Baixe automaçao de uma unidade geradora e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! Ricardo Alves de Siqueira AUTOMAÇÃO DE UMA UNIDADE GERADORA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA Taubaté - SP 2004 2 Ricardo Alves de Siqueira AUTOMAÇÃO DE UMA UNIDADE GERADORA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA Dissertação apresentada para obtenção do Certificado de Título de Mestre em Engenharia Mecânica, pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté, Área de Concentração: Automação e Controle Industrial Orientador: Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis Co-Orientador: Prof. Dr. Germano Lambert Torres Taubaté - SP 2004 5 Agradecimentos Ao Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis, pela habilidade com que orientou nosso trabalho. À minha família, pelo apoio e incentivo. À Voith Siemens, pela experiência e oportunidade profissional. Ao Senhor, que permitiu que tudo isto acontecesse. 6 Resumo SIQUEIRA, Ricardo Alves de. Automação de uma Unidade Geradora de uma Usina Hidrelétrica. 2004. 83 f. Dissertação de Mestrado, Área de Concentração: Automação e Controle Industrial, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté, Taubaté - S.P. A proposta é apresentar a solução implantada na automação de uma das Unidades Geradoras de uma Usina Hidrelétrica, composta de uma turbina Kaplan de eixo vertical e gerador síncrono de potência próxima a 50 MVA, considerada uma Usina Hidrelétrica de médio porte. A ênfase deste trabalho tem foco na Automação, com a integração de seus sistemas auxiliares mecânicos e elétricos e descreve a filosofia de controle e operação, a configuração do Sistema Digital de Supervisão e Controle (SDSC), software e hardware, e, também, os principais ganhos esperados e obtidos, do ponto de vista da Operação e da Manutenção da Planta. Sob a óptica da teoria de Controle de Sistemas a Eventos Discretos (SED) este trabalho aborda desde a teoria de Sistemas e Controle a SED, o levantamento, a análise e a definição das necessidades da planta existente e projeto e desenvolvimento do Software de Controle e Supervisão, com ênfase na filosofia de controle adotada. O modelo de Sistema de Automação implantado trouxe principalmente os seguintes benefícios: . Controle Digital centralizado em dois pontos distintos e independentes, um na Sala de Controle e outro no Painel de Controle e Supervisão Convencional Local, permitindo a continuidade de operação segura da Unidade Geradora em qualquer um dos pontos. . Grande Flexibilidade operativa na partida e parada da Unidade, nos modos automático e passo-a-passo através do CLP Principal e somente passo- a-passo através do CLP Retaguarda, permitindo o acompanhamento, = da máquina em cada estado estável de operação. Partida automática da Unidade com um simples acionamento de mouse, através de uma das Estações de Operação na Sala de Controle, leva-se a Unidade da condição de Máquina Parada até Máquina Sincronizada no Sistema, com carga mínima, em um tempo médio de 3 minutos, com toda a supervisão detalhada das etapas e cumprimento das pré-condições estáticas e dinâmicas de partida. 7 Palavras-Chave: . SED - Sistemas a Eventos Discretos . SDSC - Sistema Digital de Supervisão e Controle . Filosofia de Automação e Controle . CLP – Controlador Lógico Programável . Sistema Supervisório. 10 Lista de Tabelas Tabela 01 – Condições estabelecidas pela GMC (USA), em 1968, para novos controladores...................................................................18 Tabela 02 – Visão dos níveis hierárquicos dos sistemas..............................21 Tabela 03 – Comparativo das duas classes de controle automático............25 Tabela 04 – Principais Dispositivos utilizados em controle de SED..............32 Tabela 05 – Sistemas da Usina.....................................................................64 LEGENDA CLP - Controlador Lógico Programável CPU - “Central Processing Unit” CSMA / CD - “Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection” DB - “Data Block” DP - “Decentralized Periphery” FB - “Function Block” FBD - “Function Block Diagram” FMS - “Field Messaging Specification” GMC - “General Motors Company” IEC - “Instituition of Electrical Execution” IHM - Interface Homem-Máquina IL - “Instruction List” ISO - “International Standartization Organization” LAN - “Local Área Network” LD - “Ladder Diagram” MMI - “Man Machine Interface” MPI - “Mult Point Interface” OB - “Organization Block” SED - Sistemas a Eventos Discretos SDSC - Sistema Digital de Supervisão e Controle SFC - “Sequential Flow Chart“ ST - “Structured Text” SVC - Sistemas a Variáveis Contínuas UG - Unidade Geradora 11 Lista de Figuras Figura 01 - Configuração de um controle de SED na década de 40...............17 Figura 02 - Configuração de um controle de SED na década de 50...............17 Figura 03 - Modelo geral para um sistema aberto...........................................22 Figura 04 - Diagrama conceitual básico de controle de SVC..........................26 Figura 05 - Diagrama de blocos do sistema de controle linear contínuo no tempo representado em espaço de estados................................27 Figura 06 - Diagrama conceitual básico de controle de SEDC........................30 Figura 07 - Estrutura das funções básicas de controle de SED......................31 Figura 08 - Modelo do objeto de controle no controle de SED........................33 Figura 09 - Exemplo de sistema distribuído e hierárquico...............................35 Figura 10 - Principais tipos de comandos binários..........................................37 Figura 11 - Modelo Funcional do CLP, de acordo com a IEC61131-3............38 Figura 12 - Diagrama funcional de Blocos simplificado do CLP.......................39 Figura 13 - CLP SIMATIC S7-400 da SIEMENS..............................................39 Figura 14 – Tipos de linguagem de programação de acordo com a IEC..........42 Figura 15 – Exemplo de programação em linguagem ST.................................42 Figura 16 – Exemplo de Programação em IL....................................................43 Figura 17 - Exemplo de Programação em FBD.................................................43 Figura 18 - Exemplo de Programação em LD...................................................44 Figura 19 - Exemplo de Programação em SFC.................................................44 Figura 20 – Ciclo de Execução do Programa na CPU do CLP..........................45 Figura 21 – Utilização de Interrupções na Execução de um Programa na CPU do CLP..........................................................................................45 12 Figura 22 - Faixas de Utilização dos Principais Tipos de Redes de Comunicação..................................................................................47 Figura 23 - Tipos de sinais representativos de grandezas físicas.....................50 Figura 24 - Hierarquia do Sistema Digital de Supervisão e Controle – SDSC..............................................................................................52 Figura 25 - IHM convencional: anunciadores de alarmes, botoeiras e chaves de comando e sinótico.........................................................................54 Figura 26 - IHM digital, modelo MP270 da SIEMENS.......................................55 Figura 27 – Unidade Geradora de eixo vertical UG-1.....................................59 Figura 28 – Planta Baixa da Casa de Força da Usina............ ..........................60 Figura 29 – Corte transversal da Casa de Força da Usina................................60 Figura 30 – Foto do Painel original de comando e controle da Unidade 1........61 Figura 31– Etapas de desenvolvimento do sistema de controle implantado.....63 Figura 32 – Filosofia do SDSC..........................................................................67 Figura 33 – Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Principal............68 Figura 34 – Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Retaguarda.......70 Figura 35 – Arquitetura de Rede do SDSC........................................................71 Figura 36 – Diagrama Elétrico de Interligação de Rede do SDSC....................72 Figura 37 – Vista frontal do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1- Projeto.............................................................................................77 Figura 38 – Foto do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1.................. 77 Figura 39 – Foto da Sala de Operação após a implantação da automação......78 15 Também, com base na Teoria Geral de Sistemas, descrita no item 2.2., adaptada para a situação e cultura local da Usina, faz-se uma divisão em sistemas, com o objetivo de melhor conhecer estes sistemas, suas inter- relações e seus vários equipamentos existentes e também tornar os trabalhos da Automação mais precisos. De acordo com a tabela 5 “Sistemas da Usina”, identificam-se 31 sistemas distintos, os quais integram-se ao SDSC, dentro da operação e supervisão da Usina. A partir desta compreensão mais detalhada dos sistemas envolvidos na produção de energia elétrica, foram desenvolvidos os trabalhos de implantação do sistema de controle proposto. Dá-se ênfase à “Planilha de Integração do SDSC”, que reuni em um único documento, para cada sistema envolvido, as seguintes informações, em relação a cada ponto de entrada e saída dos CLP´s Principal e Retaguarda: identificação, tipo e endereço de hardware; endereços de memória de eventos, endereços dos alarmes e endereços de dinamização de telas para o Sistema Supervisório; valor e correspondência lógica de cada variável de controle; descrição do elemento final de controle ou de aquisição de sinal, incluindo a atuação das proteções e alarmes da Unidade Geradora 1. No item “Configuração e Filosofia de Controle e Supervisão”, descreve-se a solução adotada e implantada, em termos de filosofia, para o SDSC – Sistema Digital de Supervisão e Controle. Com o objetivo de garantir a continuidade do processo, quanto à ação de controle, no caso de falha no CLP Principal, tem-se também o CLP Retaguarda, com transferência automática e manual. Quanto à operação e supervisão, tem-se a operação remota através das estações de operação na Sala de Controle e a operação local através da IHM e painel local QG1 na Casa de Força, para o caso de eventual perda ou falha nas duas Estações de Operação (MTA-1 e MTA-2) ou rede Ethernet Industrial. Neste painel local, QG1, foram agrupadas todas as interfaces de operação, supervisão e controle. Em síntese, têm-se dois pontos distintos e intercambiáveis de controle e dois pontos distintos e intercambiáveis de supervisão e operação. No item “Diagramas de Transição”, detalham-se as Máquinas de Estados quando a ação de controle é feita pelo CLP Principal, com operação e supervisão pelas estações na Sala de Controle e quando é feita pelo CLP Retaguarda, com operação e supervisão pela IHM e painel QG1 na Casa de Força; ilustram-se, descrevem-se os Diagramas de Transição de Estados e detalham-se as seqüências de partida e parada da Unidade Geradora 1, nos modos Automático e Passo-a-Passo. No item “Arquitetura de Rede do SDSC”, apresenta-se a configuração da comunicação em rede das Estações de Operação na Sala de Controle, entre os CLP´s Principal e Retaguarda, IHM Local, os Controladores-Indicadores 16 Digitais de Temperatura (TUG´s), o CLP do Sistema de Regulação de Velocidade Digital e os Indicadores Digitais de Variáveis Elétricas (SIMEAS-P), utilizando-se redes do tipo Ethernet Industrial em fibra óptica, MPI e Profibus- DP em par trançado elétrico. No item “Descrição de Hardware e Software”, descrevem-se o hardware e software utilizados para esta solução, com ilustrações do painel QG-1 e da Sala de Operação após a implantação do sistema, onde se observam claramente duas gerações de sistema de controle na mesma foto, conforme figura 46, onde se vê atrás das Estações de Operação e Supervisão da Unidade Geradora 1 os painéis antigos das outras duas Unidades Geradoras, que ainda não foram automatizadas. Após este item, apresenta-se a conclusão do sistema de controle implantado, onde se ressalta a redução significativa do tempo de partida automática da Unidade, isto é, com um simples acionar de mouse, através de uma das Estações de Operação na Sala de Controle, leva-se a Unidade da condição de Máquina Parada até Máquina Sincronizada no Sistema, com carga mínima, em um tempo médio de três minutos, com toda a supervisão detalhada das etapas e cumprimento das pré-condições estáticas e dinâmicas de partida. Apresenta-se ainda, a bibliografia consultada para a execução deste trabalho. No anexo 1, tem-se o Artigo “Modernização de uma Usina com Integração dos Sistemas Auxiliares”, trabalho que foi aprovado e apresentado no XVII SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 2003 - Grupo I Geração Hidráulica, em Uberlândia – MG, o qual é um breve resumo desta dissertação. 17 2. APRESENTAÇÃO DOS CONCEITOS BÁSICOS DE ENGENHARIA DE CONTROLE 2.1. Histórico De acordo com alguns pesquisadores, quando em 1804 foi inventada a Máquina de Tear com cartões perfurados por Jacquard, deu-se o início do controle de sistemas seqüenciais, os quais são uma divisão, um tipo de SED – Sistemas a Eventos Discretos. Anterior a isto, no século XVIII já existiam registros de uma máquina de tear automática com cartões perfurados (~1790 – 1801) e de uma moenda automática por esteiras (~ 1791). Sabe-se que o dispositivo de controle por realimentação, o Regulador de Watt, o qual marca o início do controle de SVC – Sistemas de Variáveis Contínuas, foi desenvolvido em ~1784. Pode-se afirmar que o controle de SED possui uma história tão antiga quanto o controle de SVC. Em ~1824, Sturgeon desenvolveu o eletro-imã, que permitiu a Henry construir o relé eletro-magnético em ~1836. A Álgebra de Boole, que é uma das bases matemáticas do controle de SED, foi proposta por Boole em 1854 e em 1936 foi Stiblitz quem desenvolveu a primeira calculadora eletrônica a base de relés. Sobre estas teorias e tecnologias descritas, o Controle de SED é estruturado. Na década de 40, o controle de SED possuía a configuração ilustrada na figura 1, a seguir. Fig. 01 – Configuração de um controle de SED, na década de 40 A partir da década de 50, com a introdução do conceito de monitoração e controle remoto, o controle de SED, foi modificado para a seguinte configuração ilustrada na figura 2. Fig. 02 – Configuração de um controle de SED, na década de 50 OPERADOR DISPOSITIVO DE CONTROLE OBJETO DE CONTROLE OPERADOR OBJETO DE CONTROLE DISPOSITIVO DE MONITORAÇÃO DISPOSITIVO DE CONTROLE DISPOSITIVO DE ATUAÇÃO 20 2.2. Sistemas – Uma Apresentação da Teoria Geral Pode-se afirmar que o maior patrimônio da humanidade é o conhecimento e que um dos propósitos da “creação” do homem por Deus é sua evolução, crescimento e aperfeiçoamento. Este, em busca por compreender e explicar os princípios que regem o universo e sua própria natureza, acumulou ao longo de sua existência uma grande quantidade de conhecimento técnico, científico e cultural. Com a expansão da atividade industrial iniciada nos últimos séculos, suportada principalmente por informações tecnológicas, o homem necessitou criar metodologias adequadas a administração de tais conhecimentos. Tal comportamento deu condições à humanidade de aprofundar-se em diversas áreas científico-tecnológicas. Esta realidade pode ser comprovada pelo elevado grau de especialização alcançado pelos cientistas e equipes de desenvolvimento tecnológicos do século XX, e que se reflete diretamente em termos industriais, nas técnicas e modelos de linhas de produção em série, na maioria das vezes complexas e cada vez mais controladas. Este aprofundamento, nas mais variadas áreas da ciência e tecnologia, levou os cientistas e pesquisadores a confrontarem-se com problemas de natureza comum a todos. Em todas estas áreas, sentiu-se a necessidade de postular leis de caráter mais abrangente, que permitissem convergir as conclusões de um determinado estudo para outra área de conhecimento, a princípio desconexa, sem inter- relações. Esta convergência na busca pelo desenvolvimento de tal conhecimento, é muito bem apresentada na obra “General System Theory”, de Bertalanfly, 1968; o qual é um expoente histórico e referência introdutória àqueles que buscam compreender esta nova Ciência. A busca do entendimento fiel dos fenômenos como um inter-relacionamento das partes do todo, é sua essência, de acordo com a citação de Bertalanfly, a qual transcreve-se a seguir: “São complexas as raízes desta evolução. Um de seus aspectos é a passagem da engenharia de produção de energia – isto é, libertação de grandes quantidades de energia, tal como acontece nas máquinas a vapor ou elétricas – para a engenharia de controle, que dirige processos empregando dispositivos de baixa potência e conduziu aos computadores e a Automação.” Ainda segundo esta teoria, os sistemas são agrupados em níveis hierárquicos de acordo com o modelo utilizado para sua representação. A tabela 2, a seguir, ilustra uma representação destes níveis hierárquicos. 21 Tabela 2 – Visão dos níveis hierárquicos dos Sistemas Existe um grande interesse direcionado ao estudo dos sistemas abertos, visto que eles representam um elo importante de ligação entre sistemas descritos por teorias e modelos matematicamente comprovados com sistemas de níveis superiores, como por exemplo, no estudo recente em Sistemas Autônomos 22 Descentralizados (ADS) para automação industrial baseado em analogias entre engenharia e os seres vivos. Em relação a teoria geral de sistemas, um de seus objetivos é a melhor compreensão dos problemas de relações, de estrutura e de interdependência das partes de um todo. A descrição do que é essencial em suas formas, aspectos e funções permite explicar seus efeitos e eficácia, além de dar subsídios para aplicar tal conhecimento introduzindo modificações significativas, tornando-as mais propícias e receptivas às necessidades humanas. E é neste sentido que o conhecimento de características dos sistemas abertos propicia ao projetista tecnológico uma visão mais abrangente da situação à vista dos problemas que surgirem. Fig. 03 – Modelo geral para um sistema aberto O estudo matemático de sistemas fechados é comum nos diversos ramos da engenharia. Os modelos utilizados para sua representação são, de certa maneira, bastante similares àquele utilizado na representação de um sistema aberto. Algumas características específicas definem todos os sistemas abertos, as quais descrevemos em seguida: a) Importação de Energia: os sistemas abertos importam alguma forma de energia do ambiente externo. Ao contrário dos sistemas fechados que tendem a atingir uma situação de equilíbrio após exaurirem suas fontes de energia, nos sistemas abertos há o estabelecimento de um equilíbrio de natureza dinâmica com relação ao nível de energia. Em um sistema de produção industrial, por exemplo, são insumos, além da energia térmica ou elétrica, a força de trabalho humano dos operários, a matéria prima a ser processada, a engenharia, o capital dos investidores, etc. Cabe ao projetista de sistemas identificar claramente quais e quantas são as formas de energia utilizadas pelo sistema estudado. É uma das metas deste projetista, racionalizar o uso destas formas de energia utilizadas, buscar e descobrir fontes alternativas constantemente. b) Transformação: Normalmente, a energia disponível em um sistema aberto é transformada. A programação de produção em uma fábrica, por exemplo, vai gerar instruções de alteração na matéria prima de entrada. Essas atividades acarretam alguma reorganização dos insumos, então um trabalho no sistema é executado. Estes processos de transformação INSUMOS PROCESSOS PRODUTOS REALIMENTAÇÃO 25 automatização eleve seu nível hierárquico, à luz da Teoria Geral de Sistemas. (SILVEIRA, P.R.,SANTOS W. E, 2002.) 2.3. SED - Sistemas a Eventos Discretos – Conceitos Fundamentais Inicialmente, deve-se esclarecer as principais diferenças entre os conceitos de controle de SED – Sistemas a Eventos Discretos (foco deste trabalho) e controle de SVC – Sistemas de Varáveis Contínuas. Para apresentar a teoria de SED – Sistemas a Eventos Discretos, tem-se como referência Myagi, P.E., 1997. Para apresentar parte da teoria introdutória de de SVC – Sistemas de Varáveis Contínuas, tem-se como referência Ogata K. 1993. Para atender as inúmeras exigências e evolução tecnológica em relação ao produto, às instalações produtivas, à operação, enfim às necessidades da sociedade, foi desenvolvida a automação. A base científica e tecnológica para a realização da automação é o Controle Automático. O Controle Automático, pode ser dividido em duas classes principais: . Controle Quantitativo técnica para implementação do controle de SVC . Controle Qualitativo técnica para implementação do controle de SED Apresenta-se a seguir, a Tabela 03 a qual resume as características das duas classes principais de Controle Automático: Tabela 03 – Comparativo das duas classes de controle automático 26 Entende-se atualmente que no controle de SVC - Sistemas de Varáveis Contínuas, as teorias de Controle Robusto e Controle Moderno estão bastante desenvolvidas e aplicadas, principalmente nas áreas de Controle Ótimo, análise e estrutura de sistemas de controle e análise do comportamento dinâmico, além das técnicas de Controle Tradicional. Pode-se resumidamente afirmar que o principal objetivo no controle de SVC, consiste em igualar o valor de uma certa variável física (variável de controle) a um valor de referência. A seguir, apresentamos o seu diagrama conceitual, conforme figura 04. Figura 04 – Diagrama conceitual básico de controle de SVC Esta técnica de Controle Quantitativo, na qual é usado o controle de SVC para sua implementação, é utilizada para controlar sistemas que possam ser governados através de valores mensuráveis, variáveis analógicas, como a velocidade de rotação de um servomecanismo, a vazão ou a temperatura de um processo químico, a pressão ou o nível de um líquido em um tanque, etc. Neste tipo de controle o valor real (atual) da variável é constantemente comparada ao valor de referência para que a variável física analógica (pressão, velocidade, vazão, temperatura, pressão diferencial, posição, torque, nível, força, etc) atinja e mantenha um valor pré-ajustado. A teoria de controle de SVC é largamente aplicada, pois muitos objetos de controle podem ser considerados de natureza contínua e linear ou linearizados dentro de uma faixa aceitável de trabalho. No controle de SVC a maioria dos vários conceitos e teorias já foram desenvolvidas e validadas, como por exemplo o modelamento matemático de sistemas dinâmicos, as ações de controle básicas para controladores automáticos industriais (PID), análise de resposta transitória e análise de erros em regime estacionário, análise no lugar das raízes, análise de resposta em freqüência, técnicas de projeto e compensação, análise de sistemas de controle não-lineares por função descritiva, análise de sistemas de controle por espaços de estados, etc. 27 Para representar o modelo do objeto de controle no controle de SVC, a luz da Teoria de Controle Moderno (a qual é aplicável a sistemas de entradas múltiplas e saídas múltiplas, que podem ser lineares ou não-lineares, invariantes ou variantes no tempo, baseada no conceito de estado) ilustra-se, a seguir, o Diagrama de Blocos do Sistema de Controle Linear Contínuo no Tempo representado em Espaço de Estados: Figura 05 – Diagrama de blocos do sistema de controle linear contínuo no tempo representado em espaço de estados Neste sistema a saída y(t) para t > t1 depende do valor de y(t1) e da entrada u(t) para t > t1 . O sistema dinâmico envolve elementos que memorizam os valores da entrada para t > t1 . Os integradores em um sistema de controle contínuo no tempo servem como dispositivos de memória, as saídas de tais integradores podem ser consideradas como variáveis que definem o estado interno do sistema dinâmico. Assim as saídas dos Integradores servem como variáveis de estado. O número de variáveis de estado para definir completamente a dinâmica do sistema é igual ao número de integradores envolvidos no sistema. Pode-se admitir que um sistema de entradas múltiplas e saídas múltiplas envolve n integradores. Admitir também que há r entradas u1(t), u2(t), ... , ur(t) e m saídas y1(t), y2(t), ... , ym(t). Definir n saídas dos integradores como variáveis de estado: x1(t), x2(t), ... , xn(t) Então o sistema pode ser descrito por: x‘1(t) = f1 (x1, x2, . . . , xn ; u1, u2, . . . , ur ; t) x‘2(t) = f2 (x1, x2, . . . , xn ; u1, u2, . . . , ur ; t) . . (1.1) . x‘n(t) = fn (x1, x2, . . . , xn ; u1, u2, . . . , ur ; t) 30 Também as equações (1.10) e (1.11) podem ser linearizadas em torno do estado de operação, ficando: x‘ (t) = A x(t) + B u(t) (1.14) y(t) = C x(t) + D u(t) (1.15) As equações acima, (1.14) e (1.15), são as equação de estado e equação de saída de um Sistema Linear Invariante no Tempo (SLIT). No caso de controle de SED – Sistemas a Eventos Discretos, seu objetivo principal corresponde a execução de operações conforme um procedimento pré-estabelecido, programado ou baseado em uma lógica fixa a qual estabelecida em um procedimento, deve executar ordenadamente cada etapa do controle. A seguir, apresentamos o seu diagrama conceitual, conforme figura 06. Figura 06 – Diagrama conceitual básico de controle de SED Neste sistema, não há o conceito de valor de referência, o qual é substituído pelo comando da tarefa, sendo este um valor discreto (qualitativo), assim como o estado identificado e a saída do processador. As funções do controle de SED, são então estruturadas conforme a figura 07, a seguir. 31 Figura 07 – Estrutura das funções básicas de controle de SED Normalmente, o objeto de controle é composto de vários elementos e seus estados. Estes estados podem ser representados por valores finitos dentro de um conjunto de “estado de variáveis”. O objeto de controle é formado por m elementos, sendo que estes elementos possuem N1, ... , Nm estados respectivamente. A combinação Nt destas variáveis de estado do objeto de controle, teoricamente é representada pela fórmula a seguir: Em geral o valor Ni não é muito grande, porém o valor de m (quantidade de objetos de controle) é alto. Todavia, o valor Nr (combinações que as variáveis de estado de um objeto de controle pode assumir durante sua operação normal) é muito menor que Nt . Cada uma destas combinações das variáveis de estado Nr representam uma etapa do processo do controle de SED. De acordo com a definição de controle de SED, tem-se que cada passo do processo ocorre conforme regras pré- estabelecidas. A evolução dos passos do processo é resultante do atendimento de todas as condições destas regras. As condições que regulam esta evolução definem dois tipos básicos de controle de SED: . “time driven” - dependente do tempo onde as condições para a evolução podem ser totalmente representadas através de uma função no tempo. . “external event driven” - dependente de eventos externos onde as condições para evolução podem ser representadas através de sinais de entrada externos. (1.16) 32 Pode-se considerar que a evolução dos passos de um processo ocorre de forma instantânea (a constante de tempo do sistema de controle deve ser muito menor que as constantes de tempo envolvidas no processo a ser controlado). E, como o número de estados de um objeto de controle pode ser representado por um valor finito, pode-se utilizar uma representação por valores discretos. A dinâmica dos passos de um processo tem natureza assíncrona, pois depende exclusivamente da satisfação das condições da evolução. Também, normalmente o sistema de controle de SED é formado por vários sub-sistemas, sendo que cada um destes é um SED, e a evolução dos passos em cada um ocorre de forma paralela e independente. Então, o sistema de controle de SED pode ser estudado como um sistema caracterizado pelo assincronismo e paralelismo. A tabela 04, a seguir, apresenta um exemplo dos principais dispositivos utilizados no controle de SED. Tabela 04 – Principais dispositivos utilizados em controle de SED Então a técnica mais representativa para implementação do controle qualitativo é o controle de SED. Nesta técnica, considera-se que os vários elementos (estruturais) que compõem o objeto de controle possuem um número finito de estados que podem assumir, como por exemplo: ligar/desligar um dispositivo, abrir/fechar uma válvula, energizar/desenergizar um relé, etc., isto é, normalmente todas as variáveis são descontínuas no tempo e no espaço e assumem apenas valores discretos. 35 Na prática estão cada vez ficando mais freqüentes os sistema de controle que tratam em conjunto estas duas classes de controle, de SVC e de SED. Além disso, graças ao decréscimo do custo do CP (Controlador Programável) e a evolução das técnicas de transmissões de dados, estão sendo concebidos sistemas de grande porte com funções distribuídas em níveis de planejamento (gerenciamento) e níveis de operação (automática/manual). Nestes sistemas distribuídos, as funções são hierarquizadas para assegurar a segurança e a manutenção, como por exemplo, na automação de uma Usina Hidrelétrica. Os dispositivos que controlam as instalações e as máquinas diretamente são chamados de dispositivos de controle distribuído e estes são interligados em rede através de sistemas de comunicação de alta velocidade onde também está instalado o controlador de nível superior. Podemos associar aos dispositivos de controle distribuído os operadores locais e ao controlador superior os serviços de gerenciamento. Neste tipo de sistema de controle distribuído de funções hierarquizadas, as ordens de produção, montagem, etc. são enviadas dos níveis superiores aos inferiores e as respostas (relatórios, avisos, etc.) percorrem o caminho inverso. No nível inferior, ou seja, entre os dispositivos de controle distribuído existem trocas de informações de estado, intertravamentos, etc. Assim, assegura-se a efetiva supervisão geral do sistema durante seu funcionamento (garantia de qualidade), ao mesmo tempo em que podem ser executados estudos para melhorar (otimizar) a produção (alta produtividade). A seguir, a figura 09 apresenta uma ilustração de sistema distribuído e hierárquico. Figura 09 - Exemplo de sistema distribuído e hierárquico 36 2.4. Principais Termos Utilizados em Controle Com o objetivo de nivelar as informações, a seguir descrevem-se os principais conceitos e definições técnicas utilizados na área de Automação. Em alguns termos de maior interesse e aplicação a este trabalho, a descrição tende a ser um pouco mais completa, como por exemplo: CLP´s, Linguagens de Programação, e outros. . Automação A palavra “Automation” foi inventada pelo marketing da indústria de equipamentos na década de 60. O neologismo, sem dúvida sonoro, buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial. Hoje se entende por Automação, qualquer sistema apoiado em computadores, que substitua o trabalho humano e que vise a soluções rápidas e econômicas para atingir os complexos objetivos das indústrias e dos serviços. Os pequenos computadores especializados e dedicados, os CLPs – Controladores Lógicos Programáveis, permitem tanto o controle lógico quanto o controle dinâmico, com a vantagem de permitir ajustes mediante simples reprogramações, na própria instalação. No contexto econômico industrial, a Automação implica a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os operadores na operação e manutenção do processo. . Comandos Binários Comandos binários são os sistemas de comando que funcionam predominantemente com sinais binários. Os comandos binários são compostos por funções lógicas, tais como SIM, NÃO, E, OU, NÃO E, NÃO OU, OU EXCLUSIVO, E EXCLUSIVO e MEMÓRIAS, bem como também de componentes eletrônicos com saídas binárias tais como os temporizadores e os contatores. Os comandos binários podem ser síncronos ou assíncronos. A diferença entre eles é que no caso do comando assíncrono este não é ativado por um sinal cíclico de um “clock” interno, mas sim, apenas por sinais de entrada. Os comandos binários se dividem basicamente em Combinatórios e Seqüenciais, conforme mostra a figura 10, a seguir: 37 Figura 10 – Principais tipos de comandos binários Comandos Combinatórios: ou combinacionais, os sinais de saída S ocorrem unicamente em função de uma determinada combinação lógica de sinais de entrada: S = f (E) (1.18) Estas combinações lógicas podem ser definidas pelas funções booleanas. Comandos Seqüenciais: são comandos que produzem uma seqüência pré- determinada de ações, em que a passagem de uma para a outra se dá em função do cumprimento de condições de prosseguimento, de acordo com a programação estabelecida. Estas condições de prosseguimento são sinais de entrada E externos, como também grandezas internas I do próprio sistema. Assim, para cada ação de seqüência, a saída S será dada por: S = f (E, I) (1.19) . Controle Lógico É um outro importante meio de automatização. Surgiu como necessidade prática, quando contatores, disjuntores, relés de proteção, chaves manuais, etc., tinham de ser interligados de maneira a dar partida, proteger componentes e vigiar dia e noite as condições de segurança da planta ou do processo. O controle lógico realiza-se por meio de circuitos (elétricos, eletrônicos, hidráulicos, pneumáticos, etc) em que as variáveis são binárias (valor 0 ou 1); esses circuitos podem ser chamados genericamente de redes lógicas. COMANDOS BINÁRIOS COMBINATÓRIOS SEQÜENCIAIS DE TRAJETÓRIA PROGRAMADA DE TEMPO PROGRAMADO 40 . Fontes de Alimentação: A fonte de alimentação é utilizada para converter a tensão disponível no painel de controle em níveis de tensão compatíveis com a eletrônica. A fonte conta usualmente com baterias para manutenção da alimentação do CLP e preservação do conteúdo de memórias durante falhas na tensão de alimentação externa. Em função da disponibilidade desejada, as fontes de alimentação do CLP podem ser redundantes. . CPU ou Unidade de Processamento Central: A CPU é o principal módulo do CLP. É nela que está armazenado, normalmente em memórias tipo EEPROM ou FEPROM, o programa aplicativo, executado tipicamente de maneira cíclica. As CPUs desempenham as seguintes funções principais: − atualização das imagens das entradas e saídas, permitindo que os valores das entradas digitais e analógicas sejam lidos no início de cada ciclo do programa e que os resultados sejam transferidos ao processo através da atuação das saídas digitais (comandos) e saídas analógicas (set-points); − execução de operações lógicas e aritméticas; − comunicação e atualização do conteúdo das memórias RAM e ROM; − comunicação com aparelhos de programação para carregamento e alterações do software aplicativo. . Módulos de Periferia / Cartões de E/S: Os cartões de entradas e saídas digitais e analógicas são a interface entre o CLP e o processo. Os níveis de tensão típicos para entradas digitais são: 24VCC, 125VCC e 120VCA. Por não possuir grande rigidez dielétrica e capacidade de condução de corrente / interrupção de cargas indutivas, as entradas e saídas digitais são conectadas ao processo através de relés de interposição. Existem módulos especiais capazes de suportar níveis mais elevados de tensão aplicada (p.e. 2,5 kVcc) , porém estes não são usualmente encontrados em aplicações industriais. Os cartões de entradas e saídas analógicas normalmente podem ser configurados para leitura de sinais em 0(4)-20mA, +10 a -10V ou sinais de resistência (termopares), entre outros. 41 . Módulos de Comunicação: Os módulos de comunicação são responsáveis pela troca de dados entre o CLP e os demais níveis hierárquicos do SDSC (Sistema Digital de Supervisão e Controle), organizando os dados nos telegramas característicos de cada protocolo de comunicação. São módulos sofisticados, freqüentemente com processador próprio, independente da CPU. Dentre os módulos de comunicação destacam-se: − módulos de comunicação para rede LAN – Ethernet ou TCP/IP; − módulos de comunicação para redes de campo – Profibus-DP ou MODBUS; − módulos de comunicação para redes de processo – Profibus-PA, Fieldbus Foundation, CanBus, etc. . Linguagens de Programação para CLP´s O software aplicativo, o qual é instalado na CPU de cada CLP, pode ser desenvolvido utilizando-se diferentes linguagens de programação. No passado, o software era escrito apenas na linguagem ladder ou lista de instruções, sendo que cada fabricante possuia uma linguagem de programação proprietária, gerando grandes dificuldades para as equipes de desenvolvimento e manutenção. A norma IEC61131-3 – “Programmable Languages, PLC Software Structure, Languages and Programm Execution”, (LEWIS R. W.; Programming Industrial Control Systems using IEC 1131-3, Revised Edition. United Kingdon, London: The Instituition of Electrical Engineers, 1998.) especifica diversos critérios para o software dos PLCs, dentre os quais algumas linguagens de programação, conforme descrito na figura 14. Nesta norma os padrões são definidos, porém dá uma certa abertura para estabelecer as especificações mínimas para serem respeitadas e as regras para futuras expansões. As especificações das linguagens são baseadas na estrutura de linguagens usualmente utilizadas e conhecidas como o Pascal, de modo a preservar sua portabilidade para equipamentos de diferentes fabricantes e/ou fornecedores. 42 Figura 14 – Tipos de linguagem de programação de acordo com a IEC Assim, as linguagens de programação, de acordo com o tipo, são divididas em Linguagem Gráfica e Linguagem de Textos. . Linguagem de Textos: − texto estruturado (ST – structured text), uma linguagem de alto nível com sintaxe similar ao PASCAL, que suporta uma ampla variedade de operandos e funções padronizadas; Figura 15 – Exemplo de programação em linguagem ST O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5) O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5) O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5) O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) & I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5) 45 O programa do CLP é normalmente executado de maneira cíclica, ou seja, as variáveis são lidas, as instruções são processadas e os resultados são transferidos ao processo em intervalos fixos e dependentes do tamanho do programa e da performance da CPU. Figura 20 – Ciclo de Execução do Programa na CPU do CLP Em alguns casos surge a necessidade de se atuar no processo antes do término do ciclo do programa. Nesses casos, pode-se utilizar do artifício da interrupção, ou seja, partes do programa podem ser acionadas somente no caso de um evento importante e não freqüente do processo, que demande ação imediata. Figura 21 – Utilização de Interrupções na Execução de um Programa na CPU do CLP 46 O software dos CLPs geralmente é desenvolvido com base em funções padronizadas, dentre as quais destacam-se: Blocos organizacionais (OB): são a interface do programa aplicativo com o sistema operacional. São acessados pelo sistema operacional para gerenciar tarefas cíclicas e interrupções, bem como a inicialização do sistema e o tratamento de erros. Resumindo, pode se dizer que a utilização dos OBs define a reação da CPU. Funções específicas do programa: são desenvolvidas para cada aplicação, podem ser programadas em FBs e FCs. As FCs não possuem memória, ou seja, cada vez que é utilizada é necessário indicar os parâmetros que serão utilizados. As FBs são funções com memórias, ou seja, possuem um bloco de dados (DB) associado, onde seus parâmetros são lidos e os resultados armazenados. Algumas funções são partes integrantes do sistema operacional (funções de sistema), podendo ser acessadas pelo programa aplicativo ao longo de seu ciclo de execução. Estas funções geralmente são utilizadas para acessar os módulos de hardware, tratar erros, gerenciar a comunicação, verificar o funcionamento de hardware e software, etc. Blocos de Dados (DBs): são partes do programa sem instruções lógicas, ou seja, apenas armazenam parâmetros e variáveis, podendo ser associados a uma instância (instance data blocks) ou seja a uma ou mais função (one instance, multiple instance). . Processos O Merriam-Webster Dictionary define um “processo” como sendo uma operação ou desenvolvimento natural, que evolui progressivamente, caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem, uma em relação às outras, de um modo relativamente fixo e conduzindo a um resultado ou uma finalidade particular; ou uma operação artificial ou voluntária, que evolui progressivamente e que consiste em uma série de ações controladas ou movimentos sistematicamente dirigidos objetivando um resultado ou finalidade particular. Neste trabalho designaremos qualquer ação a ser controlada como processo. . Redes de Comunicação Industriais As redes de comunicação são utilizadas para interligar os diferentes níveis hierárquicos do sistema de supervisão e controle. Suas características principais são: topologia, meio físico, modo de acesso, velocidade e protocolo, entre outras. A comunicação entre dois equipamentos em rede deve obedecer uma série de quesitos, tais como um protocolo e um modo de acesso à rede idênticos. Para organizar e estabelecer critérios para a comunicação em rede, a ISO – Internation Standartization Organization – estabeleceu um modelo composto 47 por 7 camadas. Cada camada diz respeito a um quesito da comunicação de dados, desde a definição do meio físico, modo de acesso à rede, verificação de erros, etc.. A topologia de uma rede pode ser em barramento, estrela, anel ou árvore, redundante ou não. O meio físico pode ser cabo metálico (coaxial, par trançado) ou óptico (fibra de vidro ou plástico). A velocidade da rede depende do meio físico e do modo de acesso, podendo variar de alguns kBps (comunicação serial) até 1000MBps (giga-ethernet). Os principais componentes utilizados para comunicação em rede e entre redes são: repetidores, bridges (pontes), roteadores e gateways. Freqüentemente encontram-se redes de área local (LAN) nos padrões ETHERNET (inclusive TCP-IP) para comunicação entre os níveis de controle local e centralizado e redes de processo / campo nos padrões PROFIBUS-DP, MODBUS, INTERBUS ou similares na comunicação entre os níveis de controle local e individual. . Rede Ethernet Industrial As redes Ethernet são normalizadas pela IEEE 802.3 e foram desenvolvidas inicialmente pela Xerox em 1972. Caracterizam-se pelo protocolo CSMA / CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – ou seja, as estações da rede que desejam enviar um telegrama aguardam uma brecha para enviar seus dados (carrier sensing), porém, como existem mais de uma estação na rede, pode ocorrer de mais de uma estação enviar seus dados simultaneamente (multiple access), causando uma colisão. Neste caso, a colisão é detectada pelas estações que passam a contar um tempo aleatório para retransmitir seus dados (collision detection). Figura 22 - Faixas de Utilização dos Principais Tipos de Redes de Comunicação 50 com transdutores de pressão ou manômetros, a tensão elétrica, a corrente elétrica, etc. O Sinal Digital é discreto quando o mesmo só pode assumir um número discreto de valores, variando aos saltos, como ocorre em contadores ou mostradores numéricos de instrumentos de medição. Os Sinais Binários são sinais digitais que podem assumir dois valores, ou dois estados, como por exemplo: Ligado – desligado 24 V – 0 V acionado – não acionado 1 – 0 Figura 23 – Tipos de sinais representativos de grandezas físicas (BOLLMANN A, 1997.) . Sistemas Pode-se definir um sistema, como sendo simplesmente uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Um sistema não está limitado a algo físico. O conceito de sistema pode ser aplicado a fenômenos abstratos, dinâmicos, tais como os encontrados na economia, na biologia, na química, etc, conforme descrito no item 2.2. Especificamente na abordagem deste trabalho, para a usina hidrelétrica em questão, entende-se um Sistema como: um circuito onde circula um determinado fluído, sendo composto de, além das linhas de transporte, os equipamentos, os instrumentos de medição, de aquisição da variável controlada, transdutores e controladores, com um determinado objetivo comum; também um serviço de fornecimento em uma determinada tensão ou um grupo de equipamentos e/ou instrumentos interligados em uma malha de controle, com um objetivo específico do ponto 51 de vista de operação, automação e no processo de produção de energia elétrica, no contexto da Usina Hidrlétrica. . Sistema de Controle de Processos Um sistema regulador automático no qual a saída é uma variável analógica, tal como temperatura, pressão, fluxo, nível de líquido ou pH, é denominado um sistema de controle de processo. . Sistema de Controle em Malha Aberta São aqueles sistemas em que a saída não tem nenhum efeito sobre a ação de controle. Em sistema deste tipo, a saída não é medida nem realimentada para comparação com a entrada. Em qualquer sistema de controle de malha aberta a saída não é comparada com a entrada de referência, assim, a cada entrada de referência corresponde uma operação de condição fixa; em conseqüência a precisão do sistema depende de uma calibração. Na presença de perturbações, um sistema deste tipo não desempenhará a tarefa desejada. Notar que qualquer sistema de controle que opere em uma base de tempo é de malha aberta. . Sistema de Controle em Malha Fechada Os sistemas de controle realimentados são as vezes chamados de sistemas de controle em malha fechada. Na prática, os termos controle realimentado e controle em malha fechada são utilizados intercambiavelmente. Em um sistema de controle em malha fechada o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal realimentado (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e suas derivadas), é induzido no controlador de modo a reduzir o erro e trazer a saída do sistema a um valor desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso da ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema. . Sistema Digital de Supervisão e Controle – SDSC O sistema digital de supervisão e controle (SDSC) pode ser considerado como o maestro da usina. É ele que concentra as interfaces dos diversos sistemas que compõem a automação da instalação, processando as informações e distribuindo os comandos. Os sistemas de supervisão e controle são tipicamente organizados hierarquicamente como ilustrado na figura abaixo: 52 Figura 24 – Hierarquia do Sistema Digital de Supervisão e Controle - SDSC No primeiro nível da hierarquia encontra-se o controle individual, composto pelos equipamentos do processo e seus recursos de supervisão (instrumentos) e controle (atuadores). Em alguns casos, como veremos mais adiante, pode-se distribuir alguns recursos do nível imediatamente superior nos quadros de controle localíssimos dos equipamentos, permitindo comando e supervisão local e distribuída de sistemas vitais para o funcionamento da instalação. No nível imediatamente superior encontra-se o controle local, dividido por áreas funcionais da instalação. Este nível é caracterizado pelos quadros de controle com os controladores lógicos programáveis (CLPs) e seus acessórios. Em um projeto tradicional, é neste nível que se processam os automatismos, intertravamentos, controle de seqüências e proteções mecânicas dos equipamentos. O terceiro nível da hierarquia é a sala de controle com os equipamentos necessários ao controle centralizado da instalação. É aqui que são encontradas as estações de operação e engenharia, os servidores, os computadores para arquivo histórico (base de dados), processadores de comunicação (gateways) com outros sistemas. A interface com o operador (IHM) é desenvolvida com ferramentas apropriadas, normalmente encontradas em aplicativos de mercado (software supervisório). Nos casos onde exista a necessidade de se operar à distância uma instalação ou conjunto delas, pode-se encontrar um quarto nível hierárquico – o controle remoto. Os diferentes níveis hierárquicos são interligados através de redes de diferentes padrões, segundo diferentes normas, as quais serão analisadas posteriormente, permitindo a troca de informações com a qualidade e confiabilidade adequadas e nos tempos necessários à operação segura da 55 − comandar ajustes de valores de referência dos reguladores de tensão e velocidade; − sincronizar a unidade geradora. Com o avanço tecnológico, passou-se a utilizar IHMs digitais, baseadas em painéis de operação ou PCs industriais. As IHMs digitais possuem os mesmos recursos de uma IHM convencional, com maior flexibilidade em sua configuração. Além disso, torna-se possível disponibilizar localmente alguns dos recursos do nível hierárquico superior (relatórios, listas de alarmes e eventos, visualização de curvas, controle de seqüências, etc.). As IHMs digitais podem comunicar-se com o CLP local através de rede de processo ou conexão ponto-a-ponto ou, através da rede LAN, com os servidores da sala de controle. Figura 26 - IHM digital, modelo MP270 da SIEMENS . Transdutor Um transdutor se caracteriza por um dispositivo capaz de responder a um fenômeno físico, ou estímulo de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional a amplitude deste estímulo. Os transdutores também são conhecidos como Conversores de Sinais. . Variável Controlada, Variável Manipulada e Controle Variável Controlada é a grandeza física ou condição que é medida e controlada. Variável Manipulada é a grandeza física ou condição que é variada pelo controlador de modo a afetar o valor da variável controlada. Normalmente a variável controlada é a saída do controlador. 56 Controle significa a medição do valor da variável controlada do sistema e aplicação da variável manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do valor medido de um valor desejado. 57 3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA 3.1. Apresentação da Usina e da Unidade Geradora em Questão Esta Usina Hidrelétrica está localizada no rio Tietê, distando aproximadamente 350 km de São Paulo (SP). O início de sua construção ocorreu em 1960 e a sua inauguração ocorreu no ano de 1965. Em termos de construção civil, pode-se dizer que esta Usina é composta, principalmente, das seguintes partes: . Vertedouros . Casa de Força . Subestação É composta de 03 unidades Geradoras, com turbinas do tipo Kaplan e geradores do tipo síncrono em 13,8 kV, de pólos salientes, com eixo motriz na posição vertical. Considerada uma Usina de médio porte, seu Gerador Auxiliar é hidraulicamente acoplado ao eixo do Gerador Principal. Tem também uma Subestação Elevadora 13,8 / 138 kV, localizada a jusante, na margem esquerda, abrangendo uma área de 160 x 45 m. Possui transformadores elevadores (TR´s 1,2 e 3) respectivos das UG´s 1, 2 e 3, possui também um transformador abaixador de tensão (TR-4) para os serviços auxiliares da usina, e seis linhas de transmissão interligadas ao Sistema Elétrico da região. A seguir, descrevem-se as características técnicas principais do “bay” da UG- 1, Unidade Geradora 1, o qual é o foco deste trabalho. . Turbina Fabricante CKD Tipo Kaplan de eixo vertical Potência 82 MW (61.200 CV) Vazão 240 m3/s Rotação 112,5 rpm . Gerador principal Fabricante: GE Potência nominal contínua: 46 MVA Tensão nominal: 13,8 kV Fator de potência nominal: 0,9 Freqüência nominal: 60 Hz Número de pólos: 64 Velocidade de rotação nominal: 112,5 rpm 60 Figura 28 – Planta Baixa da Casa de Força da Usina Figura 29 – Corte Transversal da Casa de Força da Usina 61 Originalmente, a UG-1 e as outras duas unidades geradoras eram comandadas e supervisionadas por painéis antigos, com sistema de comando e controle a relés, conforme a figura 31, a qual ilustra a foto do painel de comando e controle da Unidade Geradora 1. Figura 30 – Foto do Painel original de comando e controle da Unidade 1 62 3.2. Identificação dos Problemas e Pontos de Melhoria Sob o ponto de vista de automação, identificam-se a seguir os principais problemas e pontos de melhorias: 1. Tempo longo para partida da Unidade Geradora (UG), devido a acionamentos manuais e procedimentos passo-a-passo. Normalmente, uma partida, após todas as condições estáticas e dinâmicas satisfeitas, isto é, após todos os sistemas auxiliares ligados e em ordem, leva em torno de 10 a 15 minutos para sincronização da UG, em condições normais. 2. Falta de uma interface homem-máquina amigável, eficiente e localizada para supervisão da UG, nos vários modos de operação e também de seus sistemas auxiliares mecânicos e elétricos. 3. Excesso de tempo gasto na identificação de problemas de manutenção ou intertravamentos normais de segurança do processo, que impedem a partida da UG. 4. Falta de relatórios de alarmes e eventos de forma dinâmica durante a operação da UG, para tomada de decisão em tempo hábil e também posterior avaliação dos pontos de melhorias de performance . 5. Necessidade de atualização tecnológica das instalações elétricas de comando e controle, uma vez que datam do ano de 1965, quando da inauguração oficial da Usina. 6. Vários pontos de melhorias na lógica de intertravamento do processo de produção de energia, nos aspectos de proteção e confiabilidade operacional. 65 Para cada um dos Sistemas descritos anteriormente, foram criadas ou atualizadas as seguintes documentações, utilizadas como base de informações, para a implantação e integração do SDSC, nesta ordem: - Diagrama Unifilar de Proteção e Medição. - Diagrama Funcional de Comando e Proteção - Diagrama de Processo e Instrumentação. - Planilha de Integração do SDSC. - Descritivo Lógico de Funcionamento Especificamente esta Planilha de Integração do SDSC, conforme apresentado, reuni em um único documento, para cada Sistema, as seguintes informações, em relação a cada ponto de entrada e saída dos CLP´s Principal e Retagurada: identificação, tipo e endereço de hardware; endereços de memória de eventos, endereço dos alarmes e endereço de dinamização de telas para o Sistema Supervisório; valor e correspondência lógica de cada variável de controle; descrição do elemento final de controle ou de aquisição de sinal e a atuação das proteções e alarmes da Unidade Geradora 1. Este documento sintetiza e integra as informações do projeto Elétrico, do SDSC e atuação das proteções, também é útil para a validação do comissionamento e para fonte futura de informações, o que proporcia uma manutenção mais rápida e precisa do Sistema, quando necessário. 4.2. Configuração e Filosofia de Controle e Supervisão A filosofia do SDSC, além de atender a solução dos pontos descritos no item 3.2., Identificação dos Problemas e Pontos de Melhoria, descrito anteriormente, também deve atender os seguintes requisitos: . Aproveitamento máximo do lay-out existente e instrumentos e equipamentos instalados, assim como respeito à cultura local de operação já existente. . Previsão futura de automatizar as outras 02 Unidades existentes, sem perda do que está sendo implantado. . Integração dos Sistemas Auxiliares da Unidade Geradora e da Planta ao novo sistema de automação. . Atendimento das várias necessidades de Operação e Manutenção e melhoria nos procedimentos. O Sistema Digital de Supervisão e Controle para a Unidade Geradora 1 tem a seguinte filosofia, conforme apresentado na figura 33: 66 1. Quanto à Operação e Supervisão . Remota: na Sala de Controle através das Estações de Operação (EO), podendo ser esta operação Passo- a-Passo ou Automática, sob ação de controle do PLC Principal. . Local: na Casa de Força através da IHM no painel de controle QG1-1, sendo esta operação somente passo-a-passo, sob ação de controle do PLC Retaguarda. Com transferência manual do modo de Operação, localizada na IHM Local. 2. Quanto à Ação de Controle . CLP Principal: na Casa de Força no painel de controle QG1-3 . CLP Retaguarda: na Casa de Força no painel de controle QG1-1. Com transferência automática do CLP Principal para o CLP Retaguarda Tem-se, então, as seguintes condições, quando da Unidade em operação: . Perda do CLP Principal quando em operação: ocorrerá a transferência automática para o CLP Retaguarda, sem a parada da Unidade, com a condição de o CLP Retaguarda estar em condições normais de operação e a UG estar estabilizada em algum dos estados estáveis. . Perda do CLP Retaguarda quando em operação: ocorrerá a transferência automática, sem a parada da UG; com a condição do CLP Principal estar em condições normais de operação e a UG estar estabilizada em algum dos estados estáveis. . Transferência Manual: comandada a partir da IHM Local do CLP Retaguarda, podendo ser do CLP Principal para o Retaguarda e vice-versa. . Através da IHM do CLP Retaguarda, o Operador também tem condições de partir e parar a Unidade em modo passo-a-passo e supervisionar as paradas automáticas por atuação das proteções mecânicas e elétricas da Unidade. . A operação e supervisão da Unidade se dão somente através do PLC Principal ou através do PLC Retaguarda. 4.3. Diagramas de Transição Para atender aos vários modos de partida e parada da UG, em atendimento às necessidades de operação e manutenção, tëm-se dois Diagramas de Estados, ou Máquina de Estados (adotaremos o termo Diagrama de Estados) um com ação de controle pelo CLP Principal com operação remota pelas Estações de Operação na Sala de Controle e outro com ação de controle pelo CLP Retaguarda com operação local pela IHM na Casa de Força, conforme descrito a seguir: . Ação de Controle pelo CLP Principal Criaram-se 21 seqüências de partida e parada automática e 09 estados estáveis. Esta configuração de máquina de estados permite partir e parar a Unidade, nos modos Automático e passo-a-passo, conforme figura 33 a seguir. Figura 32 – Filosofia do SDSC 67 70 Figura 34– Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Retaguarda Nomenclatura dos Estados: M P O - Máquina Parada U P P - Unidade Pronta para Partir (não é um estado) U P P - O M - U P P em Operação Manual Passo-a-Passo M V O - Máquina em Velocidade Nominal sem Excitação M V E - Máquina em Velocidade Nominal e Excitada M V S - Máquina pronta para Sincronização M S S - Máquina Sincronizada no Sistema Nomenclatura das Transições: SEQ 01 – Pré-Partida Estática – Operação Manual Passo-a-Passo SEQ 02 – Desfazer Pré-Partida Estática SEQ 03 – Partida até a Velocidade Nominal SEQ 04 – Parada Normal de UG sem Excitação SEQ 05 – Excitação Gerador Principal e Auxiliar SEQ 06 – Desexcitação Gerador Principal e Auxiliar 71 SEQ 07 – Unidade pronta para Sincronização SEQ 08 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo Excitada SEQ 09 – Sincronização da UG no Sistema SEQ 10 – Parada Normal da UG, com Excitação Ligada SEQ 12 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo em Velocidade Nominal SEQ 14 – Parada da UG com Redução de Carga e abertura do Disjuntor de 138 kV SEQ 16 – Parada da UG por Atuação da Proteção Elétrica e/ou Parada da UG por Atuação da Proteção Mecânica As seqüências passo-a-passo e de parada do CLP Retaguarda são as mesmas do CLP Principal. 4.4. Arquitetura de Rede do SDSC Esta arquitetura de rede, para a automação da Unidade Geradora 1 e os Serviços Auxiliares tem a seguinte configuração: Duas Estações de Operação (EO) da Sala de Controle, as quais estão interligadas entre si, através de placas de rede Ethernet e interligadas com o CLP-Principal, através de OLM’s (Optical Link Module) e cabos de Fibra Ótica. Os Controladores Indicadores de Temperatura, os Indicadores de Variáveis Elétricas e o CLP do Regulador Digital de Velocidade, foram interligados através de rede ProfiBus-DP, assim como o CLP Retaguarda com sua IHM (Interface-Homem-Máquina), conforme ilustrado na figura 35, a seguir. Figura 35 – Arquitetura de Rede do SDSC Internet Industrial - Par Trançado Internet industrial – Fibra Óptica ProfiBus DP – Par Trançado 72 LCDLCD Legenda QG1-4QG1-3QG1-2 ELEKTRONIK MURRMURR ELEKTRONIK SALA DE PAINÉIS DE PROTEÇÃO/CONTROLE SALA DE OPERAÇÃO Siemens Figura 36 – Diagrama Elétrico de Interligação de Rede do SDSC 75 Cabo de conexão entre bastidores, IM 468-1, 0,75m SIEMENS pç 1 Módulo de entrada digital, 6MD1021 (1ms), 32 x 125VCC SIEMENS pç 7 Módulo de saída digital, 6MD1022, 32 x 24VCC SIEMENS pç 5 Módulo de entrada Digital, SM421 32 x 24 VCC SIEMENS pç 6 Módulo de entrada analógica, 6ES7 16 x 4- 20mA SIEMENS pç 4 Conector frontal 48 pinos c/ parafusos SIEMENS pç 17 Módulo de comunicação CP443-1 para conexão do CLP à rede Industrial Ethernet SIEMENS pç 1 Módulo de comunicação CP443-5 extended para conexão dos medidores de temperatura TÜG, SIMEAS P, regulador de tensão e de velocidade através de rede local PROFIBUS- DP SIEMENS pç 1 Fonte DC/DC com saída de 24Vcc, para a alimentação dos módulos eletrônicos e dos sinais de entrada MURR pç 2 Medidor digital SIMEAS P para os sinais de corrente e tensão, com interface PROFIBUS- DP SIEMENS pç 1 Sinótico com representação dos equipamentos de manobra de alta tensão (disjuntores e seccionadoras) SIEMENS cj 1 Interface Homem Máquina (IHM), linha SIMATIC HMI, com comunicação em ProfiBus DP - MP-270 - SIEMENS SIEMENS pç 1 * Custo aproximado dos principais materiais listados (valor atual): = US$ 60.000,00 x R$ 3,68 = R$220.800,00 US$1,00 76 Na Sala de Controle, conforme ilustrado na figura 46, têm-se: . 01 Estação de operação OS77 WinCC, baseada no microcomputador SIEMENS SCENIC PRO M7 com comunicação para rede Industrial Ethernet e pacote de operação do software SCADA e softwares auxiliares para controle de processo e gerenciamento de banco de dados. . Mais 01 Estação de operação e Desenvolvimento OS77 WinCC, nos mesmos requisitos da estação anterior, porém com mais o pacote de desenvolvimento do software SCADA SIMATIC WinCC, da SIEMENS. No Painel de Controle e Supervisão Convencional Local, têm-se: . Receptor de satélite GPS com antena, cabo de antena e saídas seriais para telegrama de horário, permitindo a expansão futura do SDSC com acréscimo de módulos para os demais CLPs. . CLP – Principal: foi utilizado o PLC S7 400 da SIEMENS, com os devidos módulos de entrada e saída digitais, CPU e módulos de comunicação. . CLP – Retaguarda: foi utilizado o PLC S7 300 da SIEMENS, com os devidos módulos de entrada e saída digitais, CPU e módulos de comunicação e IHM local, com o software ProTool, como sofware de supervisão e controle. . Casa de Força: . Painel de Controle e Supervisão Convencional Local denominado Quadro Geral da Unidade 1 (QG1), é composto com os módulos descritos abaixo, conforme figuras 38 e 39. QG1-1: Unidade de Aquisição e Controle 1- Retaguarda (UAC1-R) e IHM local para Partida e Parada da UG Passo-a-Passo e Operação Automática Degradada – figura 40 QG1-2: Comando, Sincronismo e Medição do Gerador Principal – figura 41 QG1-3: Comando e Medição do Gerador Auxiliar – figura 42 QG1-4: Supervisão Temperatura e Vibração do Gerador Principal – figura 43 QG1-5: Regulador de Velocidade Digital – figura 44 QG1-6: Proteção do Gerador Principal e do Gerador Auxiliar – figura 45 77 SMI 32.01 SMI 32.01 SAÍDA DC Sistema Digital de Monitoraçao e Análise Controle de Vibrações Indus triais S.A. TESTE LEDS MÓDULO DE ALIMENTAÇÃO SIDMASIDMA MÓDULO INDICADOR SELECTOR GA CCM1 1 ENTER SIEMENS 4 5 ENTER SIEMENS GP 2 CALI BR. OK OK CAN AL CALI BR. CALI BR. PO SIÇÃ O M.O. OK CAN AL CAN AL CALI BR. PO SIÇÃ O PO SIÇÃ O V C MÓDULO DE ORBITAÇÃO CAN AL OK PO SIÇÃ O G1-1 QG1-2 QG1-3 QG1-4 QG1-5 G1- 6 Figura 37 – Vista frontal do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1 - Projeto Figura 38 – Foto do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1 80 aumentando a confiabilidade do sistema. 11. Com respeito ao desempenho do SDSC, de acordo com a Arquitetura utilizada, isto é: . Dois CLP’s, sendo um CLP Principal e um CLP Retaguarda com IHM Local . Chaveamento Perfeito , isto é , no evento de falha de um CLP (Principal) , o outro CLP (Retaguarda) assume o processamento sem causar qualquer alteração ao sistema . Detecção de Erro e Localização da Falhas . Reparo durante a Operação . Duas Estações de Operação em paralelo . Rede Ethernet Industrial em Fibra Óptica comunicando duas Estações de Operação em paralelo ao CLP Principal Teremos os seguintes Índices de desempenho, calculados teoricamente: - Confiabilidade do Sistema: A = 99,9980 % - Indisponibilidade do Sistema: U = 1,999989 x10-5= 10,5 (min/ano) Onde: A = e 1/MTBF U = MTTR____ MTTR + MTBF MTBF = “Mean Time Betwen Failure” – Tempo Médio entre falhas MTTR = “Mean Time to Repair” – Tempo Médio para Reparos Na prática, após 01 ano da implantação, não houve ocorrência de falhas no Sistema Digital que pudesse causar a parada da máquina. 12. Ganhos obtidos: De acordo com informações da Administração da Usina, tem-se os seguintes dados: . Custo da hora parada da Unidade (para qualquer uma das Unidades): R$80,00/hora x (Energia Assegurada) = R$80,00/MW x 20 MW = R$1.600,00 / hora de Unidade parada . Infelizmente, não há registros de históricos anteriores de parada da Unidade 1, porém tem-se um registro de horas de parada da Unidade 2 no período de 01/07/03 à 08/12/03, a qual não foi feita a 81 implantação da Automação, cuja condição é similar a Unidade 1 antes de sua automação: 239,63 horas de máquina parada. . A um custo de R$1.600,00 / hora de Unidade parada, tem-se uma perda no período de: R$1.600,00 x 239,63 = R$383.408,00, para um período de 05 meses aproximadamente. . Analogamente, pode-se afirmar, que o custo dos materiais utilizados na automação da Unidade 1, conforme descrito no item 4.5., isto é, R$220.800,00 é abaixo do custo de paradas que ocorreu na Unidade 2 que foi de R$383.408,00, para um período de 05 meses aproximadamente. 82 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (01) BERTALANFFY, L.V. General System Theory. 1a. Edição. New York: George Braziller, 1968. (02) BOLLMANN A.; Fundamentos da Automação Industrial Pneutrônica, Projeto de Comandos Binários Eletropneumáticos. São Paulo: ABHP, 1997. (03) CARDOSO J., VALLETE R.; Redes de Petri. Florianópolis: Ed. Da UFSC, 1997. (04) LEWIS R. W.; Programming Industrial Control Systems using IEC 1131-3, Revised Edition. United Kingdon, London: The Instituition of Electrical Engineers, 1998. (05) MIYAGI, P.E.; Controle Programável, Fundamentos do Controle de Sistemas a Eventos Discretos, São Paulo: Edgard Blücher, 1997. (06) OGATA K.; Engenharia de Controle Moderno, 2ª. Edição. Rio de Janeiro: Prentice Hall do Brasil Ltda, 1993. (07) SILVEIRA, P.R.,SANTOS W. E.; Automação e Controle Discreto, 4ª. Edição; São Paulo: Érica, 2002. (08) SIQUEIRA, R. A.; Modernização de uma Usina com Integração dos Sistemas Auxiliares, Grupo I Geração Hidráulica. Minas Gerais, Uberlândia: XVII SNPTE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 2003 (09) SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de Treinamento, Sistema Supervisório WINCC, CP WINCC; São Paulo, 2002 (10) SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de Treinamento, Programação Básica SIMATIC S7 ST-7PRO1; São Paulo, 2002