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Poços Artesianos e de Captação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Fornecimento de Água Tratada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Especificações de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Tecnologia Empregada 11
3.1 Industrial Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Fieldbus Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Controladores Lógico-Programáveis S7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1 Estações ET-200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 PCS7: Sistema de Controle de Processos . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4.1 Programação direta em Blocos – Bausteine . . . . . . . . . . . . 21
3.4.2 Programação em Diagramas – Pläne . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.3 Programação em SCL – Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 WinCC: Sistema SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.2 WinCC – Windows Control Center . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Modelagem da Planta 30
4.1 Reservatórios de Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
v
4.2 Interação entre Reservatórios Subterrâneos . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 Drivers para Atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Motor On-Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.2 Válvula Simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 Válvula de Posicionamento Intermediário . . . . . . . . . . . . . 42
5 Sistemas de Controle e Automação 43
5.1 Controlador Discreto de Nível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1.1 Controle do Reservatório Superior . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.2 Controle do Reservatório de Água Tratada . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Distribuição de Água nas Piscinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Mecanismo de Previsão de Demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Tratamento de Água Residual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Simulação e Resultados 59
6.1 Metas e Indicadores de Desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 Parametrização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Simulação de Demanda Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.4 Teste de Capacidade de Resposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Conclusões e Perspectivas 70
Bibliografia 74
vi
Capítulo 1: Introdução
A água no planeta Terra encontra-se em um constante ciclo de chuvas e eva-
poração e não é um recurso finito como o petróleo ou gás natural. A água não é
verdadeiramente “consumida”, ainda que a linguagem corriqueira assim sugira: ela é
simplesmente usada e então reingressa ao ciclo [1].
Dados obtidos do Ministério de Meio-Ambiente, Conservação da Natureza e
Segurança Nuclear (BMU [2]) da Alemanha apresentam o país como um dos que
possuem os mais abundantes reservatórios de água. Cerca de 3% da água disponível
é utilizada para o fornecimento de água potável. Mais de dois terços da água potável
provêm de lençóis subterrâneos.
“A água não é um produto comercial como qualquer outro, mas sim uma
herança que deve ser protegida, defendida e tratada como tal...”
A citação acima foi extraída do documento de Diretivas Européias para Mani-
pulação de Água [3]. O BMU vem implementando políticas segundo estas diretivas,
concentrando-se fundamentalmente na manutenção e restabelecimento do equilíbrio
ecológico de aquíferos, na garantia do suprimento de água potável e na providência de
instrumentos legais a longo prazo que garantam a utilização de água em prol do be-
nefício público. Não somente o fornecimento, mas o tratamento da água residual dos
processos industriais e consumo residencial é alvo de tais políticas, em especial na
prevenção da poluição de reservatórios subterrâneos e superficiais com substâncias
ofensivas, tóxicas e/ou orgânicas persistentes, assim como metais pesados, reduzindo
a inserção destes agentes poluidores nos mares do Norte e Báltico. De fato, este do-
cumento de diretivas somente veio a formalizar uma atitude responsável e concreta
que a Alemanha vem assumindo cada vez mais – a de agregar ao desenvolvimento
sócio-econômico a sustentabilidade ambiental.
As atividades e requisitos técnicos relacionados à captação, tratamento, arma-
zenamento e distribuição no âmbito de água potável são executados por aproximada-
mente 6 mil e 700 companhias em toda a Alemanha. Elas operam aproximadamente
18 mil plantas de captação, que por sua vez fornecem água a 98,9% da população.
Anualmente as residências da cidade de Hagen consomem aproximadamente
12 milhões de metros cúbicos por ano de água potável. Para preservar e garantir o alto
1
padrão de qualidade da água fornecida, a empresa Mark-E, responsável pela opera-
ção e manutenção da ETA Hengstey, está investindo 19 milhões de euros em um vasto
programa de retrofitting (modernização) da planta Hengstey e Haspe, ambas abaste-
cedoras de Hagen. Este grande investimento é motivado, entre outras razões, pela
busca de uma considerável economia de energia atribuída principalmente ao aumento
da eficiência da planta através da renovação do hardware e da automação “inteli-
gente”. As atividades de acionamento, sensoriamento, controle e automação foram
delegadas à empresa GreyLogix. A figura 1.1 apresenta a localização geográfica da
planta e da empresa.
Figura 1.1: Localização geográfica da ETA Hengstey e da GreyLogix, na Alemanha.
A empresa GreyLogix GmbH originou-se do departamento especializado de au-
tomação, criado pela HGC Hamburg Gas Consult GmbH, em 1996. Em 1ode abril de
2000 o departamento tomou independência, com a fundação oficial da empresa sob
comando acionário da HGC. Aliadas à GreyLogix GmbH existem hoje as subsidiárias
GreyLogix Aqua e GreyLogix DrinkTek, as quais oferecem soluções industriais espe-
cializadas em tecnologia de automação. Atualmente o grupo GreyLogix, cuja matriz
encontra-se na cidade de Flensburg, dispõe de um grupo de 180 colaboradores alta-
mente motivados e qualificados, e conta com filiais em Hamburg, Berlin, Brunsbüttel
e Gelsenkirchen, todas na Alemanha, realizando projetos inclusive no exterior. Além
disso, a empresa atua hoje com a perspectiva de se instalar também no mercado
2
brasileiro e latino-americano.
Os principais setores nos quais a GreyLogix realiza seus projetos de automação
são o de gás natural, tecnologia de calor (e.g. plantas de vapor), fornecimento de água
potável e tratamento de esgoto e água de rejeito industrial, usinas de energia elétrica
(principalmente termoelétricas), plantas de biogás, fábricas alimentícias, indústrias de
papel, e empresas de logística. A maioria dos projetos conta com a implantação de
sistemas supervisórios para a integração dos diversos setores da planta trabalhada.
A empresa concentra as atividades de elaboração do projeto de automação e
controle através da configuração, programação e instalação de equipamentos, na mai-
oria da Siemens, tais como CLPs, PCs, sensores e atuadores em geral. Um projeto
geralmente envolve equipes de hardware – responsável pela listagem de sinais da
planta, e montagem dos equipamentos e cabines de controle – e de software – com-
prometida com o desenvolvimento da lógica de controle e automação e a respectiva
programação dos elementos “inteligentes” do projeto, como os CLPs. Durante a fase
de testes e implantação dos sistemas projetados, representantes das duas equipes
são levados à planta para a sua realização. Em projetos relativamente maiores, como
o da ETA Hengstey, a tarefa de instalação do hardware foi terceirizada, possibilitando
à GreyLogix concentrar-se na principal tarefa, a de elaborar a programação da inte-
gração, controle e automação da ETA.
Pelo deferimento do certificado Simatic Solution Provider and WinCC Professi-
onal à GreyLogix, o grupo empresarial Siemens AG confirma a alta competência da
empresa na utilização de software e hardware da família Simatic, especializada em
automação industrial.
3
Capítulo 2: Descrição do Processo
A ETA Hengstey é dividida simplificadamente em sete módulos: (1) captação
de água bruta, (2) filtragem rápida, (3) tratamento de água residual, (4) filtragem pelo
subsolo, (5) poços artesianos e de captação, (6) torre de reação e (7) fornecimento de
água tratada. Dentre estes, o aluno atuou diretamente na programação dos módulos
3, 4, 5 e 7. A figura 2.1 apresenta um esquema simplificado do processo de tratamento
de água [4] na ETA Hengstey através de seus módulos.
Figura 2.1: Esquema simplificado do processo de tratamento de água e módulos.
2.1: Etapas do Tratamento
A água bruta é captada do lago Hengstey pelo módulo 1, o qual faz o controle
do volume de água captada através de suas comportas. Normalmente não é neces-
sário o bombeamento e a condução da água se dá pela força gravitacional por uma
tubulação de 600m até o módulo 2. Antes da filtração rápida à água é adicionado
policloreto de alumínio (Aln(OH)mCl(3n−m)) como elemento floculante, de modo a
incrementar a eficiência da filtração. Após, lhe é insuflado oxigênio (O2) atmosférico
para repor as perdas deste elemento, como consequência do processo de filtração.
4
A água então pré-purificada e enriquecida com oxigênio chega ao subsolo atra-
vés das piscinas de infiltração lenta (módulo 4). Através desta filtração lenta com
areia a água é biologicamente purificada: substâncias orgânicas são parcialmente
convertidas através da ação de bactérias (oxidação) em dióxio de carbono (CO2) e
água (H2O), sendo que através de outras bactérias amônia (NH3) e nitritos (NO2) são
oxidados a nitratos (NO3) – nitrificação.
A recuperação da água do subsolo artificialmente enriquecida ocorre por meio
de 81 poços artesianos, que são conectados através de 6 galerias a 3 poços de cap-
tação (módulo 5). Cada poço artesiano conecta-se somente a um poço de captação
por meio de uma galeira. A água que sai destes poços é desinfetada com óxido de
cloro (Cl2O). Como um passo posterior de tratamento, lhe é adicionada uma mistura
de mono e polifosfato (PO3−4 ), de maneira a garantir um grau suficiente de proteção à
corrosão na tubulação à jusante.
Na torre de reação (módulo 6) a água é neutralizada (deacidificação) com adi-
ção de soda cáustica (NaOH); além disso, ali ar lhe é novamente insuflado, para
enriquecer a água com oxigênio. A torre é ligada a um reservatório, do qual através de
bombas hidráulicas a rede de distribuição de água potável é alimentada. Entretanto,
antes do bombeamento ocorre uma desinfecção com adição de cloro (Cl2).
A água resultante do processo de limpeza dos filtros rápidos, antes de ser de-
volvida ao rio, é tratada e limpa no módulo de tratamento de água residual (2), através
de processos de decantação de partículas em suspensão e pela filtragem da água
em filtros de areia dinâmicos (Dynafilter ), de modo a garantir os valores mínimos de
pureza da água a ser devolvida ao meio-ambiente. Após a finalização do projeto de
retrofitting a ETA será capaz de operar em condições normais praticamente de forma
automática total, com protocolamento dos dados de processo através do sistema su-
pervisório. Entretanto, em qualquer etapa do processo de tratamento podem ocorrer
intervenções manuais de controle, quando desejáveis e/ou necessárias. A ETA Hengs-
tey possui uma capacidade atual de fornecimento de até 2500m3/h de água potável.
A seguir descrevem-se em maiores detalhes os módulos nos quais o aluno
atuou diretamente.
5
2.2: Tratamento de Água Residual
Este módulo realiza o tratamento da água produto do processo de limpeza dos
filtros rápidos antes da sua reinserção ao meio-ambiente. Consiste essencialmente de
dois tanques de decantação, dois tanques de compressão, um reservatório de água
poluída (RP) e três filtros de areia Dyna, conforme apresentado esquematicamente na
figura 2.2.
Figura 2.2: Esquema do módulo de tratamento de água residual.
A água turva proveniente do módulo de filtragem rápida é inserida inicialmente
em um reservatório de entrada, de onde pode ser direcionada para um dos dois tan-
ques de decantação através de suas respectivas válvulas à montante TVm. Lá ocor-
rem a floculação e decantação das partículas de impurezas. A lama resultante é con-
centrada através dos limpadores TLl na parte mais profunda do reservatório, onde
encontram-se as bombas de água lamaçenta TBa, as quais a enviam para os tanques
de compressão, onde a lama é comprimida para ser desidratada e poder ser removida
como material sólido da planta. Antes e depois do processo de densificação da lama
ocorre uma medição do nível de turbidez1 da água, com fins de monitorar a eficiência
e qualidade deste processo.
A água que sai dos tanques de decantação através das válvulas à jusante TV
é conduzida para o RP, onde encontram-se três bombas Bp que realizam o bombea-
mento da água para os filtros de areia Dyna. Após o tratamento neste filtros a água1Medida da dificuldade de um feixe de luz atravessar uma certa quantidade de água. A turbidez é
causada por matérias sólidas em suspensão, como argila, colóides e matéria orgânica.
6
despoluída pode finalmente ser devolvida ao rio, e a água ainda não suficientemente
despoluída é reinserida no reservatório de entrada para novo tratamento.
Os tanques de decantação e compressão possuem sensores de ultra-som para
medição de nível. Ao RP chega uma tubulação, controlada pela válvula Vb, de água
proveniente do lago Hengstey. Durante o inverno, quando a temperatura é suficiente-
mente baixa para o congelamento da água em tratamento nestes tanques ao ar livre,
a introdução de água com temperatura mais amena do lago (ao menos 4oC) colabora
para evitar o congelamento.
2.3: Filtragem pelo Subsolo
Este módulo é composto de 10 piscinas de infiltração, cada qual com uma vál-
vula controladora da vazão de entrada. A água provém do módulo de filtragem rápida,
de modo que toda a água fornecida tem de ser distribuída pelas piscinas, de acordo
com o grau de abertura das válvulas. A área média das piscinas é de 4442m2 e o ní-
vel máximo admissível é de 1, 80m, entretanto na prática o nível máximo operado é de
1m. Tem-se também o lençol freático, com um nível de saturação de aproximadamente
5m, o qual é dividido em três reservatórios subterrâneos, de acordo com as galerias
de poços artesianos (e poços de captação) aos quais estão conectados. Cada poço
artesiano é acompanhado por um pequeno canal paralelo para medição do nível do
lençol no local.
A figura 2.3 apresenta um esquema deste módulo. Considera-se Bec o indi-
cador de piscina de infiltração, Gal o de galeria de poços artesianos e Br indica os
poços de captação. Segundo a experiência dos operários da planta, as setas indicam
qual a rede de galerias (portanto reservatório subterrâneo) na qual a água infiltrada
das piscinas será recuperada. A figura também apresenta a localização geográfica do
módulo de filtragem rápida (SFA) e de tratamento de água residual (SWB).
O reservatório subterrâneo 1 possui uma área total de cerca de 132000m2, o
reservatório 2 dispõe de 200000m2, e o 3 é o menor de todos, com uma área de
65000m2.
7
Figura 2.3: Esquema (vista aérea a 930m) do módulo de filtragem pelo subsolo.
2.4: Poços Artesianos e de Captação
Os poços artesianos recuperam a água do solo e a conduz através de galeria
até um poço de captação. O poço de captação 1 recebe água da galeria C (17 poços
artesianos), E (8), F (12) e G (8 poços); o poço de captação 2 é conectado às galerias
A (15 artesianos) e B (8); já o poço 3 está conectado apenas à galeria D com 13
artesianos. A água é extraída dos poços artesianos através de vácuo criado nas
galerias por duas bombas de vácuo Bv instaladas no poço de captação. Quando
em operação, cada uma dessas bombas produz aproximadamente 900m3/h de vazão
de entrada no poço. Por outro lado, a água é fornecida do poço para o reservatório
de água tratada através de um conjunto de três bombas centrífugas Bc, cada qual
com uma vazão nominal de 700m3/h. A figura 2.4 contém um esquema do poço de
captação.
Uma vez atingido o nível de disparo no reservatório de vácuo (RV), a válvula
Va é fechada, as válvulas direcionais V d conectam as galerias ao RV e ao menos
uma bomba de vácuo Bv é ligada; após algum tempo o nível no RV terá atingido o
8
Figura 2.4: Esquema de um poço de captação.
de desligamento, portanto as Bvs são desligadas, Va é aberta e as V ds passam a
conectar o RV ao poço, liberando a água para o poço de captação.
2.5: Fornecimento de Água Tratada
Este módulo consiste de um reservatório de água tratada (RT), 6 bombas cen-
trífugas P movidas a motor elétrico e uma movida a motor diesel (emergencial). Nem
todas as bombas possuem vazões iguais e estão na mesma casa de máquinas, po-
dendo então serem organizadas nos grupos das tabelas 2.1 e 2.2.
Subgrupo Bombas Vazão (m3/h)A P1 P4 1000B P2 P3 600C P5 P6 1600
Tabela 2.1: Bombas de água tratada agrupadas segundo vazão.
As bombas centrífugas retiram água do RT e a deposita no reservatório superior
(RS), ao qual está conectada a rede de distribuição de água potável da cidade.
9
Subgrupo BombaI P1 P2II P3 P4III P5 P6
Tabela 2.2: Bombas de água tratada agrupadas segundo lugar.
2.6: Especificações de Projeto
Os seguintes comportamentos e implementações mais relevantes para cada um
dos módulos previamente descritos devem ser atingidos. Aqui não convém apresentar
detalhes sobre os modos de operação dos equipamentos, por serem demasiados.
1. Tratamento de água residual: sequenciamento de atividades para o funciona-
mento automático do processo de floculação e limpeza dos tanques de decanta-
ção nos modos normal, rápido e anti-congelamento. Operação automática dos
filtros de areia Dyna segundo o nível do RP, com atuação sobre as bombas de
água poluída Bps. Intertravamento deste módulo com o de filtragem rápida;
2. Filtragem pelo subsolo: algoritmo de distribuição de água para os grupos de
piscinas de infiltração segundo o nível dos reservatórios subterrâneos; modelo
de infiltração no subsolo. Controle do nível do lençol freático;
3. Poços artesianos e de captação: controle do nível dos poços de captação.
Acionamento das bombas Bc segundo política de revezamento (tempo de ope-
ração);
4. Fornecimento de água tratada: controle do nível do RT. Acionamento das bom-
bas P segundo política de revezamento, com possíveis restrições de operação
por lugar – duas bombas de uma mesma casa de máquinas não podem ope-
rar simultaneamente – e/ou por capacidade – duas bombas de mesma vazão
nominal não podem operar simultaneamente. Controle do nível do RS;
5. Mecanismo de previsão de demanda e de compensação do atraso de transporte
entre produção (liberação) de água por parte do módulo de filtragem rápida e
reação do nível do lençol freático;
6. Integração entre os diversos setores da ETA por meio de sistema supervisório
(SCADA), com o maior nível possível de interação entre usuário do SCADA e a
planta.
10
Capítulo 3: Tecnologia Empregada
Tendo em vista a apresentação sintetizada da planta no capítulo 2, e antes
de abordarem-se as técnicas de controle e automação utilizadas no projeto, convém
primeiro uma apresentação das principais tecnologias de hardware utilizadas. A figura
3.1 apresenta um esquema dos CLPs, PCs, dispositivos de campo e rede e de suas
conexões projetados para a ETA Hengstey.
Figura 3.1: Esquema dos dispositivos de campo, rede, CLPs e PCs projetados para aETA Hengstey.
Comparando a estrutura da figura 3.1 com a de um sistema de manufatura
integrada por computador (CIM), podem ser identificados três níveis de integração,
cujas redes correspondentes serão abordadas nas seções a seguir.
Nível de Campo Corresponde ao patamar inferior, ou “ chão de fábrica” da ETA,
constituindo-se das redes Profibus entre os CLPs S7-400 e seus respectivos
S7-300;
Nível de Processo Trata-se da camada intermediária de integração, correspondendo
ao anel de processo;
11
Nível de Gerência É o patamar mais alto da hierarquia – correspondendo ao anel ter-
minal – onde os sinais da planta são trabalhados e compilados em informações
de maior significado para o administador/operador da planta.
CIM pode ser resumida em uma filosofia de integração de hardware e software
procurando atingir maiores níveis de automação fabril/empresarial. A chave para o
sucesso de uma implementação baseada em CIM reside na compatibilidade de comu-
nicação entre os elementos computadorizados e comunicáveis da rede; eis o grande
desafio. Ainda que padrões de comunicação existam, nos diferentes níveis de in-
tegração padrões adequados – e por isso distintos – são utilizados, o que requere
elementos “tradutores” – chamados gateways – nas interfaces de integração.
Dois tipos de protocolos de redes industriais foram largamente utilizados no âm-
bito deste projeto: (Industrial) Ethernet e Profibus-DP. Um terceiro protocolo também
foi empregado significativamente, o MPI – Interface Multi-ponto, em inglês; trata-se
de um padrão proprietário da Siemens para a linha de equipamentos S7, destinado
à conexão entre PGs (dispositivos de programação, como PCs), OPs (dispositivos de
operação, e.g. painéis de operação), CLPs, entre outros. O protocolo MPI é baseado
na norma EIA-485 (o antigo padrão RS-485) e opera em uma taxa de transferência de
até 12Mbps. No projeto da ETA Hengstey, esta interface foi utilizada na conexão entre
os painéis de operação e seus respectivos CLPs.
Na sequência, descrevem-se os principais protocolos de redes, ferramentas e
hardware empregados.
3.1: Industrial Ethernet
O protocolo Ethernet [5] (IEEE 802.3), concomitantemente com sua variante
Industrial Ethernet, foi empregado para o estabelecimento da comunicação entre os
PCs da planta (servidores e clientes do SCADA) e os CLPs da classe S7-400. Se-
gundo [6], a diferença fundamental entre Industrial Ethernet e Ethernet consiste no
tipo de hardware utilizado. Em Industrial Ethernet os equipamentos são projetados
para operar sob condições adversas como altas temperaturas, choques e vibrações;
por isso contêm componentes mais robustos, refrigeração forçada com cooler, entre
outros.
Cada estação (ponto) da rede possui um switch Scalance X-204-2 para a for-
mação de anéis lógicos redundantes de comunicação sobre Ethernet. A vantagem
12
de se usar switches já é bem sabida: redução no número de colisões de pacotes
quando os caminhos entre dois pares de emissor-receptor são distintos. Não obs-
tante, sabe-se que o protocolo IEEE 802.3 é de barramento, com broadcast e não
forma um anel contínuo (como o Token Ring IEEE 802.5), caso contrário os pacotes
poderiam permanecer circulando na rede por um tempo maior que o necessário, oca-
sionando desnecessárias colisões. De fato, o switch gerenciador de redundância –
posicionado entre as terminações “virtuais” do barramento – não fecha um anel, po-
rém monitora se o barramento está ativo em ambos os lados. Em caso de interrupção
em um dos lados, o Scalance chavea (em 0, 3s após a detecção de interrupção) as
duas terminações, recompondo a continuidade do barramento. Em caso de recupera-
ção do barramento original, o switch volta a desconectar as terminações. A figura 3.2
ilustra o funcionamento do anel lógico em protocolo Ethernet.
Figura 3.2: Anel lógico Ethernet com gerenciador de redundância.
Dois anéis lógicos são formados com Ethernet. O principal objetivo na separa-
ção em dois anéis está na distinção entre equipamentos de campo e de gerência, o
que define o fluxo de dados típico em cada um dos anéis:
1. Anel terminal: ao qual se conectam os terminais do SCADA, tais como os PCs-
cliente, PC-servidor (e redundante) e impressoras de relatórios do SCADA. O
13
gateway desta rede é a interface de rede Ethernet do PC-servidor. Caracteriza-
se por pacotes maiores com intervalos entre envios também maiores (pequena
periodicidade);
2. Anel de processo: ao qual se conectam os CLPs da classe S7-400, que por
sua vez alimentam periodicamente o servidor do SCADA com as variáveis de
processo e recebem comandos dos PCs-cliente do anel terminal. Naturalmente,
o gateway desta rede é também o PC-servidor, com a interface de rede sendo
o cartão Siemens CP1613 (Industrial Ethernet). Devido a limitações estruturais
(distâncias e cabeamento) um PC-cliente foi conectado a este anel, tratando-
se de uma exceção à organização proposta. Aqui os pacotes são um pouco
menores, com uma periodicidade maior nas suas trocas.
3.2: Fieldbus Profibus
Criado pela Siemens, fieldbus Profibus [7] é definido como sendo um protocolo
de comunicação essencialmente para o nível de campo1 em ambiente industrial, de
acordo com o padrão EN 50170-1-2, com a técnica de acesso ao meio híbrida Token
Bus (IEEE 802.4) e Mestre-escravo. O meio físico pode ser elétrico (par-trançado,
coaxial), fibra-óptica ou wireless. A topologia pode ser de barramento (bus) ou árvore
estruturada com uso de repetidores. As velocidades de transmissão variam entre
9, 6Kbps, com alcançe de 1Km, a 12Mbps, com alcançe de 100m. A figura 3.3 ilustra
o princípio de funcionamento deste protocolo.
A grande vantagem do Fieldbus (neste caso Profibus) é a inocorrência de coli-
sões entre pacotes, os quais são pequenos – se comparados aos do padrão Ethernet
– o que possibilita pequenos períodos de varredura, permitindo o controle de sistemas
dinâmicos com pequenos períodos de amostragem.
Na ETA Hengstey foi utilizada a variante Profibus-DP com cabo coaxial e conec-
tores RS-485 e também fibra-óptica, com o uso do módulo de link óptico OLM. O uso
da fibra-óptica permite segmentos com até 12Km de comprimento, além das vanta-
gens de isolação elétrica entre nodo e meio de transmissão e ausência de interferência
eletromagnética, entre outras. A topologia empregada foi somente (bus). Cada CLP
S7-300 é escravo em um barramento Profibus, cujo mestre é um CLP S7-400. Em
muitos casos usam-se modems (M) ou os módulos OLM para alterar o meio de trans-1Principalmente para interligação dos dispositivos de controle (e.g. CLPs), sensores e atuadores.
14
Figura 3.3: Princípio de funcionamento do protocolo Fieldbus Profibus.
missão, possibilitando aumentar a relação velocidade de transmissão/comprimento do
meio.
Geralmente os CLPs S7-300 ficam com o acionamento de motores e válvulas
e o tratamento de sinais propriamente dito, recebendo e enviando instruções de mais
alto nível para os mestres S7-400, os quais possuem as lógicas de sequenciamento de
atividades e tarefas de supervisão. Pode-se interpretar os CLPs S7-400 como sendo
os gateways entre as redes Profibus e o anel de processo Ethernet.
3.3: Controladores Lógico-Programáveis S7
Os CLPs [8] surgiram no final da década de 1960, sob a necessidade de se
dispor de um dispositivo que eliminasse os altos custos envolvidos na troca de com-
plexos sistemas de controle à base de relés. A empresa Bedford Associates propôs o
Controlador Digital Modular (Modular Digital Controller – MODICON), o qual se des-
tacou perante a outras arquiteturas propostas e consequentemente foi o primeiro CLP
a ser produzido comercialmente. Estes novos controladores tinham de ser facilmente
programáveis pelas equipes de manutenção e engenharia, o período de vida-útil de-
veria ser suficientemente maior que o dos sistemas com relés, além de que deveriam
resistir às condições de operação do ambiente industrial. Estes requisitos motivaram
a implementação da difundida lógica ladder – com a qual a grande maioria dos traba-
lhadores estavam familiarizados – e a substituição das partes mecânicas (relés) por
elementos eletrônicos de estado-sólido.
15
Atualmente os CLPs incorporam funções que vão muito além da tradicional ló-
gica de contatos booleana, cuja função era praticamente a única dos CLPs primitivos.
Hoje estes dispositivos comunicam-se em vários tipos de redes e protocolos, possuem
diversas formas de programação, assim como uma gama de periféricos que podem
lhes ser acoplados [9]. Em suma, aproximam-se cada vez mais do conceito de PC in-
dustrial, no sentido em que apresentam equiparáveis robustez ao ambiente industrial
e capacidades de processamento e comunicação. Apesar da capacidade intrínseca
muito menor de armazenamento de dados, apresentam uma grande vantagem em re-
lação aos PCs industriais: pequenos ciclos de varredura com mecanismos fáceis e
eficientes de interrupções, com possibilidade de ciclos com tempos máximos rigoro-
samente definidos, ou seja, são os dispositivos mais apropriados para operações com
tempo-real no meio industrial.
Foram utilizados ao todo 18 CLPs S7-300 e 16 CLPs S7-400. A escolha entre
estas duas classes da linha Simatic Siemens baseou-se em estimativas do tamanho
do programa a ser desenvolvido, interfaces disponíveis, capacidades de programação
e memória e previsão de reservas para futuras manutenções/retrofittings. No entanto,
não coube ao aluno fazer as especificações de hardware, mas ao engenheiro-chefe
da equipe, com a experiência necessária para tal tarefa.
As principais características dos CLPs empregados neste projeto são apresen-
tadas a seguir:
• Memória de trabalho: corresponde à memória RAM dos PCs, ou seja, é utili-
zada para o processamento das instruções pelo processador. Não é expansível.
S7 315-2 DP: 64kB integral; S7 414-3 DP: 700kB p/ programa e 700kB p/ dados;
• Memória de carga: corresponde ao disco-rígido dos PCs, armazenando toda
a programação contida no CLP, por tempo indeterminado. S7 315-2 DP: 96kB
RAM não-expansível e FEPROM2 até 4MB; S7 414-3 DP: 256kB RAM expansí-
vel a 16MB e FEPROM até 64MB;
• Tempos de processamento (mínimos): S7 315-2 DP: p/ instruções com bit
0, 3µs, word 1µs, double-integer 2µs e floating-point 50µs; S7 414-3 DP: p/ ins-
truções com bit, word e double-integer 0, 06µs, floating-point 0, 18µs;
• Capacidade de blocos: números e tamanhos máximos dos blocos3. S7 315-22Flash Erasable Programmable Read Only Memory.3Componentes fundamentais do programa de um CLP Siemens, são abordados na seção 3.4.1.
16
DP: 255 DBs de até 16kB cada, OBs de até 16kB, 192 FBs e FCs cada de até
16kB; S7 414-3 DP: 4095 DBs de até 64kB, OBs de até 64kB, 2048 FBs e FCs
cada de até 64kB;
Os CLPs da linha Simatic Siemens contêm uma lista com sequência de execu-
ção de blocos de instruções (funções: FBs e FCs); por sua vez, estas funções podem
estar localizadas dentro de grupos de execução, os quais encontram-se dentro de um
ou mais OBs (blocos de organização). OBs são como a função main em programação
C. A sequência de processamento do programa inicia-se nos OBs.
OBs são executados sob circunstâncias distintas; exemplo: execução cíclica –
“normal” – de varredura (OB1), em caso de interrupção no fornecimento de energia
(OB81), em caso de falha em cartão de entrada-saída (OB84), etc. A prioridade de
execução dos OBs cresce com o seu número, ou seja, um OB de número maior pode
“preemptar” (interromper) a execução de outro de número menor. Exemplo: OB1 está
em execução e ocorre uma interrupção de timer para a execução do OB35 (Wecka-
larm, que pode conter instruções do programa do usuário); então a próxima instrução
do OB1 a ser executada é armazenada na pilha do processador e as instruções do
OB35 são executadas. Ao final, as instruções pendentes do OB1 são executadas e,
ao término destas, o ciclo de execução do CLP é finalizado com a atualização dos
sinais de saída.
A figura 3.4 ilustra o esquema de funcionamento dos CLPs da Siemens empre-
gados neste projeto. Ti é o tempo inicial do ciclo e Tf o tempo final. A fatia Operating
system corresponde à execução do sistema operacional, como cópia da imagem das
interfaces de entrada/saída, instruções de comunicação, diagnóstico, etc. Na fatia
User program está a programação realizada pelo usuário. É interessante notar que,
nesta arquitetura, qualquer OB (salvo OB1) que seja invocado inclusive durante o in-
tervalo de leitura de entradas (PII – início do ciclo) e/ou escrita de saídas (PIO – final
do ciclo) irá preemptar o intervalo em questão.
Como consequência das características dos OBs, existem basicamente dois
conceitos de programação de um CLP Siemens, sob a perspectiva temporal:
1. Programação assíncrona (ou cíclica): ocorre como consequência da progra-
mação do usuário somente no OB1. O tempo do ciclo é sempre o menor pos-
sível, ou seja, assim que terminar a última instrução e a escrita nos sinais de
saída, um novo ciclo de execução inicia-se;
17
Figura 3.4: Ciclo de funcionamento de um CLP S7 Siemens.
2. Programação síncrona: empregada para aplicações que exigem períodos bem-
definidos e imutáveis para início da execução de instruções, consegue-se com a
utilização dos Weckalarme (OBs 30 a 38), Uhrzeitalarme (OBs 10 a 17), etc.
Para tal, define-se um período de lançamento Pv tal que Pv > Te, onde Te
é o tempo necessário de execução do OB síncrono em questão. Na prática
define-se Pv ≥ 10Te, de maneira a evitar uma dominância excessiva do OB
no escalonador do sistema operacional do CLP. Devido justamente à possibili-
dade de ocorrências de interrupções durante um ciclo de varredura, tem-se que
Tt = Tf − Ti = Tc + Ts é o tempo total para execução das instruções em um
ciclo, sendo Tc o tempo de execução das instruções cíclicas e Ts o tempo de
execução das instruções síncronas. Não obstante, 0 ≤ Ts ≤ K, onde K > 0 é
o tempo máximo para execução de todas as instruções síncronas em um ciclo,
o que é na maioria das vezes altamente improvável. Com Ts = 0 obtém-se o
tempo mínimo de ciclo de varredura, e com Ts = K garante-se o tempo máximo
possível. Como consequência tem-se a garantia de operação em tempo-real dos
CLPs para tempos de amostragem muito pequenos.
Eis um exemplo de cálculo do tempo de ciclo para uma CPU 314 com 32 entra-
das digitais e 32 saídas digitais: 0, 26ms para atualização das entradas + 0, 26ms para
atualização das saídas + 1ms para execução do Operating system + 1, 8ms de tempo
fixo do User program + 240µs de tempo máximo de execução de interrupções do User
program resulta em um tempo máximo de ciclo Tmax = 3, 56ms.
18
3.3.1: Estações ET-200
Neste projeto de controle e automação da ETA Hengstey foram utilizados car-
tões de entrada/saída descentralizados (desacoplados do CLP) ET-200. Sua função é
simples: estabelecer a comunicação entre planta e CLP, assim como os cartões tradi-
cionais acoplados ao controlador; entretanto a comunicação entre o ET-200 e o CLP
é feita através de protocolo Profibus. O uso destes dispositivos justifica-se principal-
mente na redução do número de fios entre planta e CLP. Quando o número de fios (e
sinais) é muito grande, distâncias não pequenas o suficiente já justificam o emprego
de ET-200 para reduzir os custos com cablagem, redução da bitola de eletrodutos e
diminuição das possibilidades de erro e perturbações nos sinais elétricos provenientes
e destinados à planta.
Um fator praticamente determinante ocorre quando as distâncias entre planta
e CLP são demasiadamente grandes para o transporte dos sinais elétricos digitais
e principalmente analógicos, como ocorre entre as piscinas de infiltração e uma das
salas de controle, localizada no prédio do módulo de filtragem rápida, por exemplo. As
distâncias, que variam entre 400m e 2000m, requerem inclusive o uso de fibra-óptica
(a 12Mbps) como meio físico para o protocolo profibus entre ET-200 e CLP. Para tal
conversão de meio físico usam-se acopladores OLM Siemens. O emprego destas
estações e acopladores OLM pode ser visto no diagrama da figura 3.1.
3.4: PCS7: Sistema de Controle de Processos
PCS7 é a suíte de ferramentas da Siemens para a programação de CLPs e
controladores de processos industriais, da linha Simatic. A sigla origina-se do inglês
Process Control System, ou seja, “Sistema de Controle de Processos”. A principal
aplicação é o Simatic Manager, através da qual pode-se instanciar um projeto de auto-
mação inteiro e estruturá-lo sob as perspectivas hierárquica e de hardware. Somente
então inicia-se o desenvolvimento da programação dos seus componentes.
Existem duas perspectivas muito importantes no projeto: a tecnológica (Tech-
nologischesicht) e a de componente (Komponentensicht), conforme ilustra a figura
3.5.
Na vista de componente todos os elementos físicos (hardware) do projeto são
“declarados” e devidamente configurados: CLPs (CPUs), cartões de expansão (ETs),
19
Figura 3.5: Perspectivas do sistema supervisório da ETA Hengstey: tecnológica (esq.)e de componente (dir.).
painéis de operação (MPs), servidores e clientes do sistema SCADA utilizado (WinCC),
redes (Profibus, Ethernet, MPI), entre outros. Por exemplo, na vista de componente
da figura 3.5 verifica-se no sub-projeto Brunnen1 dois CLPs: Brunnen_1 e Einlaufb_1.
A estação Brunnen_1 é composta de uma CPU 414-3 DP e dois cartões de comuni-
cação (CPs): 443-1 (Ethernet) e 443-5 Ext (Profibus); os quais são acoplados à CPU,
que possui um diretório de programas S7 composto de três sub-diretórios: Quellen
(códigos-fonte em SCL), Bausteine (blocos fundamentais do programa) e Pläne (dia-
gramas CFC ou SFC). As programações em SCL, CFC e SFC serão abordadas mais
adiante.
Já na vista tecnológica é estabelecida a hierarquia entre os elementos do pro-
jeto, ou seja, a disposição e interconexão dos mesmos. Observa-se na figura 3.5
que o multiprojeto Hengstey é composto de vários sub-projetos, desde o Brunnen1
até o WinCC. Explorando a hierarquia do primeiro, nota-se que o diretório Parame-
ter encontra-se dentro do path: Wasser Werk −→ Filterung −→ Brunnen −→ Brun-
20
nen1. Cada diretório pode conter vários CFCs ou SFCs, porém apenas uma tela de
processo, que será mapeada para o servidor do SCADA para monitoramento em PC-
cliente.
Observa-se em ambas as perspectivas da figura 3.5 a existência de uma bibli-
oteca (ícone de um livro azul) chamada Hengstey, com um diretório de programas S7
contendo os três sub-diretórios de programação já mencionados. Tipicamente, sem-
pre que uma nova função deve ser incorporada à um componente processador (CPU,
CP, etc) qualquer do multiprojeto Hengstey, primeiro se desenvolve esta função como
componente da biblioteca, e logo então se incorpora a função ao elemento de proces-
samento desejado. O objetivo deste procedimento é simples e óbvio: possibilidade
de reutilização do mesmo código em qualquer parte do multiprojeto. A seguir serão
abordados os diversos meios de programação destes elementos.
3.4.1: Programação direta em Blocos – Bausteine
Por programação direta em blocos (Bausteine) entende-se o desenvolvimento
de funções por edição direta de um ou mais tipos de blocos. Além dos OBs já aborda-
dos na seção 3.3, tem-se:
DBs Blocos de dados. Atuam como estruturas de organização (concentração) de
variáveis criadas pelo programador, ou então instanciadas automaticamente por
FBs (DBs-instância);
FBs Blocos de função com uso de DBs-instância. Trata-se de funções que podem ter
seus parâmetros de entrada-saída armazenados em DBs-instância, de maneira
a permitir com que vários FBs do mesmo tipo coexistam de forma independente
com relação a seus dados. Típico exemplo: FB de um motor específico, sendo
que há vários motores no processo;
FCs Funções sem DBs-instância. Empregados para funções que não necessitam
reter seus parâmetros de entrada-saída além do ciclo de execução atual da CPU.
Todos estes tipos de blocos são armazenados em diretório Bausteine. A pro-
gramação pode ser feita sob três formas visuais distintas:
KOP Kontaktplan – diagrama de contatos, também muito conhecido por linguagem
ladder ou “escada”;
21
FUP Funktionsplan – diagrama de funções. Conexão gráfica das interfaces de blocos
de função;
AWL Anweisungsliste – lista de instruções. Semelhante a uma linguagem assembly.
A figura 3.6 ilustra os três tipos de programação direta em blocos (OBs, FBs e
FCs), além da estrutura de um DB.
Figura 3.6: Programação em AWL, KOP e FUP, e estrutura de um DB.
A programação direta em blocos é a mais comum na linha Simatic Siemens,
abrangendo as séries de CLPs S7-200, S7-300 e S7-400. É o tipo de programação
utilizada nos CLPs (dois S7-200 e um S7-300) que o DAS/UFSC possui no Laboratório
de Automação Industrial (LAI). Entretanto, para lógicas mais complexas do ponto de
vista sequencial (tomada de decisões), ou mesmo intuitivo, pode não ser a melhor
alternativa.
22
3.4.2: Programação em Diagramas – Pläne
Existem dois tipo de diagramas: CFC – do inglês Continuous Flowchart – e SFC
– do inglês Sequential Flowchart – sendo que a programação com SFCs somente é
possível para CPUs da linha S7-400; CFCs já podem ser programados a partir da
linha S7-300. Apresenta como vantagem principal a intuitividade, pois trata-se de uma
linguagem gráfica.
A programação em CFC utiliza blocos gráficos de FBs, com sua interface dis-
ponível (entradas e saídas), de modo que o programador pode construir sua lógica
realizando as devidas conexões. É amplamente usada para o nível mais alto de pro-
gramação das CPUs, quando todos os blocos básicos já estão elaborados, restando
apenas a “instanciação” e a elaboração da lógica de sequenciamento/acionamento
dos mesmos. Um aspecto interessante deste modelo de programação é que, a priori,
não se tem controle sobre o fluxo de execução das instruções em um mesmo ciclo
de varredura da CPU, diferentemente da linguagem estruturada em uma programação
textual (C, C++, etc). Ou seja, ainda que se tenha a topologia do diagrama, a ordem
de execução entre os blocos não é necessariamente sequencial, mas definida auto-
maticamente pela ordem de introdução dos blocos no diagrama; esta ordem pode (e
muitas vezes deve) ser posteriormente redefinida pelo programador na lista de execu-
ção de instruções.
Já a programação em SFC é ideal para tarefas de sequenciamento de ativida-
des. Em sua essência, um SFC é uma Rede de Petri binária, com todas as chamadas
“boas propriedades” que permitem a sua reinicalização, com um grafo de marcações
acessíveis (estados) limitado, etc; também pode-se chamá-lo de Grafcet. A cada lu-
gar (etapa) de um SFC é atribuído um conjunto de ações, sendo que a rede evolui de
um estado para outro através de transições relacionadas às variáveis mapeadas pela
CPU onde é executado o SFC. A figura 3.7 ilustra programações em CFC e SFC.
3.4.3: Programação em SCL – Quellen
A programação em SCL4 assemelha-se muito à linguagem de programação
C, no sentido em que apresenta os típicos laços de controle do fluxo de execução
como FOR, IF-ELSE, WHILE, estruturas de dados como STRUCT, vetores de uma ou
mais dimensões, ponteiros, etc. De todas as possibilidades de programação de CPUs4Do inglês Structured Control Language.
23
Figura 3.7: Exemplos de programação em diagramas CFC e SFC.
Simatic, é a mais flexível, como consequência da facilidade de implementação de
lógicas e fluxos de execução relativamente complexos; no entanto, não está disponível
para CPUs da linha S7-200 (nenhuma CPU S7-200 está sendo utilizada no projeto).
No projeto da ETA Hengstey, é essencialmente empregada para a elaboração de FBs
a serem utilizados em CFCs. A figura 3.8 ilustra a programação em SCL.
Figura 3.8: Exemplo de programação em SCL.
24
3.5: WinCC: Sistema SCADA
SCADA é uma sigla em inglês para “Controle Supervisório e Aquisição de Da-
dos”. Na Europa, sistemas SCADA também costumam ser chamados de HMI – “In-
terface Homem-Máquina”. A sigla refere-se a um sistema distribuído de medição e
controle, em larga escala, usado tipicamente com processos químicos, físicos ou de
transporte.
3.5.1: Introdução
Sistemas HMI/SCADA surgiram essencialmente da necessidade de um front-
end (interface) amigável para sistemas de controle com CLPs. Ainda que CLPs pos-
sam realizar um controle automático pré-programável sobre processos, eles são usu-
almente distribuídos pela planta em questão, tornando difícil a aquisição manual de
seus dados; além disso, os dados do CLP são geralmente “brutos”, no sentido em
que necessitam de um pós-processamento para serem disponibilizados ao usuário do
processo industrial. Os sistemas HMI/SCADA podem reunir informações dos CLPs
através de vários métodos e protocolos de comunicação, os combinam e formatam
a informação de maneira adequada para a interpretação do usuário. Desde o início
da década de 1990 o papel de tais sistemas foi incorporando maiores funcionalidades
automáticas, com a conexão a bancos de dados para o fornecimento de gráficos em
tempo-real, informações de diagnóstico e logística, procedimentos agendados de ma-
nutenção, esquemas detalhados para máquinas e equipamentos, entre outros. A partir
de 1998 praticamente todos os grandes fabricantes de CLPs vêm oferecendo sistemas
HMI/SCADA integrados, muitos fazendo uso de protocolos de comunicação abertos e
não-proprietários. A figura 3.9 apresenta um exemplo de estrutura dos sistemas em
questão.
Os três componentes principais de um sistema SCADA são:
1. Unidades Terminais Remotas Mútliplas (RTUs): São na maioria dos casos os
CLPs distribuídos no nível de campo (chão de fábrica). Conectam-se aos equipa-
mentos físicos, lêem informações de status como o sinal aberto/fechado de uma
válvula, realizam medições como pressão, fluxo, tensão e corrente. Também
controlam tais equipamentos através do envio de sinais com comandos como
abrir/fechar ou definir o set-point de uma bomba hidráulica;
25
Figura 3.9: Típico exemplo de um sistema SCADA.
2. Estação Mestre e HMIs: O termo “Estação Mestre” refere-se ao servidor e soft-
ware responsáveis pela comunicação com os equipamentos de campo (RTUs,
CLPs). HMIs são os elementos de visualização (clientes) das informações ge-
radas pela estação mestre. Em pequenos sistemas SCADA pode haver apenas
uma estação mestre, inclusive no mesmo PC em que consta a HMI; por outro
lado, em grandes sistemas SCADA pode haver várias estações mestres (servi-
dores) com aplicações (software) distintas. Neste projeto, os PCs-servidor são
as estações mestres e os PCs-cliente são as HMIs;
3. Infraestrutura de Comunicação: Sistemas SCADA utilizam tradicionalmente
combinações de rádio e conexões diretas seriais ou por modem para satisfazer
os requisitos de comunicação; no entanto, a partir do ano 2000, difundiram-se
as aplicações com Ethernet (IEEE 802.3) e IP sobre SONET (GR-253-CORE),
principalmente em grandes plantas como linhas de trem e geradoras de ener-
gia. Protocolos-padrão como IEC 60870-5-101 ou 104, Profibus e DNP3, muitos
atualmente com extensões para TCP/IP, são reconhecidos pela maioria dos fa-
bricantes de sistemas SCADA.
26
3.5.2: WinCC – Windows Control Center
Simatic WinCC é o sistema SCADA utilizado no projeto da ETA Hengstey, apli-
cável desde a simples aplicações de usuário único a complexos sistemas industriais
multiusuários e/ou sistemas distribuídos com vários servidores e clientes, inclusive na
Web. A sigla “WinCC” significa em inglês “Centro de Controle em Windows” e é o
front-end de visualização da suíte de controle de processos PCS7, ou seja, a rigor
corresponde à Estação Mestre e/ou (configurável) HMI da estrutura apresentada an-
teriormente. Em suma, WinCC dispõe das seguintes principais funções de um sistema
SCADA:
1. Gerenciamento de usuários: pode-se atribuir e controlar permissões de acesso
dos usuários ao sistema, inclusive em runtime;
2. Interface gráfica: suporte a várias línguas e zoom, com monitoramento das váriá-
veis mapeadas nas telas definidas no projeto gráfico. WinCC conta com scripts
que podem ser gerados com as linguagens de programação VBScript ou ANSI-
C; tais scripts são usados amplamente para configurar ações atribuídas a objetos
gráficos;
3. Sistema de mensagens: não apenas gera e apresenta mensagens de processos,
mas também as armazena em arquivos circulares e as disponibiliza através de
filtros (classificações) específicos;
4. Sistema de armazenamento de dados: mensagens, variáveis de processo, con-
figurações de usuário, etc. Utiliza o servidor e banco de dados do Microsoft SQL
Server 2000, com um desempenho de até 10 mil medições e 100 mensagens
por segundo (em um servidor dedicado);
5. Sistema de registros e relatórios: possibilita a formatação dos dados obtidos da
planta e a geração de relatórios pré-definidos pelo usuário, os quais podem ser
agendados para impressão rotineira ou exportados para outras aplicações. Além
disso o sistema registra continuamente os eventos gerados pela interação com
o(s) usuário(s);
6. Sistema de diagnóstico: capaz de diagnosticar os canais de comunicação no
reconhecimento de falhas e na busca de melhor desempenho (no caso de canais
redundantes).
27
Versões mais atuais do WinCC permitem o mapeamento de até 80 mil variáveis
de processo e o emprego de até 12 servidores e 32 clientes por servidor em uma con-
figuração contínua. Os servidores podem ser dedicados – servidor de mensagens,
de arquivos, etc – ou redundantes – mesmas funcionalidades. Pode-se estabelecer
um servidor Web-WinCC em um cliente WinCC, de modo que um cliente Web-WinCC
possa acessar os projetos de cada um dos servidores WinCC mapeados para o cliente
WinCC, de qualquer parte do mundo. Pode-se conectar até 50 clientes Web-WinCC
a um servidor Web-WinCC simultaneamente através de um protocolo TCP/IP em uma
Intranet/Internet.
No projeto de automação da ETA Hengstey uma estrutura de servidores redun-
dantes foi utilizada. Simplificadamente, o funcionamento é o seguinte:
• Em operação normal, os dois servidores operam completamente em paralelo, ou
seja, cada estação tem a sua própria conexão com o nível de campo (ex: CLPs)
e seus próprios bancos de dados, sempre em sincronia (integridade dos dados).
Os clientes podem ser atribuídos a qualquer um dos servidores, o que contribui
para a redução da carga de comunicação para cada servidor;
• Se um dos servidores falha, todos os clientes conectados ao servidor que falhou
são redirecionados ao servidor redundante (stand_by ) que se mantém íntegro
em operação. Isto assegura uma visualização e operação contínua da planta em
todos os clientes;
• Quando o servidor com falha retorna às condições de operação, o sistema ini-
cialmente sincroniza todas as variáveis de processo, mensagens e registros de
processo do banco de dados – referentes ao período de falha – do servidor re-
dundante com o primeiro. Logo então os clientes são redirecionados aos seus
servidores originais, sem influenciar a operação on-line.
Além da utilização da função de redundância de servidores WinCC em paralelo,
é possível a um servidor WinCC implementar canais de comunicação redundantes
com o nível de campo. WinCC suporta os principais canais de comunicação (pro-
tocolos) para o mapeamento de CPUs Simatic S5, S7 ou da linha 505, assim como
protocolos não-proprietários como Profibus-DP/FMS e OPC (OLE para controle de
processos).
A interface do WinCC com o usuário ocorre através de telas de processos. A
disposição hierárquica das telas segue a hierarquia definida na perspectiva tecnoló-
28
gica (figura 3.5). Nas telas o programador pode definidir elementos gráficos estáticos
ou dinâmicos. Os elementos dinâmicos são conectados às variáveis de processo ma-
peadas pelo sistema SCADA, e podem ser criados essencialmente de duas formas:
1. Manualmente: o elemento é criado isoladamente, e as conexões com as variá-
veis têm de ser definidas uma a uma. É o método utilizado quando se integra o
WinCC puro, sem ferramentas de instanciação automática de objetos, portanto
sem uso da suíte PCS7;
2. Automaticamente: o elemento pode aqui ser chamado de um objeto propria-
mente dito, em um sistema orientado a objetos, assim como aquele instanciado
de uma classe. A classe é o FB correspondente e a instância é o DB-instância.
Dessa forma, o objeto gráfico possui atributos e métodos, sendo estes últi-
mos os scripts disparados sob circunstâncias pré-definidas, como a mudança de
estado da variável booleana “liga” de um FB de um motor. Este método de pro-
gramação visual é disponível com ferramentas de integração incluídas na suíte
de aplicativos Simatic PCS7. A maior parte dos elementos gráficos dinâmicos
do projeto da ETA Hengstey foram definidos dessa maneira.
Cada objeto pode estar associado a um ou mais faceplates – pequenas janelas
pop-up, como a da figura 3.10, que surgem ao clicar-se sobre o objeto. Faceplates
são extremamente úteis para “despoluir” a interface gráfica, concentrando as opções
de interação com os elementos da planta.
Figura 3.10: Exemplo de faceplate do FB de motor simples, para comando manual viaSCADA.
29
Capítulo 4: Modelagem da Planta
Baseado na tecnologia empregada e apresentada no capítulo 3, e antes de se
elaborar o controle e automação, realizou-se uma respectiva modelagem do sistema,
sob os seguintes aspectos gerais.
1. Modelo dos reservatórios de água: piscinas de infiltração, tanques e reservató-
rios subterrâneos;
2. Modelo de interação no lençol freático;
3. Modelo dos principais atuadores dos sistemas de controle: motores e válvulas.
Aos FBs modeladores (drivers) são atribuídos objetos gráficos para o sistema
SCADA, todos acompanhados de um ou mais faceplates, de modo a permitir a
interação do usuário do sistema com os FBs e, consequentemente, com a planta;
4.1: Reservatórios de Água
Para a simulação das piscinas de infiltração, tanques de água tratada, poços
de captação e reservatórios subterrâneos, foi elaborado um FB com todas as fun-
cionalidades necessárias, das quais um subconjunto aplica-se em cada caso. Uma
funcionalidade, entretanto, comum a todos os tipos de reservatório é o da variação do
nível segundo as diferenças de vazões de entrada e saída.
Considera-se um reservatório de água em contato com o solo – como as pis-
cinas de infiltração da ETA Hengstey – e com uma determinada “densidade” – repre-
sentando uma porcentagem do volume do reservatório que não está disponível para
abrigar fluido – como mostra o esquema da figura 4.1.
Fornecidas as variáveis de vazão de entrada Qe(t), vazão de infiltração Qi(t) e
vazão de saída por bombeamento Qa(t), juntamente com a área A do reservatório, o
nível instantâneo h(t) pode ser calculado através da integral
h(t) =
t∞∫t0
Qe(t)− (Qa(t) + Qi(t))
Adt (4.1)
Contudo, dado que o CLP é um dispositivo digital, para se avaliar a expressão
30
Figura 4.1: Reservatório com características de infiltração e densidade.
4.1 deve-se realizar uma aproximação por discretização, de acordo com o somatório
da equação 4.2. Portanto considera-se um período constante Ts, tal que
h[i] =i∑
k=0
[Qe[k]− (Qa[k] + Qi[k])
A · 1Ts
](4.2)
Para cada iteração1 i uma nova parcela do somatório deve ser executada, e
como consequência pode-se escrever a expressão 4.2 sob a forma
h[i] = h[i− 1] + Ts
[Qe[i]− (Qa[i] + Qi[i])
A
](4.3)
No caso das piscinas de infiltração, a água infiltra-se no subsolo. No modelo
matemático a seguir, a permeabilidade resultante d do subsolo foi considerada como
estando concentrada na interface entre o fundo do reservatório e o solo2, para fins
de simplificação do modelo, sem perda de validade. Além disso, considera-se que a
permeabilidade distribuída do subsolo abaixo do reservatório pode ser concentrada
em um círculo, somente através do qual ocorrerá a vazão de infiltração.
Parte-se da expressão da dinâmica dos fluidos de Bernoulli
pA + ρghA +1
2ρv2
A = pB + ρghB +1
2ρv2
B (4.4)
1Cada iteração corresponde a um ciclo de execução do OB35.2Considera-se como “solo” a estreita camada da terra em contato com a atmosfera de até 1m de
profundidade; abaixo tem-se o subsolo.
31
Onde p é a pressão relativa em um ponto exercida de fora do volume de fluido, ρ
é a densidade da água (fluido), h o nível (altura) do ponto e v é a velocidade do fluido
na direção da aceleração gravitacional.
Para o ponto A, devido ao seu contato direto com a atmosfera, sua pressão re-
lativa será pA = 0. Para o ponto B, como ele encontra-se sobre o nível de referência,
tem-se hB = 0. A permeabilidade 0% ≤ d ≤ 100% determina o quão facilmente a água
se infiltrará no solo. Se d = 0 então tem-se uma piscina sem qualquer infiltração (um
tanque fechado); por outro lado, se d = 1 é como se o fundo do reservatório estivesse
completamente aberto (em contato direto com a atmosfera); já para valores interme-
diários a interface comporta-se como uma “esponja” de permeabilidade definida, com
os seguintes efeitos.
1. A pressão relativa no ponto B é pB = ρghA(1− d);
2. A área resultante, para cálculo da vazão de infiltração, é definida como Ae = d·A.
Aceita-se com naturalidade que se não há infiltração então d = 0 =⇒ vA = 0; de
maneira oposta, quando a infiltração for a máxima possível então d = 1 =⇒ vA = vB.
Uma vez que verifica-se uma relação aproximadamente linear entre os dois efeitos da
variação da permeabilidade e vA, ou seja, vA = f (pB) e vA = f (Ae) sendo f(x) =
a + bx, pode-se assumir que
vA = vB · d2 (4.5)
Aplica-se então as simplificações e relações até aqui apresentadas na fórmula
4.4, de modo a obter-se a expressão de vB.
vB =
√2ghAd
1− d4(4.6)
Sabe-se que a relação entre vazão q, área A e velocidade v dá-se através da
relação q = A · v. Assim, alcança-se o modelo teórico de vazão de infiltração qe
qe = A · d√
2 · g · hA · d1− d4
(4.7)
Caso a vazão de infiltração não seja significativa em relação às dimensões do
reservatório, pode-se assumir vA = 0. Isto implica em um limite superior d ≤ dm <
100% da permeabilidade de forma que a simplificação vA = 0 possa ser aplicada.
32
Dessa forma, a expressão 4.6 seria redefinida como
vB =√
2ghAd (4.8)
E consequentemente obtém-se o modelo da fórmula 4.9, o qual foi implemen-
tado no FB de simulação de reservatório.
qe = A · d√
2 · g · hA · d (4.9)
Neste caso (simplificação vA = 0), estabelecendo-se uma discrepância máxima
de 1% entre valor real e aproximado (simplificado) da vazão de infiltração, calcula-se
o limite superior dm.
Aproximação = 0, 99 · Realidade
Adm
√2ghAdm = 0, 99 · Adm
√2ghAdm
1−d4m√
1− d4m = 0, 99
dm = 0, 3756 ∼= 37%
(4.10)
Para o cálculo do valor da permeabilidade a ser utilizado na simulação das
piscinas de infiltração, toma-se a equação 4.9 e isola-se d.
d = 3
√(qe
A
)2
· 1
2gh(4.11)
Considerando-se uma situação discutida com o pessoal de operação da ETA,
na qual todas as piscinas de infiltração estejam com um nível de 0, 5m, resultando
numa vazão de infiltração estimada em qe = 3000m3/h = 0, 8333m3/s, e sabendo-se
que a área total das piscinas é A = 44421m2 e g = 9, 82m/s2, é obtido o parâmetro
de permeabilidade homogênea para todas as piscinas, conforme a expressão 4.12.
Nota-se que a permeabilidade calculada apresenta um valor extremamente pequeno,
e a infiltração só se torna significativa devido às grandes áreas das piscinas.
d = 0, 000329698 = 0, 0329698% (4.12)
Em tratando-se dos reservatórios subterrâneos, é sabido que grande parte do
volume de reservatório considerado, i.e. aquele relacionado à altura real atribuída a
ele, encontra-se já preenchido com material tais como rochas, areia, etc. Portanto,
a mesma diferença entre vazões de entrada e saída no reservatório com o tempo
causaria uma variação de nível maior, considerando-se a existência de volume exis-
33
tente mas indisponível para água. Para simular tal efeito elaborou-se um modelo de
“densidade” do reservatório, representada pela variável D.
O comportamento desejado é que, à medida em que D cresce, maior será a
inclinação da curva de variação do nível como função da diferença entre vazões de
entrada e saída, e vice-versa. Assim, define-se uma variável auxiliar h′m relacionada
ao nível máximo hm do reservatório, como demonstra a equação 4.13.
h′m = (1−D) · hm (4.13)
Esta relação aplica-se também à condição inicial de nível h0. Sendo assim, o
nível efetivo (real) do reservatório é obtido segundo a expressão 4.14, ou seja, como
função do nível auxiliar h′ – que desconsidera o efeito “densidade” – e de D.
h =hm
h′m· h′ = 1
1−D· h′ (4.14)
4.2: Interação entre Reservatórios Subterrâneos
A necessidade de se criar um modelo para a interação entre os reservatórios
subterrâneos, através de uma determinada vazão, advém de duas constatações prin-
cipais:
1. Os três setores do lençol freático da planta não são isolados entre si. Isto é
verificado na prática ao se realizar uma distribuição de água às piscinas de tal
forma que a relação “vazão de infiltração/área” seja igual para cada reservatório
subterrâneo, assim como a relação “vazão de saída/área”. Em tal circunstância,
iniciando-se com níveis diferentes nos reservatórios, após algum tempo (horas)
as diferenças entre níveis terão se reduzido;
2. A vazão de infiltração de cada piscina não é totalmente direcionada para um
reservatório subterrâneo específico, em geral. Toma-se o exemplo da piscina
1 (figura 2.3): apesar de experimentalmente saber-se que, mantendo-se a va-
zão de saída do reservatório 1 constante e aumentando-se o nível desta piscina
implica em um aumento principalmente no nível de tal reservatório, o aumento
do nível da piscina 1 também acaba por afetar (aumentar, no caso) o nível do
reservatório 2. Devido ao fato de mostrar-se um pouco complexo, em princípio,
34
elaborar um algoritmo de distribuição de vazão3 baseado em quotas de partici-
pação da vazão de infiltração de cada piscina para cada reservatório, decidiu-se
por modelar o efeito destas quotas indiretamente através das vazões de intera-
ção entre reservatórios.
A figura 4.2 contém um esquema de dois reservatórios subterrâneos adjacen-
tes, supondo que abaixo deles há uma camada impermeável de tal forma que não há
mais infiltração.
Figura 4.2: Esquema de dois reservatórios adjacentes através de interface permeável.
Nota-se que a área de interação entre os reservatórios é definida como Fg =
h3 · lk. Parte-se novamente da equação de Bernoulli.
p1 + ρgh1 +1
2ρv2
1 = p2 + ρgh2 +1
2ρv2
2 (4.15)
Considerando-se que o ponto 1 sofre pressão atmosférica, determina-se p1 = 0.
Uma vez que a vazão de interface não é significativa em relação às dimensões dos
reservatórios, então | v2 |�| v1 |=⇒ 12ρv2
1 = 0.
Sabe-se que a pressão estática cresce linearmente com a profundidade em um
líquido, o que significa que a maior velocidade de água provavelmente ocorrerá nas
proximidades do fundo comum dos reservatórios. Por esse motivo, estabeleceu-se o
ponto 2 quase ao fundo (nível de referência), e portanto pode-se simplificar h2 = 0 =⇒ρgh2 = 0. Realizando a substiuição desta e das simplificações anteriores na equação
4.15, resulta em
ρgh1 = p2 +1
2ρv2
2 (4.16)
3A ser visto no capítulo 5.
35
O objetivo é obter uma função da velocidade v2 (h1, h3, W ), onde W é a cons-
tante de penetrabilidade da interface. Para tal, procura-se uma expressão para p2 na
equação de Bernoulli entre os pontos 2 e 3.
p2 + ρgh2 +1
2ρv2
2 = p3 + ρgh3 +1
2ρv2
3 (4.17)
Na equação 4.17 pode-se igualmente admitir que | v2 |�| v3 |=⇒ 12ρv2
3 = 0,
p3 = 0 e h2 = 0 =⇒ ρgh2 = 0, pelos mesmas razões do ponto 1, de tal forma que da
equação 4.17 obtém-se
p2 +1
2ρv2
2 = ρgh3 (4.18)
Agora necessita-se de uma expressão representativa de W . Já que h3 é uma
variável que deve constar na expressão final e ρ é também uma constante, pode-se
definir W = 12v2, obtendo-se uma função para p2.
p2 = ρgh3 − ρWv2 (4.19)
Infere-se que W é uma grandeza de velocidade. Pode-se então inserir a expres-
são 4.19 na equação 4.16; antes, porém, é importante notar que v2 do reservatório B
é o conjugado de v2 do reservatório A, isto é, v2A = −v2B. Efetuadas as substituições
resulta em
ρgh1 = ρgh3 + ρWv2 +1
2ρv2
2 ⇒ v22 + 2Wv2 + 2g (h3 − h1) = 0 (4.20)
As soluções da equação 4.20 podem ser obtidas de forma literal através do
método de Baskara, e a solução válida é
v2 = −W +√
W 2 − 2g (h3 − h1) (4.21)
A outra solução representaria uma velocidade negativa, portanto não possui
significado físico válido. Nota-se que, à medida em que W cresce v2 diminui, e v2
aumenta com o aumento da diferença h3 − h1. Finalmente, a vazão de interface Qw
entre reservatórios subterrâneos é definida como
Qw = v2 (h3 · lk) (4.22)
O valor da constante de penetrabilidade W foi determinado por meio de simula-
ção: estabeleceu-se um “espaço de estados” para o lençol freático e foi-se ajustando
36
o valor de W até se obter uma vazão Qw coerente com a situação.
h1 = 4m
h3 = 3m
lk = 480m
W = 170m/s
⇓Qw = 101, 68m3/h
Portanto o valor W = 170m/s foi utilizado para a interface entre os reservatórios
1 e 2, e entre 2 e 3. Os reservatórios 1 e 3 não possuem interface. No entanto, W
deve ser revalidado quando da implantação do sistema na ETA.
4.3: Drivers para Atuadores
Na ETA Hengstey foram previstos 3 níveis distintos de operação:
1. Vor Ort (VO) – operação direta no equipamento. Destinada para manobras ma-
nuais locais, para manutenções e emergências. Corresponde à operação no
nível de campo;
2. Schaltschrank (SS) – operação por botões e chaves na cabine de comando do
módulo da ETA, relacionada ao nível intermediário de operação hierárquica da
planta;
3. WinCC (OP) – operação remota pelo sistema SCADA em sincronia com os pai-
néis de controle (OPs). Corresponde ao nível superior de automação.
A figura 4.3 ilustra esta estrutura hierárquica de acionamento. Acima da hierar-
quia, conectado ao 3onível (de menor prioridade), encontra-se o sistema de controle
em malha fechada (SCMF) implantando nos CLPs.
Descrevem-se a seguir as modelagens dos principais atuadores da planta – mo-
tores e válvulas – implementadas em FBs, os quais foram criados em CFCs a partir
de FBs básicos da Siemens, adicionando e ajustando-se as funcionalidades deseja-
das. Originalmente tinha-se em vista modelar os atuadores utilizando um formalismo
que permitisse a realização de um controle discreto/sequencial; por isso adotou-se a
37
Figura 4.3: Exemplo de acionamento de um atuador na hierarquia de operação da ETAHengstey.
linguagem de autômatos. No entanto, devido às mudanças (e descobertas) de espe-
cificações durante a fase de projeto, a modelagem por autômatos restringiu-se a fins
de documentação.
4.3.1: Motor On-Off
Trata-se de um driver para motor do tipo liga/desliga, independentemente do
princípio de funcionamento do mesmo (CA, CC, etc.); suas principais funcionalidades
são:
• Função de lock que possibilita forçar a saída de controle do motor para um es-
tado (ligado ou desligado);
• Função de monitoramento, através da qual o FB monitora o sinal de controle
fornecido (saída) e a resposta do dispositivo físico (entrada). Caso comando e
resposta não sejam iguais por um intervalo de tempo maior que o especificado
pelo usuário4, é gerado um erro e o comando vai para um estado de segurança4Este e demais parâmetros do driver estão disponíveis ao usuário através de faceplate no SCADA.
38
pré-definido (geralmente desligado);
• Conexões para painel de operação (OP), cabine de comando (SS) e operação in
loco manual (VO), todas devidamente sincronizadas;
• Conexão de falha externa: sinais booleanos externos provenientes de senso-
res podem indicar falhas no motor, como sobretemperatura, sobrecorrente e/ou
sobretensão, fazendo com que o FB desligue o comando (saída).
• Funcionamento manual/automático. Na operação manual o usuário pode es-
pontaneamente definir o sinal de comando para o dispositivo físico. Em modo
automático o sinal de comando é obtido através de uma entrada correspondente
ao SCMF no bloco do motor.
O autômato determinístico de estados finitos (ADEF) da figura 4.4 especifica o
comportamento (simplificado) do motor, através da seguinte quíntupla.
G = (X, Σ, f, x0, Xm) (4.23)
Por “simplificado” entende-se que estados como locked e outras características
herdadas do FB básico da Siemens não influenciam ou não são utilizadas no projeto
em questão.
O estado inicial x0 é o “pronto” e o conjunto de estados marcados Xm é cons-
tituído por “pronto” e “opera”. O alfabeto Σ é composto de: “com_inicia” – comando
para iniciar operação – “falha”, “conserto”, “resp_opera” – confirmação de operação –
“com_para” – comando para terminar operação – e “resp_parado” – confirmação de
parada. O espaço de estados X é composto por “pronto”, “iniciando”, “danificado”,
“opera” e “parando”. A modelagem não diferencia os tipos de falhas possíveis, pois
caso houvesse tal diferenciação obteria-se um atômato equivalente com maior número
de estados cuja complexidade é desnecessária.
Dois FBs foram derivados do FB de motor simples: motor de 2 velocidades e
motor com dois sentidos de rotação.
4.3.2: Válvula Simples
Trata-se de um FB modelador de uma válvula com duas posições de operação
distintas (fechada/aberta), com entradas para seus respectivos sensores de realimen-
39
Figura 4.4: Autômato respresentativo do comportamento simplificado do FB de motorsimples.
tação de posição. Sempre haverá um sinal de comando lógico aplicado à válvula de
maneira que, em condições normais de operação, ela jamais permanecerá em uma
posição intermediária. Aqui também é indiferente o princípio de funcionamento da vál-
vula (esfera, globo, comporta, etc). As principais funções deste FB são semelhantes
às do motor:
• Função de lock que possibilita forçar a saída de controle da válvula para um
estado aberto/fechado;
• Função de monitoramento: caso o comando do driver e a resposta do atuador
físico difiram por um tempo maior que o especificado, gera-se um erro de moni-
toramento e a válvula é comandada para uma posição de segurança (aberta ou
fechada);
• Conexões para painel de operação (OP), cabine de comando (SS) e operação in
loco manual (VO), com sincronização;
• Conexão de falha externa: sinais booleanos externos provenientes de sensores
para indicar falhas mecânico-elétricas na válvula;
• Funcionamento manual/automático. Na operação manual o usuário pode defi-
nir o sinal de comando para a válvula física. Em modo automático o sinal de
40
comando é obtido através do SCMF em uma entrada no FB da válvula.
O autômato ADEF da figura 4.5 especifica o comportamento (simplificado) da
válvula.
Figura 4.5: Autômato do comportamento simplificado da válvula simples.
O autômato descritor da válvula possui uma estrutura diferente da do motor,
pois é necessário salvar a informação de abertura/fechamento do dispositivo sob a
ocorrência de uma falha de modo a saber qual será o estado da válvula após o “con-
serto”. Um exemplo de aplicação deste autômato é para válvulas de acionamento por
solenóide com retorno por mola: ainda que exista somente um comando físico para
abrir, a negação deste sinal constitui o comando para fechar.
O estado inicial x0 é “fechada”. O espaço de estados X é formado por “fechada”,
“problema abrindo” – falha na abertura – “abrindo”, “aberta”, “problema fechando” –
falha no fechamento – e “fechando”. O conjunto de estados marcados Xm é composto
por “fechada” e “aberta”. O alfabeto é o conjunto de eventos constituído por “conserto”,
“falha”, “com_abre” – comando para abrir – “resp_aberta” – confirmação de abertura –
“com_fecha” – comando para fechar – e “resp_fechada” – confirmação de fechamento.
41
4.3.3: Válvula de Posicionamento Intermediário
Este FB modela uma válvula que pode assumir qualquer posição intermediá-
ria entre as posições-limite aberta e fechada. A interface deste FB apresenta duas
entradas de realimentação distintas para detecção de abertura e fechamento. No en-
tanto este bloco não realiza qualquer controle realimentado, representando apenas o
comportamento em malha aberta do atuador.
O autômato ADEF representativo deste FB difere um pouco daquele da válvula
simples, conforme pode ser visto na figura 4.6. Precebe-se que o autômato da válvula
simples pode ser considerado um caso particular do aqui apresentado.
Figura 4.6: Autômato modelador da válvula de posicionamento intermediário.
Em relação ao autômato da válvula simples, este ADEF possui em X o estado
“parada” – válvula em posição intermediária e parada. O estado inicial x0 também
é o “fechada”, e no conjunto de estados marcados Xm adicionou-se “parada”, pois é
aceitável que a válvula permaneça neste estado por tempo indeterminado, possivel-
mente significando “objetivo alcançado” (e.g. seguimento de referência). O alfabeto foi
acrescido dos eventos “falha_fecha” – falha com posicionamento da válvula em aberto
– “falha_abre” – falha com posicionamento da válvula em fechado – e “com_para” –
comando para manter a válvula na posição atual.
42
Capítulo 5: Sistemas de Controle e Automação
De posse dos blocos fundamentais modeladores da planta e dos atuadores,
parte-se para a elaboração dos controladores e sistemas de automação com vistas a
satisfazer os requisitos de projeto apresentados na seção 2.6.
Sob o ponto de vista de controle, o processo de tratamento de água pode ser
considerado como um sistema “puxado”, uma vez que um degrau na demanda de
vazão de saída da ETA (reservatório superior) causa uma reação em cadeia por todos
os módulos até a captação de água bruta. Na figura 5.1 é apresentado o diagrama de
blocos do sistema de controle [10] geral de Hengstey.
5.1: Controlador Discreto de Nível
O problema de controle de nível dos reservatórios na ETA Hengstey apresenta
uma particularidade que o torna não-trivial: os atuadores para controle do reservató-
rio superior e o de água tratada são de operação liga/desliga. Estas bombas utilizam
como driver chaves soft-starter para redução de corrente de partida através da con-
figuração de uma curva de aceleração, entretanto não disponibilizam um mecanismo
de variação de velocidade das bombas – o que poderia ser feito através de inversores
de frequência, por exemplo. Até então, havia um mecanismo de sensores discretos de
nível alto e baixo dos reservatórios, os quais serviam, respectivamente, para se desli-
gar e ligar o conjunto de bombas, manualmente definido pelo operador. Em períodos
de maior demanda o operador devia escolher um grupo de bombas cuja vazão resul-
tante fosse maior, caso contrário as proteções contra esvaziamento eram ativadas e o
atendimento à demanda era temporariamente prejudicado.
Conlui-se, portanto, que a tarefa de controle deve ser realizada através da esco-
lha das classes (vazão, se diferir) de bombas a serem utilizadas, assim como o número
de bombas de cada classe, o que caracteriza o sinal de controle do controlador. Esta
requisição do número de bombas da classe é aplicada a um bloco sequenciador – o
qual aciona bombas de uma mesma classe considerando intervalos de tempo entre
acionamentos, tempos de operação, entre outras funcionalidades. O objetivo é ela-
borar um algoritmo de controle capaz de selecionar o grupo de bombas ideal para se
otimizar o controle de nível dos reservatórios.
43
Figura 5.1: Diagrama de blocos do sistema de controle geral da ETA Hengstey.
44
5.1.1: Controle do Reservatório Superior
Considerar-se-á, primeiro, o caso das bombas de água tratada. A proposta ini-
cial foi realizar o controle a partir de um controlador clássico (e.g. PID) adjunto a um
mecanismo de resolução, o qual determinava quais bombas deveriam ser acionadas
dependendo do valor do sinal de controle, ou seja, estabeleceu-se faixas relaciona-
das às vazões atingíveis a partir de todas as combinações possíveis das bombas. O
problema desta técnica é que, quando o valor atual de nível atingisse as redondezas
do valor desejado, o número de chaveamentos por hora de bomba se torna muito
grande (frequência alta), o que diminui a vida útil dos atuadores. Para reduzir-se esta
frequência, a meta é operar com as bombas pelo maior intervalo de tempo ininterrupto
possível. Para tal, duas estratégias foram definidas:
1. Definir uma histerese ao redor do valor desejado. Para atingir-se a menor frequên-
cia, faz-se o intervalo de histerese ser praticamente a altura do reservatório, e
consequentemente o valor desejado será a metade do nível máximo, i.e. abre-se
mão da regulagem do set-point do reservatório;
2. Procurar reduzir ao máximo a inclinação da curva de nível, em relação ao eixo
das abscissas (tempo). Isto significa que, quando a curva de nível atingir um
ponto de histerese (ponto de inversão), deve-se selecionar uma combinação de
bombas tal que a derivada da curva seja a de menor módulo possível e com sinal
oposto.
Realizando-se todas as possíveis combinações de bombas, de acordo com a
vazão nominal de cada uma, são obtidos os estágios de controle, conforme mostra a
tabela 5.1. É requisito de controle que o operador do módulo possa configurar se ape-
nas uma bomba por capacidade (tabela 2.1) e/ou uma bomba por lugar (tabela 2.2)
deva operar, i.e. as duas bombas desse(s) grupo(s) nunca devem operar simultanea-
mente. Estas limitações resultam em eliminações de estágios de controle possíveis.
Na tabela 5.1, na coluna “Combinação” um e significa uma operação lógica e assim
como um o representa a operação ou; na coluna “CAP” um “OK” significa que o es-
tágio é possível sob a restrição de apenas uma bomba por capacidade, e na coluna
“LUG” um “OK” representa a viabilidade do estágio para a restrição de apenas uma
bomba por lugar.
Uma vez escolhido o estágio de controle desejado, deve-se verificar a possi-
bilidade de ativá-lo segundo quais bombas encontram-se disponíveis para operação
45
Estágio Vazão (m3/h) CAP LUG Combinação0 0 OK OK –1 600 OK OK 2o32 1000 OK OK 1o43 1200 – OK 2u34 1600 OK OK [(1o4)u(2o3)] o(5o6)5 2000 – OK 1e46 2200 OK OK [(1o4)e2e3] o [(5o6)e(2o3)]7 2600 OK – [(1o4)e(5o6)] o [1e4e(2o3)]8 3200 OK OK [(1o4)e(2o3)e(5o6)] o(5e6)9 3600 – OK 1e4e(5o6)
10 3800 – – [5e6e(2o3)] o [(1o4)e2e3e(5o6)]11 4200 – – [5e6e(1o4)] o [1e4e(2o3)e(5o6)]12 4400 – – 2e3e5e613 4800 – – (1o4)e(2o3)e5e614 5200 – – 1e4e5e615 5400 – – 2e3e5e6e(1o4)16 5800 – – 1e4e(2o3)e5e617 6400 – – 1e4e2e3e5e618 7400 – – 1e4e2e3e5e6e7
Tabela 5.1: Estágios de controle possíveis.
automática (SCMF). Além disso, deve-se definir a requisição de controle R a ser en-
viada para os blocos sequenciadores das bombas. Assim, da tabela 5.1 se obtém a
tabela 5.2. Considera-se a mesma notação empregada na tabela anterior, acrescida
de A, B e C – representantes do grupos de bombas.
Para os estágios 4c e 8a, vale também que sejam pré-definidas (com maior prio-
ridade) as prioridades de acionamento nos blocos sequenciadores como (p4 = p2 = 1)
o (p3 = p1 = 1).
O operador também pode escolher manualmente o estágio de controle quando
o valor atual de nível encontrar-se entre as regiões de ativação e desativação – ca-
racterizando o modo de operação parcialmente automático – sem qualquer influência
do algoritmo de controle. Em todo caso, se o valor atual tornar-se inferior ao ponto
de ativação, porém ainda estiver acima do ponto emergencial de ativação – caracteri-
zando a região de ativação – após cada período de controle Tco um novo estágio será
calculado e ativado, como tentativa de corrigir a curva, buscando o menor estágio de
maior valor (menor ângulo α), tal que faça a curva de nivel subir.
Todavia poderia ocorrer que, apesar do nível atual encontrar-se dentro da região
de ativação, sua derivada continuasse negativa até que o respectivo ponto emergen-
46
Estágio Condição CAP LUG Requisição R0 – OK OK –1 B ≥ 1 OK OK B = 12 A ≥ 1 OK OK A = 13 B = 2 – OK B = 24a C ≥ 1 OK OK C = 14b (A ≥ 1)e(B ≥ 1) OK – (A = 1)e(B = 1)4c (4e2)o(3e1) – OK (A = 1)e(B = 1)5 A = 2 – OK A = 26a (B ≥ 1)e(C ≥ 1) OK OK (B = 1)e(C = 1)6b (A ≥ 1)e(B = 2) – – (A = 1)e(B = 2)7a (A ≥ 1)e(C ≥ 1) OK – (A = 1)e(C = 1)7b (A = 2)e(B ≥ 1) – – (A = 2)e(B = 1)8a [(4e2)o(3e1)] e(C ≥ 1) OK OK (A = 1)e(B = 1)e(C = 1)8b (A ≥ 1)e(B ≥ 1)e(C ≥ 1) OK – (A = 1)e(B = 1)e(C = 1)8c C = 2 – – C = 29 (A = 2)e(C ≥ 1) – OK (A = 2)e(C = 1)
10a (C = 2)e(B ≥ 1) – – (C = 2)e(B = 1)10b (A ≥ 1)e(B = 2)e(C ≥ 1) – – (A = 1)e(B = 2)e(C = 1)11a (C = 2)e(A ≥ 1) – – (C = 2)e(A = 1)11b (A = 2)e(B ≥ 1)e(C ≥ 1) – – (A = 2)e(B = 1)e(C = 1)12 (B = 2)e(C = 2) – – (B = 2)e(C = 2)13 (A ≥ 1)e(B ≥ 1)e(C = 2) – – (A = 1)e(B = 1)e(C = 2)14 (A = 2)e(C = 2) – – (A = 2)e(C = 2)15 (B = 2)e(C = 2)e(A ≥ 1) – – (B = 2)e(C = 2)e(A = 1)16 (A = 2)e(B ≥ 1)e(C = 2) – – (A = 2)e(B = 1)e(C = 2)17 (A = 2)e(B = 2)e(C = 2) – – (A = 2)e(B = 2)e(C = 2)18 – – – max(A) + max(B) + max(C) + P7
Tabela 5.2: Estágios com respectivas condições e requisições de controle.
cial fosse atingido; então, por medida de segurança para evitar o esvaziamento total
do reservatório, o maior estágio (no caso, 18) seria disparado.
As regiões de controle são ilustradas na figura 5.2.
Por outro lado, caso o valor atual de nível ultrapasse o ponto de desativação
porém ainda esteja abaixo do ponto emergencial de desativação, após cada período
de controle um maior estágio de menor valor possível será escolhido, como forma de
tornar a derivada da curva de nível negativa (com menor α). Se o nível atingir o valor
emergencial de desativação, todas as bombas serão desativadas (estágio 0, o menor)
para evitar uma iminente transbordagem do reservatório.
47
Figura 5.2: Regiões de controle do controlador de nível discreto.
O controle do nível do reservatório superior com a utilização deste controlador
é exemplificado com o gráfico da figura 5.3.
Figura 5.3: Curva de nível do reservatório superior com controle proposto e fator detempo F = 10.
A frequência f de chaveamento não é constante, especialmente quando o fluxo
de saída do reservatório muda (e.g. devido à alteração na demanda). Entretanto, a
frequência do reservatório superior é menor do que a do de água tratada. Na figura
5.3 tem-se 4 chaveamentos em aproximadamente 20 ·10 = 200 minutos1, o que resulta
em f = (4/200) · 60 =⇒ f = 1, 2/h. Notam-se perturbações nas subidas e descidas da
curva, as quais podem ocorrer devido aos seguintes fatores:1A simulação foi feita com o tempo 10 vezes mais rápido do que o normal.
48
• Comutação de bombas devido a tempo de operação esgotado;
• Alteração na diferença entre vazão de entrada e de saída do reservatório;
• O modo de correção alterou o estágio de controle selecionado, dado que o sen-
tido de variação da curva foi invertido na região de operação, o que por sua vez
ocorreu devido a uma das razões acima.
Devido às dimensões do reservatório e vazões operadas podem ser geradas
ondas na superfície da água, o que inviabiliza a medição instantânea do nível para
a eleição de uma ação de controle adequada. Para contornar este problema, a es-
tratégia escolhida foi a de implementar um período de amostragem do nível, após o
qual uma nova estimativa do nível real é fornecida, que por sua vez será considerada
pelo algoritmo de controle. No FB de controle construiu-se um vetor com 20 posições;
toma-se o período de amostragem Ta de nível definido pelo usuário e, considerando-
se o período de chamada Ts do OB no qual o FB controlador é executado e o fator
de tempo F , calcula-se o número n de chamadas sucessivas necessárias do FB para
o preenchimento de uma nova posição do vetor, o qual comporta-se como uma fila
FIFO (First In, First Out). Na equação 5.1, a função int converte o resultado do tipo
real para int.
n = int(
Ta
Ts · F · 20
)(5.1)
É importante salientar que, para realizar-se um controle minimamente ade-
quado, deve-se assegurar que Tco ≥ Ta.
Por último, definiu-se o modo de correção, o qual determina a manutenção do
sentido da curva de nível, quando dentro da região de operação. Por exemplo, se a
curva está crescendo e uma perturbação ocorre – e.g. o fluxo de saída do reservatório
superior torna-se maior que o de entrada – fazendo α < 0, então o controlador irá atuar
como se estivesse na região de ativação.
5.1.2: Controle do Reservatório de Água Tratada
O método de controle empregado neste caso mantém-se essencialmente o
mesmo. No entanto, sua eficácia é reduzida devido à restrição de operação de um
mesmo número de bombas centrífugas em cada poço de captação; com isso, em mui-
tos casos obtém-se uma ação de controle relativamente forte, e como consequência,
49
em média, a frequência de chaveamento das bombas no controle de nível do reser-
vatório de água tratada será maior do que a do reservatório superior. A tabela 5.3
contém os estágios para o controle deste reservatório.
Estágio Vazão (m3/h) Requisição R0 0 0× 3 = 01 2100 1× 3 = 32 4200 2× 3 = 63 6300 3× 3 = 9
Tabela 5.3: Estágios de controle para o reservatório de água tratada.
O comportamento em malha fechada do nível do reservatório é o apresentado
na figura 5.4, com um fator de tempo F = 10.
Figura 5.4: Nível do reservatório de água tratada em malha fechada e com fator detempo F = 10.
Percebe-se que até t = 10 : 23h a frequência f era de 2 chaveamentos a cada
aproximadamente 1 · 10 = 10 minutos, o que implica em f ∼= 12/h. Em t = 10 : 23h
a vazão de saída do reservatório aumentou, ocasionando uma diminuição no ângulo
α como consequência da redução da diferença entre vazões de entrada e saída; por-
tanto a nova frequência foi de f = 21,5·10 · 60 ∼= 8/h.
5.2: Distribuição de Água nas Piscinas
Conforme consta na malha de controle geral da figura 5.1, quando o valor atual
is(j) do nível do reservatório subterrâneo j for menor que o nível desejado ss(j), seu
respectivo controlador PI irá fornecer um sinal de controle cs(j) > 0, o qual somado
àqueles dos demais reservatórios, será entregue ao módulo de filtragem rápida. Não
50
obstante, caso is(j) > ss(j)2 então o controlador PI não poderá fornecer cs(j) < 0,
uma vez que não há como forçar as bombas de vácuo a “devolver” água para os
reservatórios subterrâneos; neste caso permanecerá cs(j) = 0. O módulo de filtragem
rápida, por sua vez, irá captar água bruta necessária para atender à demanda, e a
água processada será disponibilizada para as piscinas de infiltração de tal maneira que
a infiltração em cada piscina colabore da melhor forma possível para o atendimento da
demanda no lençol freático. De aqui em diante considerar-se-á por “piscina” o grupos
de piscinas 1, 2 e 3, cada qual relacionada a seu reservatório subterrâneo de mesmo
número.
Em outras palavras, o controle do nível do lençol freático pode ser sintetizado
na lei
qe(j) = cs(j)− P (j) + E(j) (5.2)
Onde qe(j) é a vazão de infiltração instantânea no reservatório subterrâneo,
P (j) são as perdas devido à dissipação de água no subsolo e evaporação, e E(j) é
o erro de controle atual. O objetivo é fazer E(j) = 0 no menor intervalo de tempo
possível. Entretanto, da fórmula 4.9 sabe-se que qe = f(h), sendo h o nível de água
em um reservatório com infiltração, portanto obtém-se agora um valor desejado s(j)
de nível na piscina. Dado que na maioria das vezes não se tem a vazão de água
exatamente suficiente para satisfazer aos sinais de controle dos controladores PI –
devido à dinâmica e atraso de transporte inerentes ao processo – deve-se estabelecer
um algoritmo de distribuição ótimo, no sentido de procurar ser o mais “justo possível”
caso falte vazão total ou então tentar “prejudicar” o menos possível o lençol freático
quando ocorrer excesso de vazão.
Para tanto, o controlador (distribuidor) recebe o nível atual i(j) da piscina e o
compara com s(j). Geralmente ter-se-á uma diferença de nível e(j) = i(j)− s(j) 6= 0.
O algoritmo de distribuição prevê duas situações:
1. Ao menos uma diferença negativa: ∃j tal que e(j) < 0. Neste caso todas as
piscinas (grupos) tal que e(j) < 0 receberão uma quota ν da vazão total νT . As
quotas são determinadas pela relação
ν(j) =e(j)
eT
· νT (5.3)
2Na verdade, devido ao “atraso” da ação integral do controlador, pode-se ter por certo intervalo detempo is(j) < ss(j) “tentando” gerar um sinal de controle negativo.
51
Onde eT < 0 é a soma de todas as diferenças negativas. Percebe-se que desta
forma, as piscinas com as menores diferenças (maiores módulos) necessitam de
mais água e portanto recebem uma maior quota;
2. Todas as diferenças são positivas: ∀j vale e(j) ≥ 0. O interessante aqui é que
todas as piscinas já possuem água suficiente. Logo, o objetivo é injetar menor
vazão de água nas piscinas com a maior diferença. O algoritmo se subdivide em
três etapas:
(a) Ordenação das diferenças e(j) em uma lista, da maior para a menor;
(b) Criação de um ponteiro entre e(j) e sua posição x na lista ordenada. Isto se
deve à necessidade óbvia de se saber, após a ordenação, quais diferenças
pertencem à quais piscinas. Os ponteiros são números inteiros com o valor
de posição na lista ordernada e são armazenados em uma outra lista. Cada
posição na lista de ponteiros corresponde à respectiva piscina de mesmo
número;
(c) Determinação das quotas de vazão ν(j). Assume-se as variáveis H à maior
e(j), M à intermediária e K à menor. A lei de distribuição é composta das
seguintes relações.
ν(H) =e(K)
eT
· νT ν(M) =e(M)
eT
· νT ν(K) =e(H)
eT
· νT (5.4)
Onde eT ≥ 0 é a soma de todas as diferenças. Nota-se que, com esse
método, procura-se fazer com que o reservatório com maior excesso de
água receba a menor quota de vazão, aquela proporcional à do reservatório
com menor excesso. Com o tempo a tendência é que as diferenças vão se
aproximando de um valor comum, até que a vazão produzida pelo módulo
de filtragem rápida se adapte aos valores definidos pelos controladores PI,
i.e.
limt→∞νT (t) =3∑
j=1
cs(j) (5.5)
Caso uma piscina já esteja cheia, então ela receberá ν(j) = 0 como medida de
segurança, desde que ao menos uma outra piscina não esteja completamente cheia.
Em uma situação extrema, caso todas as piscinas já encontrem-se cheias, então o
algoritmo irá executar como em condição normal, pois não haveria como evitar uma
transbordagem de qualquer piscina.
52
5.3: Mecanismo de Previsão de Demanda
Devido ao atraso de transporte entre a ação do módulo de filtragem rápida e
o lençol freático, ocorrendo principalmente durante o processo de infiltração nas pis-
cinas, o controle do nível nos reservatórios subterrâneos se torna difícil e necessa-
riamente bastante lento, para se evitar uma possível instabilização. Por exemplo, ao
ocorrer um degrau forte na demanda, este efeito vai se propagando desde o reser-
vatório superior até as bombas de vácuo, as quais começam a retirar bastante água
do lençol freático, fazendo o nível cair relativamente rápido. Os controladores PI então
fornecem uma ação de controle para o módulo de filtragem rápida, no sentido de suprir
o volume de água faltante no subsolo; no entanto, até que a água depositada nas pis-
cinas possa infiltrar-se e atingir o lençol freático, pode ser que ele já tenha atingido um
estágio crítico de falta de água, podendo comprometer o atendimento da demanda.
Na verdade, além do problema do atraso de transporte, o sistema piscina →infiltração → reservatório subterrâneo é fortemente não-linear, devido à característica
do modelo da equação 4.9. Por outro lado, a decisão de se usar um controlador clás-
sico linear, inicialmente, justifica-se no fato de que não há especificações rigorosas de
controle para o nível do lençol freático. Além disso, definindo-se um fator integral bas-
tante pequeno3, em relação ao proporcional, consegue-se um comportamento estável,
como será visto no capítulo 6.
Uma proposta simples para contornar a lentidão da infiltração foi a elaboração
de um mecanismo de previsão de demanda. Trata-se de uma tabela com os valores
de vazão (Ausgangdurchfluss) previstas para cada hora do dia. O somatório das 24
vazões resulta no volume total (aktuelle Sollwert) de água previsto para o dia. Além
disso, cada vazão representa uma porcentagem (Leistungsfähigkeit) do valor médio
de vazão horária para o dia. O operador prevê os dados na tabela de amanhã e, ao
trocar o dia, os dados são copiados para a tabela de hoje. A figura 5.5 apresenta a
tabela para o dia de hoje (Heute).
No campo höchste Durchfluss se tem o atual limite de capacidade da ETA que,
ao ser alterado, faz com que todas vazões eventualmente superiores sejam igualadas
a este valor. Trinkwasser zum Netz apresenta o atual fluxo de saída do reservatório
superior para a rede de distribuição. A barra azul corresponde ao tempo já decorrido.
As vazões já totalmente preenchidas pela barra não podem ser alteradas, mas as3Em sistemas sem compensação do atraso de transporte, a ação integral do controlador deve ser
pequena o suficiente para não instabilizar o sistema.
53
Figura 5.5: Distribuição de demanda de água tratada por hora.
restantes ainda podem ser manualmente redefinidas, se necessário. Sempre ao se
alterar um valor de vazão o volume total é atualizado, assim como a porcentagem
horária, entretanto a nova configuração somente passará a ser válida após a tecla
Übernehmen ser pressionada.
Ao se modificar uma procentagem de uma vazão as demais vazões devem
manter-se inalteradas. Define-se, então, V como sendo o volume total, a a vazão
média horária, ζ a vazão horária e l a porcentagem. As expressões matemáticas para
cada uma dessas variáveis são apresentadas a seguir, para um instante de tempo t.
a(t) =V (t)
24V (t) =
23∑i=0
ζi(t) ζi(t) = a(t) · li(t) (5.6)
O problema pode ser definido como
Dado uma nova porcentagem lk(t+1), encontre um novo volume total V (t+
1) tal que satisfaça a nova porcentagem e não afete as demais vazões ζi(t).
Primeiro calcula-se V (t + 1).
V (t + 1) = (V (t)− ζk(t)) + ζk(t + 1)
V (t + 1) = (V (t)− ζk(t)) + (a(t + 1)lk(t + 1))
V (t + 1) = (V (t)− ζk(t)) +(
V (t+1)24
lk(t + 1))
(24V (t+1)−lk(t+1)V (t+1))24
= (V (t)− ζk(t))
V (t + 1) · (24−lk(t+1))24
= (V (t)− ζk(t))
V (t + 1) = 24(V (t)−ζk(t))(24−lk(t+1))
(5.7)
Com isso encontra-se o novo valor médio de vazão horária a(t + 1) = V (t+1)24
,
do qual, junto com a nova porcentagem se calcula a respectiva nova vazão horária
ζk(t + 1) = a(t + 1) · lk(t + 1). No entanto, ainda que as demais vazões permane-
54
çam inalteradas, suas respectivas porcentagens devem ser recalculadas em função
do novo volume.
A configuração de distribuição de volume de hoje e amanhã é transformada em
uma lista que contém as 24 próximas vazões, a partir do instante atual. Esta lista é
repassada a uma espécie de driver do módulo de filtragem rápida, o qual definirá a
operação do módulo como
1. Seguimento de referência da curva (lista) de distribuição de volume prevista,
juntamente com o atraso de transporte (tempo de predição) θp;
2. Seguimento de referência da soma dos csj provenientes dos controladores PI de
nível do lençol freático;
3. Escolha do maior sinal de controle entre os dois itens anteriores.
5.4: Tratamento de Água Residual
As operações no processo de tratamento de água residual constituíram outra
atividade importante programada pelo aluno. Ainda que este módulo não conste na
malha de controle geral da figura 5.1, possui um papel fundamental para a ETA, pois
caso o módulo sature ou seja impedido de operar, o módulo de filtragem rápida aca-
bará sendo bloqueado por impossibilidade de limpeza de seus filtros rápidos, o que
por sua vez culminaria em uma gradual redução de fornecimento de água da ETA.
Considera-se novamente o esquema do módulo, na figura 2.2. Os tanques de
decantação são os primeiros na sequência de operação: procura-se deixar apenas
uma das válvulas à montante TiVm abertas, de maneira que apenas um tanque esteja
recebendo água por vez, o que implica em uma operação alternada dos tanques. O
modo de operação “normal” é o no1, definido pelo Grafcet – implementado como SFC
na programação em PCS7 – da figura 5.6, no qual ambas as válvulas TiVm e TiVj
permanecem fechadas durante a operação. Entende-se, portanto, porque deseja-
se que os tanques operem alternadamente: caso aconteça dos tanques operarem
simultaneamente, não haverá mais possibilidade de se captar água para tratamento,
e o módulo de filtragem rápida será impedido de realizar limpeza de seus filtros.
No Grafcet da figura 5.6, no passo final End as instruções para fechamento da
válvula à jusante e desligamento do limpador podem parecer redundantes, mas trata-
se de uma medida de segurança, uma vez que o operador pode abortar a operação
55
Figura 5.6: Grafcet do modo 1 de operação automática do tanque de decantação.
do SFC em qualquer passo, entretanto antes do seu cancelamento o último passo é
sempre executado. Há também o modo de operação 2, o qual pode ocorrer apenas
durante o dia. Neste modo ambas as válvulas TiVm e TiVj permanecem abertas e
o limpador permanece em operação contínua, conforme demonstra o Grafcet imple-
mentado da figura 5.7. O modo 2 é disparado quando há grande volume de água a ser
tratado, o que reduz a disponibilidade de tempo para decantação, portanto ela passa
a ocorrer de maneira “dinâmica”, com o auxílio de elementos floculantes.
Para o disparo da operação automática de um tanque, todos os dispositivos
envolvidos (limpador e válvulas) devem estar conectados à malha de controle (figura
4.3) e o sensor de nível deve estar se acusando com medição correta4. Com estas4Os sensores de ultra-som de nível utilizados possuem um sistema de auto-verificação da integri-
56
Figura 5.7: Grafcet do modo 2 de operação automática do tanque de decantação.
condições satisfeitas, o disparo pode ser automático – há níveis de disparo diferentes
para os períodos da noite e dia – ou manual, quando o nível do tanque encontrar-se
entre o de desligamento e o de ativação automática. Caso um tanque esteja operando
em modo automático e uma das condições recém apresentadas passar a não valer
mais, então o SFC é contido no passo atual, até que todas as condições voltem a
ser válidas. Na situação de ambos os tanques operarem simultaneamente no modo
2, então seus níveis serão praticamente iguais, e portanto caso um dos sensores
se tornar indisponível para medição por alguma razão, então o tanque com sensor
danificado passará a utilizar o sinal do sensor do outro tanque.
Há também um modo 3 de operação dos tanques de decantação: o modo de
“congelamento”. Neste, quando a temperatura ambiente cair abaixo de um determi-
nado valor e o(s) tanque(s) estiver(em) pronto(s) para operar em modo automático, a
válvula à jusante do(s) tanque(s) será(ão) aberta(s) e o(s) limpador(es) operará(ão)
continuamente, agitando a água e evitando o congelamento.
Quando o nível no reservatório de água poluída atingir um determinado valor ha
o processo de tratamento desta água é iniciado, e é encerrado quando o nível atingir
dade de medição realizada.
57
hd, sendo ha > hd > 0m. Este processo implica, simplificadamente, nas seguintes
operações:
1. A operação automática das bombas Bpi no reservatório de água poluída é dis-
parada Para o acionamento das bombas se utiliza um FB sequenciador, o qual
gerencia suas prioridades de ativação, tempos de operação e tempos entre ati-
vações (para reduzir as correntes de partida);
2. Os filtros de areia Dyna são ativados;
3. Os compressores que fornecem ar-comprimido para os filtros são ativados.
58
Capítulo 6: Simulação e Resultados
Uma vez tendo-se elaborado os controladores discretos dos reservatórios su-
perior e de água tratada, tendo-se também todos os FBs de modelagem dos reser-
vatórios, os FBs de tratamento dos dados de distribuição do volume para previsão de
demanda, entre outros, partiu-se para a implementação da malha de controle da figura
5.1 através de programação em CFC. Por último, construiu-se uma interface gráfica da
simulação no sistema SCADA.
6.1: Metas e Indicadores de Desempenho
É importante estabelecer quais são as metas e os indicadores de desempenho
que serão analisados para se qualificar a estrutura de controle proposta, de acordo
com as especificações de projeto apresentadas no capítulo 2. Assim, foram levantados
os seguintes critérios:
1. Indicadores de desmpenho. Traduzem-se em números, e servem para uma
análise quantitativa. Por exemplo: frequência de chaveamento média das bom-
bas de água tratada e das bombas centrífugas dos poços de captação; número
de vezes em que os reservatórios superior, de água tratada e poços de captação
esvaziam-se por completo ou transbordam;
2. Metas de desempenho. Utilizadas para uma análise qualitativa. As principais
metas são: evitar o esvaziamento completo das piscinas, para manter o subsolo
sempre encharcado; evitar oscilações fortes no nível do lençol freático; assegu-
rar o fornecimento de água ininterrupto frente a intensos degraus na demanda
de água tratada, entre outros.
Outro aspecto importante da simulação é detectar como os requisitos de con-
trole influem na consecução das metas de desempenho, tais como operar sempre com
o mesmo número de bombas centrífugas em cada poço de captação.
59
6.2: Parametrização
Antes de se realizar a simulação para avaliar o desempenho da planta com o sis-
tema de controle integrado, deve-se fazer a devida parametrização dos reservatórios.
Alguns dos parâmetros da planta aqui utilizados foram estimados a partir de conversas
com os operadores e “bom-senso”, uma vez que muitos dados não encontravam-se
prontamente disponíveis, e outros eram difíceis de determinar – e.g. como o “fundo”
do lençol freático.
Reservatório Área (m2) Altura (m) Volume (m3)Reservatório superior 100 5 500
Reservatório de água tratada 64 4 256Poços de captação (cada) 16 6 96
Reservatório subterrâneo 1 132000 5 660000Reservatório subterrâneo 2 200000 5 1000000Reservatório subterrâneo 3 65000 5 325000
Grupo de piscinas 1 17923 1 17923Grupo de piscinas 2 21598 1 21598Grupo de piscinas 3 4900 1 4900
Tabela 6.1: Parametrização dos reservatórios para simulação.
Para a simulação dos elementos atuadores (ativos) da malha de controle da
figura 5.1, criou-se um bloco simulador de sistemas dinâmicos de primeira ordem. Na
verdade, tais FBs (instâncias) simulam a dinâmica do fluxo de água fornecido por tais
atuadores. Por exemplo, no caso das bombas centrífugas – que bombeam água dos
poços de captação para o reservatório de água tratada – é razoável assumir que a
dinâmica da bomba (velocidade do rotor) aproxima-se da vazão por ela fornecida; por
outro lado, tratando-se das bombas de vácuo – que retiram água do lençol freático e
a insere nos poços de captação – a dinâmica do rotor da bomba é muito mais rápida
do que a da vazão de água, i.e., primeiro a pressão negativa tem que ser gerada,
para somente então a vazão nos dutos começar a aumentar. A figura 6.1 apresenta o
comportamento do sistema de 1aordem implementado, com suas principais variáveis
de interface1
A particularidade do modelo aqui empregado é o fato de haver duas constantes
de tempo distintas, uma para subida – modelo da equação 6.1 – e outra para descida
– modelo 6.2. Além do mais, o ganho do sistema é dinâmico e pode ir variando
no decorrer da evolução do sistema. O ponto de operação o é referenciado ao zero1Variáveis de interface são aquelas “públicas”, que podem ser acessadas por outros FBs.
60
Figura 6.1: Modelo do sistema de 1aordem implementado.
absoluto, e é utilizado para determinar quando o sistema pode ser considerado “em
operação”.
x(t) = K ·(1− e−
tτs
)⇒ L {x(t)} ⇒ X(s) =
K
1 + sτs
(6.1)
x(t) = K · e−t
τd (6.2)
O foco desta simulação é simular os fluxos de água e níveis de reservatórios,
tão somente. A tabela 6.2 contém as dinâmicas e características atribuídas aos fluxos
de água (vazões) geradas por cada elemento atuador da malha de controle.
Atuador τs τd Saturação GanhoRede de distribuição 2min 2min – K > 0m3/h
Bomba de água tratada 30s 10s – K = ctem3/hBomba centrífuga de poço 10s 5s – K = 700m3/h
Bomba de vácuo 3min 1min – K = 900m3/hMódulo de filtragem rápida 1min 30s 2500m3/h 0 ≤ K ≤ 2500m3/h
Tabela 6.2: Dinâmicas das vazões geradas pelos atuadores.
A simulação dividiu-se em duas situações distintas: a primeira é o teste da
planta sob circunstâncias corriqueiras de demanda, com uma curva prevista de vo-
lume distribuído cotidiana; a segunda representa um teste de reação ao degrau de
demanda na rede de distribuição, de maneira a verificar se a ETA é capaz de garantir
o fornecimento de água sob tal circunstância sem falhar com as metas de desempe-
nho definidas. Ambas as simulações tiveram como condição inicial dos reservatórios
a metade do nível máximo de cada um.
61
6.3: Simulação de Demanda Normal
Definiu-se uma típica curva de demanda de água para o período de um dia no
verão, conforme consta no gráfico da figura 6.2, e simulou-se o sistema sob estas
circunstâncias ininterruptamente por um período equivalente a 14 dias. À demanda
em cada hora foi atribuído um valor fixo, de forma que o chaveamento entre uma hora
e a próxima corresponde a um degrau na demanda. Entretanto, na curva realizou-se
uma interpolação linear.
Figura 6.2: Curva típica de demanda de água no verão em um dia (24 horas).
Em realidade, deixou-se o CLP operando por aproximadamente 1 dia e meio
com um fator de tempo 10. Este mecanismo de “manipulação” do tempo não é um
serviço disponibilizado nativamente pelo hardware, nem sequer pela biblioteca padrão
de FBs da Siemens; para tanto, foi elaborado um FB manipulador do tempo, com
algumas funcionalidades tais como seguir o tempo atual do sistema, ou então, a partir
do tempo atual do sistema, passar a “executar” o tempo com uma velocidade diferente
da normal, definida por um fator de tempo F ∈ <, tal que
0 < F ≤ 1
Ts
· 60 (6.3)
Onde Ts é o período de chamada do OB no qual o FB manipulador de tempo
e os FBs de simulação são executados. A constante 60 surge devido à contagem de
tempo, cuja resolução é em minutos. O intervalo de F definido na expressão 6.3 ex-
prime que o fator de tempo não pode ser nulo, senão um minuto duraria por um tempo
real infinito. Por outro lado, F não pode ser excessivamente grande, caso contrário o
62
número de ciclos necessários de chamada do OB em questão seria menor do que 1.
Nas simulações aqui abordadas, usou-se Ts = 0, 1s, o que permite um fator de tempo
máximo Fmax = 600.
Assume-se – para os controladores discretos dos reservatórios superior e de
água tratada – hS como o nível de desativação emergencial, h(d) como o nível de
desativação, ha sendo o nível de ativação, hI representando o nível de ativação emer-
gencial (figura 5.2), Tco como o período de controle e Ta o período para amostragem
do nível. Os parágrafos a seguir tratam dos resultados da simulação.
No reservatório superior a frequência média de chaveamento das bombas de
água tratada ficou em ∼= 1, 1/h, com configuração do controlador sendo hS = 4, 5m,
hd = 4, 25m, ha = 2m, hI = 0, 5m, Tco = 120s e Ta = 20s. Esta frequência é bastante
satisfatória, considerando a margem para se evitar esvaziamento e transbordagem do
reservatório – os quais não ocorreram – e a impossibilidade de se realizar um controle
contínuo clássico sobre o mesmo.
Já para o reservatório de água tratada a frequência média de chaveamento
das bombas centrífugas dos poços foi de ∼= 6/h, com a seguinte configuração do
controlador: hS = 3, 75m, hd = 3, 25m, ha = 1m, hI = 0, 25m, Tco = 120s e Ta = 20s.
Como era de se esperar, a frequência de chaveamento aqui é mais alta, dado as
dimensões menores deste reservatório, assim como o fato de se enviar a mesma
requisição de controle para cada poço (bombas centrífugas) colabora para um sinal
de controle muitas vezes forte demais. Como será visto na sequência, este não é o
único problema desta especificação de controle. De qualquer maneira, a frequência
aqui obtida foi menor do que a calculada em testes iniciais (seção 5.1.2), o que é um
bom resultado para este indicador de desempenho, ainda mais considerando-se que
em nenhum momento o reservatório esvaziou-se ou transbordou.
Para os poços de captação fez-se a simulação do hardware de controle do ní-
vel do poço com os parâmetros hd = 4m e ha = 2, 5m (não há níveis emergenciais). A
frequência de chaveamento obtida foi ∼= 9, 3/h, a mais alta entre os três (tipos) de re-
servatórios abordados até aqui. Isto se deve à dinâmica lenta do fluxo de água sugado
através das galerias pelas bombas de vácuo, fazendo com que as bombas tenham de
ser ligadas (principalmente) e desligadas muito antes dos limites de capacidade dos
poços. A operação foi simulada com as duas bombas por operação; caso se utilizasse
apenas uma, o que é configurável pelo operador, a frequência de chaveamento pas-
saria para cerca de 25/h, o que reduziria muito o período entre manutenções destes
63
equipamentos. Além disso, operando-se com as duas bombas de vácuo garantiu-se
um volume mínimo e máximo de água dentro dos limites operacionais seguros com a
menor frequência de chaveamento possível.
O comportamento dos reservatórios subterrâneos 1 e 2 foram semelhantes,
devido aos volumes semelhantes que possuem, assim como as áreas relativamente
próximas dos grupos de piscinas que os alimentam. A figura 6.3 apresenta o gráfico
do nível do reservatório 1 durante os 14 dias de simulação. Já a curva de nível do
reservatório 3 convergiu para o valor desejado 2, 5m quase que com a metade do
tempo, devido ao volume ser bem menor.
Figura 6.3: Nível do reservatório 1, sob demanda típica, por 14 dias.
A configuração do controlador clássico PI, implementado em um FB conforme
a estrutura apresentada na figura 6.4, teve como constante proporcional KP = 1000 e
constante integral KI = 0, 02.
Figura 6.4: Estrutura do controlador PI implementado.
Nota-se que, dada a condição inicial h(0) = 0, 5 · hmax, o nível converge para a
referência de 2, 5m aproximadamente como um sistema de segunda ordem, cujos pó-
los de malha fechada são complexos conjugados, ocasionando uma curva oscilatória
64
convergente. Daí conclui-se que, apesar desta malha interna de controle – definida
por controlador → filtragem rápida → piscinas de infiltração → lençol freático – ser
não-linear, sendo o controle do tipo linear clássico (PI), devido ao grande atraso de
transporte e da respectiva lenta ação de controle (pequena ação integral), o sistema é
estabilizado, ao menos para este ponto de operação. Percebe-se também oscilações
de menor porte, periódicas, durante as 2 semanas da curva de nível: elas represen-
tam o efeito da distribuição de vazão (demanda) diária, repassada ao lençol freático
através da ação das bombas de vácuo.
O “atuador” da malha interna de controle dos reservatórios subterrâneos, con-
forme consta na figura 5.1, é o módulo de filtragem rápida. O gráfico da “ação de
controle” deste módulo é apresentado na figura 6.5. Nota-se que, a partir da con-
dição inicial nula, o módulo vai também convergindo segundo o comportamento de
um sistema de 2aordem, tendendo a estabilizar-se ao redor de 1300m3/h, o que é,
aproximadamente, o valor médio (1246, 88m3/h) de vazão da curva definida na figura
6.2.
Figura 6.5: Vazão de saída do módulo de filtragem rápida para demanda típica.
Por último, o comportamento das piscinas reflte o desbalanço causado pela
especificação de controle de se operar com o mesmo número de bombas centrífugas
simultaneamente em cada poço de captação: enquanto, no grupo de piscinas 1 e
2, o nível raramente ultrapassou os 15cm, ocorrendo um pico de 20cm no grupo de
piscinas 2 no quarto dia, já no grupo de piscinas 3 (piscina 12) o nível esteve até
então sempre saturado em ∼= 1m, possivelmente tendendo para convergir ao redor
de 95cm. Isto se deve ao fato de, uma vez que a área de infiltração deste grupo
é extremamente pequena, em relação ao volume de água retirado do reservatório
subterrâneo correspondente (3), então o controlador distribuidor procura compensar
65
esta deficiência com um elevado nível na piscina.
6.4: Teste de Capacidade de Resposta
Neste teste, simulou-se uma situação fictícia de demanda oscilatória crescente,
na forma de degraus consecutivos alternados, conforme apresenta o gráfico da figura
6.6. O gráfico desta figura possui um aspecto diferente do da 6.2, no entanto a idéia é
a mesma: cada hora possui uma demanda (vazão) constante, ocorrendo degraus na
demanda no chaveamento entre as horas.
Figura 6.6: Distribuição fictícia para teste de resposta ao degrau da ETA.
Decidiu-se por realizar este teste para se detectar o limite de reação da planta,
acima do qual não se garante o pronto e ininterrupto atendimento da demanda. O
período de simulação foi também de 14 dias, realizado com fator de tempo F = 10.
Os resultados obtidos foram os seguintes.
A frequência de chaveamento do reservatório superior passou a ser f ∼=1, 3/h. Este aumento é devido, em parte, ao aumento do somatório do módulo da
diferença entre demanda e sinal de controle mais próximo possível23∑i=0
| ζ[i] − cp[i] |,
como mostra a tabela 6.3, o que faz com que o sinal de controle se torne mais forte,
aumentando a inclinação α da curva de nível e, portanto, diminuindo o tempo en-
tre chaveamentos consecutivos. Contudo, com o mesmo ajuste do seu controlador
discreto, continuou não havendo quaisquer transbordagens ou esvaziamentos do re-
servatório.
Já para o reservatório de água tratada ocorreu uma diminuição na frequência
66
Demanda Normal Teste de Capacidade23∑i=0
| ζ[i]− cp[i] | 2325m3/h 2800m3/h
Demanda média 1246, 88m3/h 1350m3/hVolume total 29925m3/h 32400m3/h
Tabela 6.3: Valores comparativos entre demanda normal e teste de capacidade.
de chaveamento, passando para f ∼= 4, 5/h. Além disso, não houve esvaziamentos,
entretanto ocorreu uma transbordagem. Acontece que, quando a diferença entre os
degraus na demanda é muito forte e negativa – como ocorre entre 21h e 22h, com
200m3/h − 2400m3/h = −2200m3/h – a demanda de água do reservatório superior é
intensamente reduzida, o que reduz bastante o sinal de controle aplicado às bombas
de água tratada, as quais passam a retirar menos água do reservatório de água tra-
tada. Portanto, o controlador reduz o sinal de controle aplicado às bombas centrífugas,
mas, uma vez que esta reação exige um determinado tempo, até lá pode acontecer
de o reservatório de água tratada transbordar. A configuração do controlador discreto
deste reservatório manteve-se inalterada.
A garantia contra esvaziamentos é assegurada por um sistema de proteção de
“baixo-nível”, com maior prioridade do que o sinal de controle aplicado às bombas: à
medida em que o nível em um reservatório cai abaixo de um valor mínimo inicial, o
número de bombas disponíveis vai se reduzindo, até um nível mínimo crítico, debaixo
do qual nenhuma bomba pode ser acionada.
Nos poços de captação, a frequência de chaveamento também foi reduzida,
agora para f ∼= 6, 6/h. A justificativa é consequente à anterior: a redução no sinal de
controle aplicado às bombas centrífugas dos poços de captação2 faz com que o seu
controlador (hardware) desligue as bombas de vácuo; no entanto, dados o tempo de
reação do controlador e a grande inércia da vazão de entrada nos poços de captação
devido ao vácuo – maior do que a inércia da vazão de saída das bombas de água
tratada – acaba ocorrendo a transbordagem. No poço 1 ocorreram duas transborda-
gens, no poço 2 nenhuma, e no poço 3 aconteceu uma transbordagem. De qualquer
maneira, sob reduções fortes no sinal de controle, surgem patamares (transbordagem
→ saturação) longos nas curvas de nível dos reservatórios de água tratada e poços de
captação, o que influi diretamente para as reduções na frequência de chaveamento.
A figura 6.7 mostra o comportamento do nível do reservatório subterrâneo 1,2Reação em cadeia, ou “sistema puxado”, com fluxo (de água) em somente um sentido.
67
que foi idêntico ao dos demais. A configuração do controlador PI manteve-se a mesma.
Nota-se que o nível segue a referência de 2, 5m conforme o desejado e, de igual forma,
segundo o comportamento de um sistema de 2aordem. No entanto, os degraus na de-
manda perturbam menos as curvas de nível dos reservatórios subterrâneos, uma vez
que o aumento da amplitude dos degraus combinado com a periódica oscilação en-
tre eles simula um efeito de aumento de frequência, sendo que nesse caso, devido à
dinâmica extremamente lenta do lençol freático, o sistema acaba atuando como um
filtro “passa-baixa”, atenuando os efeitos das oscilações horárias de demanda.
Figura 6.7: Nível do reservatório 1, sob teste de capacidade, por 14 dias.
Finalmente, analisando-se a curva de tratamento de água (vazão) do módulo
de filtragem rápida, apresentada na figura 6.8, verifica-se que o seu pico passou
de 2072m3/h para 2125m3/h, assim como nesse caso a curva tende a estabilizar-se
em 1400m3/h, aproximadamente o valor médio de demanda (tabela 6.3) para o teste
de capacidade. Além disso, percebe-se um menor efeito de perturbação das vazões
horárias, devido ao caráter de filtro “passa-baixa” do lençol freático, explicado ante-
riormente. Não obstante, o comportamento das piscinas de infiltração manteve-se
praticamente o mesmo, apenas com uma ligeira elevação nos níveis de estabilização
(convergência); logo, a piscina 3 saturou em 1m, reforçando o problema na especifi-
cação de controle das bombas centrífugas.
Em síntese, mantidas as configurações dos controladores utilizadas para a si-
mulação de demanda normal (típica), obtiveram-se as seguintes variações nos indica-
dores de desempenho:
• Melhorias: diminuições nas frequências de chaveamento do reservatório de
água tratada e poços de captação; comportamento mais suave das curvas de
68
Figura 6.8: Curva de vazão do módulo de filtragem rápida em teste de capacidade.
nível dos reservatórios subterrâneos e curva de vazão do módulo de água tra-
tada;
• Deteriorações: aumento da frequência de chaveamento do reservatório supe-
rior; transbordagens nos reservatórios de água tratada e poços de captação;
saturação completa no nível do grupo de piscinas 33.
No entanto, mesmo sob condições adversas como neste teste de capacidade,
garantiu-se o fornecimento de água tratada na rede de distribuição a longo prazo,
através do não-esvaziamento dos reservatórios.
3Só não ocorre transbordagem do grupo de piscinas 3 por causa do algoritmo de distribuição, limi-tando a vazão de entrada na piscina.
69
Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas
Através deste relatório objetivou-se apresentar uma visão de todas as etapas
de projeto pelas quais o aluno atuou, envolvidas no processo de retrofitting da ETA
Hengstey. Conforme pôde-se observar, são muitas as áreas de engenharia, especial-
mente de controle e automação, envolvidas neste projeto, o que lhe confere uma ca-
racterística bastante multidisciplinar e completa, deveras uma ótima oportunidade para
a consolidação de diversos conhecimentos abordados durante o decorrer do curso de
Engenharia de Controle e Automação Industrial (ECAI) da Universidade Federal de
Santa Catarina (UFSC). As atividades do aluno durante seu projeto de fim de curso
não somente lhe conferiram uma excelente oportunidade profissional e de aprendi-
zado, devidamente aproveitada, como foram de grande importância para a empresa
GreyLogix e para a própria empresa cliente Mark-E – responsável pela operação da
ETA Hengstey.
Em relação à Mark-E, o trabalho desenvolvido até o momento colaborou para o
desenvolvimento de um modelo de infiltração e comportamento do lençol freático que
até então não existia de maneira formal. O controle do nível dos reservatórios subter-
râneos era feito de forma manual, baseado na experiência do(s) operador(es), o que
incorria em eventuais problemas de controle – como nível muito baixo ou até mesmo
alto – o que por sua vez podia acarretar certo grau de deterioração da qualidade da
água (nível alto demais) ou então limitação da vazão de retirada do lençol freático –
como medida de segurança – ou, em situações mais críticas, por ineficácia da pressão
negativa gerada pelas bombas de vácuo. Com a automação do processo e integra-
ção dos módulos da ETA por meio de sistema SCADA, o controle do nível do lençol
freático passa a ser automático, estável, e possibiltando ainda a criação de “reservas”
de água no subsolo, através do mecanismo de previsão de demanda, sob perspecti-
vas de alto consumo de água. O controle das bombas centrífugas e de água tratada
também foi remodelado por meio de um algoritmo mais eficiente de escolha de quais
bombas devem operar, visando aumentar o período de vida útil dos equipamentos.
Cabe aqui relembrar que a parametrização da planta utilizada para as simu-
lações foi aproximada e, de certa forma, “subestimada”, de maneira a se prever um
“pior caso” de operação. Dessa forma, ao se obter resultados julgados satisfatórios,
e uma vez que os reservatórios possivelmente possuem capacidades maiores, infere-
70
se que os indicadores de desempenho serão ainda melhores, i.e., a frequência de
chaveamento das bombas será diminuída ainda mais, assim como as chances de es-
vaziamento total e de transbordagem. A maior preocupação do aluno e de sua equipe,
durante o período do PFC, foi a de gerar um modelo de simulação com mecanismos
que representem da melhor maneira o funcionamento da ETA, obviamente, com certo
grau de abstração, de maneira a viabilizar a simulação; e.g., dentro do módulo de fil-
tragem rápida existem 14 filtros, cada qual com válvulas e controle próprios de nível
e rotinas de limpeza, além dos dispositivos auxiliares como compressores, os quais
caracterizam todo um problema de controle e automação próprio. No entanto, esta
tarefa foi delegada a outra pessoa, sendo que o aluno pôde abstrair a operação do
módulo através de um sistema de primeira ordem com parâmetros definidos, como
deve ser o comportamento do módulo quando visto “de longe”.
No que diz respeito à GreyLogix, o trabalho desenvolvido foi também de grande
satisfação. A empresa possui engenheiros e técnicos altamente competentes e es-
pecializados na área, entretanto seus conhecimentos, muitas vezes, são focados na
prática – até por necessidade e hábito. A interação do aluno com sua equipe foi es-
pecialmente proveitosa, no sentido em que o aluno procurou, na medida do possível,
empregar técnicas e conhecimentos abordados no curso de ECAI, os quais agrega-
ram um embasamento teórico maior à atividade de engenharia, o que por sua vez foi
muito bem recebido e assimilado pela equipe. No fundo, o reconhecimento da equipe
de engenharia alemã perante a metodologia e abordagem do aluno ao problema de
controle e automação reflete o alto grau de excelência do curso de ECAI da UFSC:
ainda que existam deficiências isoladas e (sempre haverá) adaptações curriculares e
estruturais a serem feitas, a preparação acadêmica do curso é deveras de alta quali-
dade, o que pode ser comprovado como realidade pelas estatísticas de sucesso dos
alunos em seus PFCs, e posteriormente, na vida profissional.
É importante aqui exprimir um aspecto deste PFC que representou um apren-
dizado e experiência especial: a dificuldade em se obter especificações de projeto
para com as quais se trabalhar. Devido a isto, o andamento das atividades não foi exa-
tamente “linear” e “suave” conforme o organizado neste relatório e metodologicamente
correto; de maneira simplificada: levantamento de objetivos estratégicos → obtenção
de especificações de controle e automação → projeto → validação → implementação.
Basicamente, recebeu-se o seguinte objetivo estratégico:
“Realizar um projeto de retrofitting da ETA, utilizando recursos de controle
71
e automação para o melhoramento do processo de tratamento de água, au-
mentando sua eficiência, confiabilidade e facilidade de operação da planta.”
Tendo exprimido seu objetivo estratégico, o cliente passou a aguardar os re-
sultados do projeto, como é o que ocorre – naturalmente – na maioria das vezes.
Contudo, dentro da própria equipe de engenharia, as atividades de projeto eram, fre-
quentemente, repassadas ao aluno sem especificações técnicas suficientes, quando
dadas. Ou seja, não se tinha mais “somente” o problema de projeto, mas a etapa
anterior a ser resolvida – levantamento das especificações de projeto. A importância
desta etapa pôde ser verificada na prática pelo aluno, através da dificuldade em se
“extrair” informações corretas de engenharia do pessoal que trabalha com a própria
planta.
Outro aspecto interessante foi observado durante a fase de projeto: como de-
cidir por onde começar o projeto? Como escolher o melhor método para se abordar
um problema, por exemplo: controle discreto, Redes de Petri, controle clássico ou não-
linear? Estas dificuldades foram vivenciadas pelo aluno rotineiramente, caracterizando
uma experiência até então inédita no curso de ECAI, durante o qual os problemas são
abordados com métodos muitas vezes pré-definidos, sob a forma de ferramentas de
ensino. Não se está aqui criticando a metodologia de ensino, pelo contrário, a avalia-
ção é extremamente positiva; no entanto, o curso de engenharia é incapaz de prover
uma experiência como a vivenciada neste PFC, onde as tomadas de decisões, abor-
dagens e procedimentos ficam sob responsabilidade do aluno, como uma prévia do
que virá pela frente em sua carreira profissional.
Outra particularidade desta experiência de PFC foi a ampla gama de disciplinas
do curso de ECAI cujos conteúdos foram envolvidos na atividade de projeto. Pode-se
listar os mais relevantes:
• Fenômenos de Transporte: modelo de infiltração no subsolo; modelo de inte-
ração entre reservatórios subterrâneos;
• Modelagem de Sistemas Automatizados: autômatos de estados finitos para
formalização do comportamento livre de elementos de atuação das malhas de
controle; Grafcets (Redes de Petri) para representação de procedimentos se-
quenciais;
• Redes de Computadores para Automação Industrial: redes Fieldbus (Profi-
bus) e Ethernet; conceitos de comunicação entre dispositivos em rede;
72
• Informática Industrial II: sistemas de tempo real; tarefas periódicas; sistemas
operacionais; programação C;
• Sistemas Realimentados: malhas de controle; modelos de sistemas lineares;
controladores clássicos;
• Avaliação de Desempenho de Sistemas: modelo de simulação, indicadores de
desempenho, interpretação de resultados;
• Informática Industrial I: sistemas supervisórios (SCADA); níveis de integração
e automação fabril. Aqui menciona-se o principal equipamento utilizando no pro-
jeto: o CLP. É notável e impressionante a evolução de tal equipamento na tarefa
de automação de “chão-de-fábrica”, desde seus primórdios – final da década de
60 – até a atualidade; os CLPs com os quais o aluno trabalhou apresentam mui-
tas funcionalidades, assemelhando-se a PCs industriais, tal é a capacidade de
processamento, flexibilidade de programação e aplicações possíveis que apre-
senta, além da robustez e confiabilidade intrínsecas a este dispositivo. A refle-
xão aqui é que esta visão moderna não é vista, em geral, pelos alunos do curso
de ECAI. Creio que a disciplina de Informática Industrial I deveria concentrar-se
mais nas novas funcionalidades atribuídas a este dispositivo – tão importante na
tarefa de automação industrial cotidiana – através, por exemplo, de tarefas práti-
cas que envolvam controle contínuo de processos, entre tantos, fazendo uso de
programações mais completas e flexíveis como SCL e CFC, se disponíveis.
Por último, o PFC abriu portas para o início da carreira profissional do aluno: a
empresa alemã GreyLogix, aliando o interesse de investimento na área de automação
no Brasil com o sucesso da experiência de trabalho com o aluno, está em vias de
abrir uma empresa no ramo, com sede inicialmente em Florianópolis. Além disso, dois
colegas de ECAI encontram-se envolvidos nesta nova empreitada, assim como outros
dois colegas foram convidados a realizar seus PFCs na sede da empresa alemã, em
Flensburg.
A consideração final é de que as perspectivas são muito boas, e todo o trabalho
e empenho foi amplamente proveitoso, tanto no sentido acadêmico/profissional como
pessoal.
73
Bibliografia
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74
![Torre Caldeira Tratamento Agua Caldeira[1]](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5571fbab4979599169957fae/torre-caldeira-tratamento-agua-caldeira1.jpg)
