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Modelagem para automação.
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7/21/2019 Modelagem Para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICODEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LABORATÓRIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS
Campus Universitário - Cx. P. 476 - CEP 88040-900 - Florianópolis - S.C. - BrasilFone: (48) 3319396 - Fax: (48) 3317615 - e-mail: [email protected] - http://www.laship.ufsc.br
PROJETO PADCT / REIVAX
Capacitação Industrial para Construção de Sistemas Hidráulicos de
Controladores de Turbinas
Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas
M. Eng. Fred Henrique Souza Paes
Prof. Victor Juliano De Negri, Dr. Eng.
Florianópolis, Março de 2002
7/21/2019 Modelagem Para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC ii
Índice
1 Introdução.........................................................................................................................................1
2 Modernização de Pequenas Centrais Hidrelétricas .....................................................................2
2.1 Regulamentação e panorama de PCH's ...................................................................................2
2.2 Motivação para a modernização de PCH's...............................................................................4
2.2.1 Introdução..............................................................................................................................4
2.2.2 Alternativas de Automatização do Grupo-Gerador ...............................................................4
2.2.3 Modernização e Reforma dos Equipamentos Existentes .....................................................5
2.2.3.1 Automação Parcial (Partial retrofit)....................................................................................6
2.2.3.2 Automação Completa (Complete retrofit) ..........................................................................6
3 Conceitos e Ferramentas para Modelagem...................................................................................9
3.1 Caracterização da Modelagem ..................................................................................................9
3.2 Rede de Petri Canal/Agência ...................................................................................................12
3.2.1 Regras para construção e interpretação de Redes C/A .....................................................14
3.3 GRAFCET...................................................................................................................................15
3.3.1 Elementos do Grafcet..........................................................................................................16
3.4 UML ............................................................................................................................................18
3.4.1 Conceitos Básicos de OO ...................................................................................................19
3.4.2 Histórico e Definições da UML ............................................................................................20
3.4.3 Tipos Diferentes de Sistemas..............................................................................................20
3.4.4 Diagramas na UML..............................................................................................................21
3.4.5 Mecanismos de Extensibilidade ..........................................................................................21
3.4.6 Apresentação dos Diagramas .............................................................................................22
3.4.7 Métodos de Desenvolvimento de Software e Ferramentas de suporte..............................24
4 Conceituação e Modelagem de Sistemas Automáticos.............................................................25
5 Modelagem de Centrais Hidrelétricas..........................................................................................47 5.1 Sistematização do Detalhamento de Centrais Hidrelétricas................................................47
5.2 Modelos Funcionais/Estruturais Básicos de Centrais Hidrelétricas...................................50
5.2.1 Componentes principais de centrais hidrelétricas...............................................................50
5.2.2 Turbinas hidráulicas.............................................................................................................52
5.2.2.1 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Francis...................................................................52
5.2.2.2 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Kaplan ...................................................................55
5.2.2.3 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Pelton ....................................................................56
6 Modelagem da PCH Herval............................................................................................................59
6.1 Introdução..................................................................................................................................59
6.2 Caracterização da PCH Herval ................................................................................................59
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC iii
6.3 Modelagem Funcional/Estrutural e Comportamental ...........................................................60
6.3.1 Aquisição do Conhecimento................................................................................................60
6.3.2 Identificação e apresentação dos Subsistemas que compõem a Usina.............................61
6.3.2.1 Canalização de Água.......................................................................................................61
6.3.2.2 Sistema de Conversão de Energia Hidráulica em Mecânica ..........................................63
6.3.2.3 Sistema de conversão de Energia Mecânica em Elétrica ...............................................64
6.3.3 Modelagem do Fluxo de Energia/Matéria............................................................................64
6.3.4 Modelagem do Fluxo de Informação...................................................................................70
7 Referências Bibliográficas............................................................................................................82
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 1
1 Introdução
Este trabalho tem por objetivo introduzir conceitos de representação diagramática de sistemas de
automação e controle com especial ênfase à automação de centrais hidrelétricas. Este conteúdo é
fortemente derivado da dissertação de mestrado realizada dentro do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica da UFSC de autoria do Eng. Fred Henrique Souza Paes e orientado pelo Prof.
Victor Juliano De Negri. Essa dissertação esteve inserida no Projeto de Pesquisa
PADCT/REIVAX/LASHIP intitulado 'Capacitação Industrial para Construção de Sistemas Hidráulicos de
Controladores de Turbinas'.
Especificamente quanto ao tema abordado, percebe-se que ao longo de décadas vem sendo
propostos métodos de especificação e projeto de sistemas técnicos e também para o desenvolvimento
de software. O grande desafio tem sido encontrar propostas que efetivem auxiliem o trabalho doprojetista e também daquele que necessita analisar um determinado sistema, seja para reprojeto ou para
manutenção.
Os conceitos e ferramentas apresentadas neste trabalho visam contribuir neste sentido e, para que
efetivamente tenham aplicabilidade no contexto de engenharia, faz-se uso de diagramas de fácil
interpretação como a Rede Canal/Agência e o Diagrama Funcional (Grafcet - SFC), este último
normalizado pela IEC 848 e adotado na IEC 1131 que embasa a construção de controladores para
automação industrial.
Também são apresentados conceitos da UML - Linguagem Unificada de Modelagem reconhecida
atualmente como um padrão para o projeto de software. Na dissertação de mestrado citada mostrou-se
a viabilidade de sistematizar a programação da CPU de controle e automação integrando a UML com os
dois diagramas citados anteriormente. No presente trabalho propõe-se o estudo inicial da modelagem
formal de centrais hidrelétricas visando a análise destas e não o seu projeto; por conseguinte, não se
aborda a utilização da UML neste momento.
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2 Modernização de Pequenas Centrais Hidrelétricas
2.1 Regulamentação e panorama de PCH's
As PCH´s representam um dos principais focos de prioridade da A ANNEEEELL11 no que tange ao aumento
da oferta de energia elétrica no Brasil. A resolução da Agência nº 394, de 4/12/98, pontua as seguintes
questões:
• Potência instalada de até 30.000 kW (30 MW);
• Área inundada máxima de reservatório de 3 km2;
• Outorga para o empreendimento, sem necessidade de licitação;
• Isenção de pagamento de taxa de compensação financeira;
• Isenção total de pagamento por uso das redes de transmissão e distribuição, para centrais que
entrarem em operação até 2003, e redução de no mínimo 50% para as que entrarem após esta
data;
• Dispensa em remunerar municípios e estados pelo uso dos recursos hídricos;
• Possibilidade de comercializar livremente a energia elétrica produzida com os consumidores
cuja carga seja maior ou igual a 500 kW;
A seguir é mostrado o mapa da distribuição das PCH’s atualmente no país. Conforme observado na
figura 2.1, a maior densidade deste tipo de centrais encontra-se nas regiões Sul e Suldeste, sendoapresentada na tabela 2.1 a distribuição da potência instala por regiões,. Segundo a Tabela 2.2, deverá
haver um crescimento de PCH’s em todo o país, com maior intensidade nas regiões Sul e Suldeste,
aumentando o número de centrais existentes.
Existem investimentos para construção deste tipo de central em muitos estados e em todas as
regiões do país. Particularmente, nos estados de Santa Catarina, Goiás e Paraná, um grupo paranaense
investiria 200, 6 milhões de reais em março deste ano na construção de 3, 1 e 3 PCH’s,
respectivamente, segundo ADTP (2001).
O Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES), recebeu em 2001 mais de 60
pedidos de financiamentos para projetos de instalação ou repotencialização de PCH’s. Cerca de 30
projetos devem ser avaliados até o final do ano e outros 30 até o final de 2002. Existem também
programas de incentivo institucional, como é caso do PCH-COM através de convênios com a
EELLEETTRROOBBRR Á ÁSS..
1 ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 3
Figura 2.1 – Distribuição geográfica das PCH’s no território brasileiro (ANEEL, 2001).
Tabela 2.1 – Distribuição da potência instalada no Brasil (ANEEL, 2001).
SUDESTE/C. OESTE 498
NORTE 40,8
NORDES TE 75,8
TOTAL 902,1
POTÊNCIA (M W )
287,5
REGIÃO
SUL
Se executados todos os projetos, o total de potência instalada de PCH’s no Brasil saltará dos atuais
1.400 MW para 2.600 MW em 2003. Segundo dados da ANEEL, existem hoje 331 PCH’s emfuncionamento, responsáveis por cerca de 2,06% de toda a potência instalada no país.
Analistas avaliam que o mercado de PCH’s sofrerá uma explosão de investimentos nos próximos
três anos. Trata-se de um nicho de mercado aberto apenas em 1998, e que desperta agora o interesse
crescente do produtor independente (APMPE, 2001).
Segundo o Sistema de Informação do Potencial Hidrelétrico (SIPOT), da Eletrobrás, existe no Brasil
um potencial de 9.795,74 MW que podem ser obtidos com a construção de 924 PCH’s (ADTP, 2001).
Tabela 2.2 Distribuição, por região, da potência a ser instalada nas PCH’s (ANEEL, 2001).
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 4
ACRÉSCIMO DE POTÊNCIA (MW) – ANOS 2001 e 2003
PROJETOS CADASTRADOS NA ANEEL
REGIÕES Nº PCH TOTAL ANO SUL SE/CO NORTE NORDESTE2001 37,76 9,1 - - 7 46,86*
2002 145,7 184,3 - - 26 330,0**2003 240,25 769,68 12,7 16,15 84 1038,88
(*) Em construção: 46,86 MW(**) Em construção durante o ano de 2001: 181,7 MWTOTAL ( 117 PCH’S ) 1.415,78 MW
2.2 Motivação para a modernização de PCH's
2.2.1 Introdução
Até aqui foi demostrada a importância das pequenas centrais no cenário energético do país, o que
por si só já justificaria a busca de eficiência no projeto de novas e modernização das PCH’s existentes.
Devido à sua idade construtiva e ao aumento de consumo provocado pela urbanização e facilidade
na aquisição de eletrodomésticos por uma maior parte da população, fica patente a necessidade de
modernização das PCH’s, cujo propósito é melhorar seu rendimento. O termo modernizar, neste
contexto, é quase um sinônimo da palavra automatizar, pois implica na reforma de equipamentos e
automação parcial ou total, conforme será detalhado a seguir. A decisão de modernizar recai
primordialmente em questões econômicas, mas também decorre da política interna da empresa, da
qualidade da mão-de-obra, da necessidade de treinamento e, ainda da cultura administrativa dosproprietários.
Segundo ABRAHÃO (1999), para automatizar uma PCH existem várias alternativas possíveis e
viáveis que devem ser escolhidas de acordo com os objetivos a serem alcançados. Deste modo, as
seguintes funções podem ser incorporadas:
• Programação automática de geração (partida e parada das máquinas);
• Monitoramento automático do nível de água do reservatório;
• Supervisão e comando da proteção;
• Análise de dados;
• Supervisão e controle à distância.
Na seção seguinte serão mostrados diagramas que representam estas possibilidades.
2.2.2 Alternativas de Automatização do Grupo-Gerador
O grupo-gerador é a parte principal da usina e o local onde as energias potencial e cinética da água
são transformadas efetivamente em energia elétrica. Na Figura 2.2 é apresentado um diagrama
simplificado de um grupo-gerador genérico, cuja análise subsequente pode ser estendida para asdiversas configurações de conjunto Turbina-Gerador existentes. Esta figura é baseada no trabalho de
ABRAHÃO (1999), sendo aqui utilizada a notação de Rede Canal/Agência representando o fluxo de
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energia e de sinais2.
Como citado anteriormente, as opções para a modernização dos sistemas de controle e atuação
dos grupos geradores podem ser resumidamente apresentadas como:
1- Modernização e reforma dos equipamentos existentes;
2- 2- Automação Parcial (Partial Retrofit );
3- 3- Automação Completa (Complete Retrofit ).
Notação:E.E – Energia Elétrica e E.H – Energia Hidráulica;S.A – Sistema de Atuação: Atuador Hidráulico (Cilindro (servomotor) e válvulas); Atuador Elétrico (Excitatriz dinâmica ou estática)SM –Sistema de Medição (posição e velocidade; potência, tensão e corrente);RV – Regulador de Velocidade: Sistema mecânico ou elettro-eletrônico capaz de movimentar o servomotor;RT – Regulador de Tensão: Circuitos elétricos ligados à excitatriz rotativa.
Figura 2.2 - Diagrama de blocos do grupo Turbina-Gerador genérico.
2.2.3 Modernização e Reforma dos Equipamentos Existentes
Uma reforma completa nos equipamentos existentes pode demandar um grande tempo e um custo
elevado para ser realizada. Considerando que os equipamento são antigos, as peças para reposição
necessitam fabricação por encomenda. Portanto, dependem do conhecimento e da experiência do
fornecedor ((STACH, 1991), (GARCIA, 1995) e (SAAD, 1996), citadas por ABRAHÃO, 1999)). Mesmo
com a substituição, há que avaliar a vida útil das peças substituídas e partes não reformadas. Para a
manutenção e operação da unidade reformada, a equipe precisa ter conhecimento e experiência
suficientes sobre o equipamento.
2 A Rede Canal/Agência está descrita no capítulo 3.
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2.2.3.1 Automação Parcial (Partial retrofit)
Na modernização parcial, são substituídas somente as partes destacadas no diagrama da
Figura 2.3. Neste caso o regulador de velocidade mecânico de turbinas e seu sistema de realimentação,
são substituídos por um regulador eletrônico, realimentado por sensor digital de velocidade informando a
rotação da máquina, e sensor de posição com a informação da posição do dispositivo de atuação
hidráulico (cilindro). O regulador de tensão de excitação da máquina, também deve ser substituído por
um controlador eletrônico automático, mantendo-se o dispositivo de excitação rotativo convencional
(CARNEIRO,1996), (GARCIA,1995) e (SAAD, 1996).
Notação:SM –Sistema de Medição (posição e velocidade; potência, tensão e corrente);RV – Sistema microprocessado capaz de controlar o anel distribuidor;RT – Sistema microprocessado capaz de controlar a excitação dinâmica;SA Elétrico - Circuitos elétricos ligados à excitatriz rotativa;SA Hidráulico – Cilindros e válvulas.
Figura 2.3 - Automação parcial
2.2.3.2 Automação Completa ( Complete retrofit )
Nestes casos, são feitas as substituições dos reguladores e suas realimentações, portanto
obtendo-se todos os benefícios da modernização parcial, inclusive o controle digital (Figura 2.4). Com
relação ao sistema de excitação do gerador, nesse nível de automação propõe-se o uso de sistemas de
excitação estática em substituição aos de excitação rotativa, que podem ser interligados ao sistema
supervisório mais facilmente e diminuem as perdas de potência, entre outras vantagens (CARNEIRO,
1996) e (STACH, 1991). Conforme indicado, também ocorre a substituição do cilindro e válvula que
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acionam os elementos móveis da turbina (pás, agulhas, defletores etc.).
Notação:SA Elétrico – Dispositivos que fazem parte do circuito eletrônico responsáveis por controlar a tensão de excitação no campo dogerador. Por exemplo, Ponte de Tiristores.SA Hidráulico – Válvulas e servomotor, acrescidos do circuito elétrico necessário ao funcionamento do conjunto.
Figura 2.4 - Automação completa
Pelo exposto, observa-se que a decisão quanto ao âmbito da modernização fica a cargo do
proprietário da usina. Entretanto, independentemente da escolha, é importante que haja uma
sistematização que facilite o processo de automatização por parte da empresa executora e, caso esta já
possua uma definição clara e bem documentada de todos os subsistemas que compõem a usina, bem
como suas interligações, poderá influir na decisão do cliente. Além disto, uma vez iniciado o projeto, tais
documentos poderão diminuir o tempo de execução da obra, sem negligenciar a segurança.
Com este propósito, o presente trabalho constrói um modelo, que pode ser chamado de Modelo de
Referência, onde estarão contidos todos os subsistemas que fazem parte de uma PCH típica. Sendo
assim, conforme a opção de modernização e os requisitos do projeto, a partir do modelo de referência a
empresa executora poderá definir com maior clareza as atividades que terá de realizar.
Seja incluindo ou retirando equipamentos e/ou dispositivos, é de fundamental importância para a
evolução do projeto que estas decisões sejam facilmente mapeadas ao logo do trabalho podendo-se,
assim, ver clara e rapidamente suas influências e conseqüências no âmbito do projeto com um todo. Por
exemplo, ter a certeza sobre a parte do software que comanda o procedimento de partida que émodificada pela retirada ou inclusão de um sensor de nível de óleo no mancal de escora do gerador. A
resposta para esta questão deve ser dada através de documentação compreensível, tanto pelos
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 8
engenheiros mecânico e elétrico da contratada e da contratante, como para o programador que irá fazer
ou modificar o software correspondente. Este procedimento deve ocorrer no sentido inverso também,
quer dizer, qualquer decisão tomada pelo programador poderá ser mapeada nos dispositivos que
compõem o sistema, evitando que o mesmo adote soluções em nível de software que comprometeriam
o funcionamento dos componentes e/ou dispositivos elétricos e/ou mecânicos. Por exemplo, o tempo de
processamento de uma parte do algoritmo poderia ser bem mmaior que o de leitura e atualização da
saída de um dado dispositivo.
Nos próximos capítulos serão detalhados os principais subsistemas que compõem as PCH’s, tendo
como base inicial o trabalho de (CASTELANI et al., 2000).
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3 Conceitos e Ferramentas para Modelagem
Neste capítulo são apresentados conceitos fundamentais sobre modelagem e apresentadas três
representações diagramáticas passíveis de emprego na modelagem de centrais hidrelétricas. A
sistematização da modelagem e projeto de automação apresentada no capítulo 4 emprega a Rede de
Petri Canal/Agência (Rede C/A), Diagrama funcional (IEC 848) e a Unified Modeling Language (UML), os
quais podem ser empregados com suporte de ferramentas CASE3.
3.1 Caracterização da Modelagem
Os sistemas, principalmente os estudados nas áreas de automação e controle, mecatrônica e
engenharia de software, normalmente podem ser decompostos em diversos subsistemas
interrelacionados que, por sua vez, possuem seus próprios subsistemas e assim sucessivamente até
alcançar componentes considerados elementares. Estruturas deste tipo estabelecem interações de difícil
previsão, exigindo o estudo de partes isoladas a fim de estabelecer o comportamento global com maior
segurança. Tais sistemas são caracterizados como complexos no sentido que o todo é mais que a soma
das partes, ou seja, dadas as propriedades das partes e as leis de suas interações, não é trivial inferir
sobre as propriedades do todo.
Como forma de manipular a complexidade e facilitar a análise ou o projeto de sistemas, faz-se uso
de abstrações, entendidas como descrições simplificadas que enfatizam certos detalhes ou propriedades
enquanto outros são suprimidos. Formalmente, uma abstração pode ser vista como o resultado da
aplicação de uma ou mais perspectivas ao sistema ou parte dele, de modo que a teoria fornecida pelas
perspectivas seja utilizada para criar modelos daquelas porções do sistema incluídas na abstração
(HOOVER et alii, 1991). Deste modo, pode-se entender que os modelos sejam o meio de explicitar o
entendimento acerca de uma abstração.
Nas áreas de projeto de sistemas técnicos, de produtos mecatrônicos e de software, a descrição de
sistemas complexos pode ser realizada segundo as perspectivas estrutural, funcional ecomportamental de tal modo que a junção dos três tipos de modelos correspondentes forneça a
descrição completa do sistema.
O comportamento de um sistema pode ser definido como a relação da entrada ou excitação,
proveniente do ambiente externo, com o estado interno e com a saída ou influência que exerce sobre o
ambiente externo. Os modelos comportamentais possuem uma semântica dinâmica, ou seja, descrevem
as mudanças de estado e saída que ocorrem ao longo do tempo. Nos casos em que não há memória
(para os sistemas físicos implica em não se considerar o armazenamento de energia) o sistema é visto
3 CASE – Computer Aid Software Engineer
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 10
como instantâneo (comportamento instantâneo) já que a resposta depende somente do valor da entrada,
não se identificando variáveis de estado.
Ainda sob a perspectiva comportamental, os modelos podem ser subdivididos em a estado
contínuo e a estado discreto. Os modelos a estado contínuo descrevem o sistema através de
equações elementares e de suas interconexões, sendo estas equações definidas para todo o tempo
(modelos contínuos no tempo) ou definidas ou usadas em pontos discretos no tempo (modelos discretos
no tempo). Exemplos destes modelos são a função transferência e a descrição por variáveis de estado,
enquadrados na teoria de controle.
Por sua vez, os modelos a estado discreto representam os possíveis estados que o sistema pode
assumir, sendo a mudança de estado e as saídas produzidas pelo sistema decorrentes da combinação
lógica de entradas (eventos e condições) e do estado em que o sistema encontra-se.
Este tipo de modelo, como a rede de Petri marcada, o diagrama de transição de estados (diagrama
de estados) e o diagrama funcional (Similar ao GRAFCET), mostra explicitamente a seqüência com que
ocorrem os estados e saídas sem, normalmente, estabelecer uma relação direta com o tempo.
Matematicamente pode ser usada a lógica Booleana para modelar implicitamente, através de equações
elementares e interconexões, as mudanças (transições) de estado.
A figura 3.1 mostra um exemplo de modelo comportamental empregado para descrever um sistema
de controle de posição hidráulico. A figura 3.2 representa o comportamento de um controlador lógicoempregado para o acionamento de um atuador pneumático.
++
-
x A1
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( 2
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K
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1S K
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+
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c
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Ma
Figura 3.1 - Exemplo de aplicação de modelo comportamental a estado contínuo: Diagrama de blocos
com funções transferência;
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFSC 11
1V1
1S5
1C1
Cont
Ref_cont
Q
Contador/Comparador
6
R
1S2
1V1
1S3 1S4 1V11C1
1S11S2 1A11S4
1V1
L+
M
L+
M
Módulode
EntradasDigitais
CPU
CLP
0 Vdc
L+ 2 3 4
Módulo de
SaídasDigitais
M
L+ 2 3
M
MM
51S11S21S4 1S3
RN
+
Fonte24 Vdc
1V1
24 Vdc
R N220 Vac
FonteExterna24 Vdc
-
220 VacR N
R N
Figura 3.2 - Exemplo de aplicação de modelo comportamental a estado discreto: Diagrama de contatos
(Ladder diagram).
Por sua vez, o diagrama hidráulico presente na figura 3.1 e os diagramas pneumático e elétrico
presentes na figura 3.2 descrevem as funções existentes nestes circuitos, sendo, nestes casos:
Circuito Hidráulico:
Válvula V1: Direcionar e controlar a vazão de fluido hidráulicoCilindro A1: Converter energia hidráulica em mecânica
Sensor S1: Medir o deslocamento da haste do cilindro
Controlador Z1: Acionar a válvula de acordo com os sinais de referência e de realimentação.
Circuito Pneumático e Elétrico:
Válvula 1V1: Direcionar a vazão de fluido hidráulico
Cilindro 1A1: Converter energia hidráulica em mecânica
Sensores 1S1 e 1S2: Detectar a posição da haste do cilindro
Sensor 1S3: Sinal de partida
Sensor 1S4: Detectar presença de peças
CLP: Acionar a válvula de acordo com o modelo lógico.
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Portanto, os diagramas de circuitos, a Rede de Petri Canal/Agência (será apresentada a seguir), o
diagrama de casos de uso (UML) e o diagrama de fluxo de dados (DFD) são exemplos de modelos
funcionais e descrevem a capacidade, desejada ou existente, do sistema em desempenhar uma ação
ou um conjunto de ações. Esta capacidade pode não ser assegurada pelo comportamento efetivo do
sistema pois um sistema também pode comportar-se mal ou erroneamente.
Por fim, segundo HUBKA & EDER (1988), o termo estrutura designa o “... arranjo interno, ordem,
organização, decomposição, segmentação, conformação, constituição ou construção de um sistema. No
mesmo sentido, pode-se falar de uma rede de elementos. ... Portanto, estrutura é o conjunto de
elementos em um sistema e o conjunto de relações que conectam estes elementos com outros.” Estas
relações podem indicar conexões físicas ou de comunicação ou relações hierárquicas para auxiliar as
possíveis associações conceituais que podem ser estabelecidas entre os componentes.
Como exemplo de modelos estruturais pode-se citar os diagramas entidade/relações
(entity/relationship diagrams), diagrama de classes (OO), desenhos geométricos, plantas e também os
diagramas elétricos, hidráulicos e pneumáticos.
Em síntese pode-se estabelecer a seguinte associação entre o tipo de modelo e seu objetivo na
modelagem:
• Função: Responde a pergunta: “O que?” o sistema faz.
• Comportamento: Responde a pergunta: “Como?” e “Quando?” as funções são executadas.
• Estrutura: Responde a pergunta: “Onde?” as funções são implementadas.
Observe-se que o termo funcionamento, que significa o ato ou efeito de exercer as funções, designa a
descrição comportamental de um sistema.
3.2 Rede de Petri Canal/Agência
A notação em Rede C/A trata-se de uma representação diagramática que emprega dois elementos
básicos: as unidades ativas, representadas por retângulos e as unidades passivas, representadas
através de círculos, sendo estes dois elementos interligados através de arcos direcionados (figura 3.3).
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Elementos Básicos
Simbolo Nome Genérico Perspectiva Funcional Perspectiva Estrutural
Unidade Ativa
Unidade Passiva
Actividade (Função)
Recurso
Agência
CanalInterconexão de Elementos
Simbolo Tipo de Recurso Posição dos Arcos
Fluxo de Informação
Fluxo de Energia
Fluxo de Matéria
Fluxo de Energia e Matéria
Figura 3.3 - Rede de Petri Canal/Agência - Elementos básicos.
Ao modelo criado pode-se atribuir uma conotação funcional ou estrutural. Sob uma perspectiva
funcional , as unidades funcionais passivas correspondem aos recursos que fluem através do sistema,
ou seja a energia, a matéria e a informação ou suas formas de manifestação, tais como eletricidade,
peças, ferramentas, sinais, dados etc. Por sua vez, as unidades funcionais ativas são designadas de
atividades ou funções correspondendo às operações aplicadas sobre os recursos como bombeamento,
montagem, transporte, processamento etc.
Também infere-se uma perspectiva estrutural para a rede C/A. Neste caso, as unidadesfuncionais passivas são designadas de canais, indicando aqueles componentes do sistema que dão
suporte para que os recursos possam fluir, sem causar modificação no estado destes. Como exemplos,
pode-se citar tubulações, eixos, fios, correias transportadoras, depósitos, mensagens, memórias etc.
Através dos retângulos representa-se as agências que correspondem ao local onde acontecem as
atividades, tais como bombas, componentes de máquinas, estações de trabalho, reatores químicos,
objetos em software entre outros.
É importante observar que o direcionamento indicado pelos arcos que acoplam estes elementos
não tem significação sob o ponto de vista estrutural, pois este refere-se à interligação existente, ao modo
como o sistema é constituído. Por conseguinte, os arcos apenas indicam qual o componente passivo
necessário para estabelecer a conexão entre os componentes ativos.
Por outro lado, funcionalmente as setas indicam o sentido do fluxo de recursos, ou seja, definem as
entradas e saídas relacionadas a cada atividade. Na representação adotada foram definidos quatro tipos
de setas para enfatizar o tipo de recurso envolvido (ver figura 3.3):
• seta cheia: fluxo de informação;
•
meia seta cheia: fluxo de energia;• meia seta vazia: fluxo de matéria.
• meia seta cheia combinada com meia seta vazia: fluxo de energia e matéria.
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Deve-se destacar que esta notação é desvinculada de qualquer área técnica, podendo ser aplicada
sempre que for necessário descrever aspectos funcionais e estruturais. Por exemplo, em HEUSER
(1990) a rede C/A é utilizada no âmbito de banco de dados sendo, inclusive, estabelecida a equivalência
com o diagrama de fluxo de dados (DFD), mostrando que a primeira é mais abstrata e independente das
soluções adotadas, enquanto que o DFD impõe decisões sobre a forma de implementação do sistema
em software. De forma similar, no âmbito do projeto de produtos é possível representar as estruturas de
funções empregadas na fase de concepção (PAHL & BEITZ, 1988) por redes C/A, com a vantagem de
forçar o projetista à identificação de recursos intermediários que obrigatoriamente irão existir.
Por sua vez, HANISCH (1992), emprega a rede C/A na modelagem de processos produtivos.
Reforçando esta aplicação, observa-se que MIYAGI (1988) utiliza um modelo denominado production
flow schema (PFS) que pode ser considerado como uma rede C/A acrescida de pequenos detalhes,
tornando-a específica para a descrição deste tipo de sistema.
3.2.1 Regras para construção e interpretação de Redes C/A
A regra fundamental para o emprego desta notação é que somente é permitida a interligação entre
canais e agências, isto é, em uma rede não poderão haver dois canais ou duas agências ligadas
diretamente através de um arco direcionado. A representação das setas em diferentes ângulos segue o
padrão de cotagem do desenho industrial, conforme mostrado na figura 3.3.
Conforme ilustrado na figura 3.4a, um arco direcionado de um canal para uma agência implica quea atividade pode depender, mas não necessariamente depende, do conteúdo do canal ou, em outras
palavras, o recurso pode ser utilzado pela atividade. Um arco saindo da agência indica que o conteúdo
do canal pode ser alterado, mas não necessariamente o é, pela atividade, isto é, o recurso pode ser
produzido ou modificado pela atividade. Esta interpretação é válida para qualquer configuração de rede
C/A como, por exemplo, a ilustrada na figura 3.4b que mostra a possibilidade de múltiplos recursos
serem consumidos e/ou produzidos por uma atividade ou múltiplas atividades consumirem ou
produzirem um único recurso. Na figura 3.4c é representada uma configuração particular que estabelece
que a atividade utiliza temporariamente o recurso e libera-o novamente.
Figura 3.4 - Exemplos de configurações da rede C/A.
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O refinamento de um canal ou de uma agência consiste no detalhamento destes, identificando-se
novos canais e agências internos, conforme ilustrado na figura 3.5. Do mesmo modo, canais e agências
podem ser agrupados formando elementos condensados.
Figura 3.5 - Mecanismo de refinamento e condensação de redes C/A.
Tanto a rede refinada como a condensada são redes C/A, logo, a regra básica de só haver
interligação entre canais e agências deve ser sempre obedecida. Ao refinar um canal, os elementos da
rede refinada que possuam arcos externos ao canal também deverão ser canais. Do mesmo modo, os
elementos de fronteira identificados no refinamento de uma agência deverão ser agencias. Por fim,
conforme ilustrado na figura 3.5, os arcos presentes na rede condensada devem representar todas as
direções dos arcos da rede refinada.
3.3 GRAFCET
Grafcet é o acronismo4 de GRAphe Functionnel de Commande Etape/Transition, do francês. Para oportuguês, GRÁfico Funcional de Controle de Etapas e Transições. Esta ferramenta foi criada na Europa
em 1979, numa parceria entre a comunidades científica e a industrial. O objetivo era criar uma
linguagem rigorosa e poderosa que pudesse ser utilizada pelos acadêmicos e projetistas (BARACOS,
1992).
Segundo PETERSON (1981, citado por ATTIÉ (1998)) o Grafcet é um diagrama derivado da Rede
de Petri e tornou-se base para norma internacional IEC-848 (IEC, 1988) sob a denominação de
4 Acronismo = Palavra formada pela 1ª letra (ou mais de uma) de cada uma das partes sucessivas
de uma locução ou pela maioria das partes (AURÉLIO, 2000).
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Diagrama Funcional. A IEC 1131-3 (IEC, 1993) emprega o Diagrama Seqüencial de Funções (SFC -
Sequential Function Chart) que corresponde ao Diagrama Funcional da IEC 848 com as modificações
necessárias para adequar-se para os detalhes de implementação em controladores programáveis.
O Grafcet foi definido originalmente como um formalismo gráfico para descrição do comportamento
de sistemas de controle seqüencial e sua utilização no padrão IEC 1131-3 (IEC, 1993) fez aumentar a
abrangência de suas aplicações. Além disso, o avanço conseguido na definição formal e na semântica,
associado ao desenvolvimento de métodos de validação e verificação, tornou o Grafcet uma poderosa
ferramenta (ZAYTOON et al., 1997 citado por XOÁN et al., 1998).
Como mencionado na seção 3.1, Redes de Petri marcadas poderiam ser usadas para descrição
comportamental. Entretanto, o Grafcet teve melhor receptividade das pessoas que trabalham na
indústria, até porque este foi um dos propósitos na sua concepção. Com a padronização, a ferramenta
ganhou credibilidade mundial no âmbito da indústria. Um acontecimento que ilustra deste fato, é o da
empresa Siemens que fabrica, há vários anos CLP Siemens S7, o qual utiliza Grafcet como interface
programável. O ocorrido vem ratificar que a indústria assimilou muito bem a utilização da ferramenta, a
ponto de hoje estar completamente consolidada desde os escritórios de projeto ao chão-de-fábrica.
No campo acadêmico, também muitos trabalhos foram e estão sendo realizados nesta área,
havendo enfoque diversos, indo dos editores e ferramentas para simulação de Grafcet a software de
controle de tempo real baseado em Grafcet. Um exemplo deste último é o trabalho de PARDO et al.
(1998). Outra ação importante tem sido a integração do Grafcet com a Teoria de sistemas a Eventos
Discretos e com a Metodologia de Projeto para Automação que está sendo realizada pelo LASHIP/EMC
e o LCMI/DAS da UFSC, visando o projeto de controladores de forma automatizada.
Igualmente importante é a junção da teoria de Grafcet ao desenvolvimento de software baseados
na metodologia de Orientação por Objetos (OO) e, principalmente, empregando a abordagem UML Este
casamento é muito interessante, pois une o formalismo e praticidade do Grafcet com as facilidades e o
potencial de uso das ferramentas CASE para modelagem de software OO. Isto pode ser comprovado
através de GAERTNER e THIRION (1999) e, mais importante ainda, sob uma padronização
internacional pela norma IEC, como destacado no recente trabalho de BONFÈ e FANTUZZI (2000).
3.3.1 Elementos do Grafcet
O Grafcet contém dois tipos básicos de elementos (passos e transições) ligados por arcos
orientados. Cada passo é representado por um quadrado e pode estar nas situações ativado e
desativado. O passo inicial (que está ativado na situação inicial) é representado por um quadrado duplo,
no caso do diagrama da Figura 3.5 o quadrado marcado com o número 0 . A cada passo pode ser
associada uma ação ou comando representado por um retângulo anexo ao passo.
A transição de um passo a outro só ocorrerá (será disparada) se:
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• Todos os passos, cujas saídas estão ligadas à entrada da transição, estiverem ativos;
• A condição associada à transição for satisfeita.
O disparo de uma transição promove a desativação dos passos que a precedem e a ativação dos
passos que a sucedem. A condição associada à transição pode envolver uma expressão ou variável
lógica.
Na Figura 3.5 são mostrados os elementos que compõem o Grafcet. No retângulo que representa a
ação existem três campos, o primeiro indica alguma propriedade do sinal que gera a ação, sendo as
principais:
(S) – Sinal a ser memorizado ao longo de um ou mais passos;
(D) – Atrasado no tempo;
(L) – Limitado no tempo. No caso da Figura 3.5 significa que o cilindro ficará um tempo igual a 20
segundos acionado, depois de decorrido este tempo está ação cessará.
No segundo campo é designada a ação, e o terceiro indica o elemento de sinal que confirma a
realização da ação como, por exemplo, o sensor de fim-de-curso (E4) informando que o cilindro A está
avançado. BOLLMANN (1997) traz os conceitos básicos e mais avançados sobre o emprego do
GRAFCET, tais como: programas paralelos, saltos, repetições e inúmeros exemplos práticos.
Conforme mostra BARACOS (1992), existem outros mecanismos que podem ser utilizados no
Grafcet quando estes se tornam maiores e mais complexos. Um deles é acionar outro Grafcet através daação associada a um passo. Este segundo Grafcet evolui e depois retorna para aquele que o acionou.
Como se pode ver na Figura 3.6, a primeira ação do Grafcet ‘programa Principal’ é a transição de
disparo para a primeira ação do Grafcet ‘tarefa 1’, fazendo-o evoluir; quando este termina, sua ação
concluída será a transição que dispara o próximo passo no Grafcet ‘programa principal’.
Outra função importante apresentada na Figura 3.6 é a ação stand-alone, que quando levada à
cabo, força o Grafcet para uma condição de guarda. Por exemplo, o programa principal está evoluindo
normalmente, quando em um momento aleatório o sensor de fumaça é acionado; isto configura um
estado de emergência e alguma atitude deve ser tomada para não causar maiores danos ao sistema.
Neste caso, o programa será forçado a ir para o passo 1 do Grafcet Tarefa 2; ali haverá alguma ação
que, por exemplo, retira a pressão de suprimento em todos os cilindros.
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0
1
&
Sistema de Acionamento
de Cilindros
Título do Grafcet
Número do passo ou
nome do pas so (opcional)
Acão correspondente ao passo
Comentários
Ficha que mostra qual
passo está a tivo (opcional)
Transições e
respectivas numerações
Condição de
acionamento da
transição
Ligação
Passo
Program a alternativo
Fixação
(peça)
1a.
Dobra
Fixação
(peça)
Passo
inicial
L# 20 s
Avanço docilindro A
E4
1
Acão simples (enviar m ensagem)
2a.
Dobra
2
3
4
"Se não fizer a 1a. dobra, faz a segunda"
E1
E2
.
5
Figura 3.5 - Elementos básicos do Grafcet
3.4 UML
Tendo seu início no final dos anos 80 e consolidando-se nos anos 90, a programação Orientada a
Objetos (OO) ainda é hoje, e continuará sendo por mais alguns anos, uma importante ferramenta para o
desenvolvimento de software, principalmente porque a cada dia os programas tornam-se maiores e mais
complexos.
A OO é na verdade uma filosofia de programação e uma mudança de paradigma da programação
estruturada, cuja transição para OO nem sempre é fácil. Por esta razão alguns estudiosos defendem que
esta filosofia seja ensinada no início da vida do programador para livrá-lo dos vícios da programação
estruturada.
RUMBAUGH (1996) define OO como “uma nova maneira de pensar problemas utilizando modelos
organizados a partir de conceitos de mundo real. O componente fundamental é o objeto que combina
estrutura e comportamento em uma única entidade.”Segundo FURLAN (1998), a estruturação do software em objetos oferece modularidade, podendo-
se tomar um subconjunto existente e integrá-lo de maneira diferente em outra parte do sistema.
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1
1
Início B
≈
K concluída
Verdadeiro
Grafcet Tarefa 2
1
1
Início A
≈
N concluída
Verdadeiro
Grafcet Tarefa 1
0
1
Programa principal
2
3
Tarefa2:início B
Tarefa1:início A
Tarefa 1: concluída
Tarefa 2: concluída
≈
Sensor de Fumaça
F/ Tarefa 2:{1} IF Sensor de Fumaça=1
Figura 3.6 - Modo procedural para Grafcet e ação stand alone.
3.4.1 Conceitos Básicos de OO
A seguir serão apresentados, resumidamente, alguns conceitos básicos de OO necessários para o
entendimento do que é modelado neste trabalho. Existe uma vasta literatura disponível onde os
conceitos podem ser aprofundados, podendo-se citar: SCHILDT (1996), SCHILDT (1998), BARRY
(1988), FURLAN (1998), TEPFENHART e WILLIAM (1997), MADEIRA (1995).
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Por se tratar de um assunto amplo e abstrato existem várias interpretações e definições. A seguir
serão apresentadas alguns conceitos básicos, extraído de FURLAN (1998).
• Objeto – É um elemento que representa uma entidade real. Uma variável de um tipo definido
pelo usuário. Pode parecer estranho no início pensar em um objeto, que liga código e dados,
como uma variável. No entanto, na programação OO, é exatamente isto que ocorre. Quando se
define um objeto, está implicitamente criando um novo tipo de dados.
• Classe – Agrupamento de objetos similares que apresentam os mesmo atributos e operações;
• Atributos – Característica particular de ocorrência da Classe;
• Operações – Lógica contida em uma classe para designar-lhe um comportamento;
• Mensagem – Uma solicitação entre objetos para invocar certa operação;
• Herança – Compartilhamento pela subclasse dos atributos e operações da classe pai;
• Instância de classe – Uma ocorrência específica de uma classe. É o mesmo que objeto;
• Generalização – Atributos e operações comuns compartilhados por classes.
3.4.2 Histórico e Definições da UML
UML são as iniciais de Unified Modeling Language, em português traduzida como Linguagem de
Modelagem Unificada, que promove a padronização da linguagem de desenvolvimento OO para
visualização, especificação, construção e documentação de sistemas. A UML é proposta como a
linguagem definitiva para modelagem de sistemas OO que, por ser unificada, facilita que grupos de
desenvolvimentos de software interpretem de uma maneira correta e sem ambigüidades modelos
gerados por outros analistas ou grupos de desenvolvimento.
Um dos conceitos iniciais por trás da UML é acabar com a chamada “guerra de métodos” dentro da
comunidade da OO. Os principais criadores de métodos Grady Booch (BOOCH), James Rumbaugh
(OMT) e Ivar Jacobson (OOSE) retiraram o que havia de melhor em suas metodologias, juntaram-nas e
criaram a UML.
3.4.3 Tipos Diferentes de Sistemas
A meta da UML é descrever/modelar qualquer tipo de sistema, em termos de diagramas de OO.
Naturalmente, o uso mais comum é a criação de modelos de sistemas de software, mas a UML
pode também ser utilizada para descrever sistemas mecânicos sem qualquer software ou a
organização de um negócio. Aqui estão alguns diferentes tipos de sistemas e principais
características dos sistemas técnicos, por ser o foco deste trabalho:
• Sistemas de Informação;
• Sistemas residentes de tempo-real;
• Sistemas Distribuídos;
• Sistemas de Software;
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• Sistemas de Negócios;
• Sistemas Técnicos: Trabalham e controlam equipamentos técnicos, como telecomunicações,
sistemas militares, ou processos industriais. Precisam manipular interfaces específicas dos
equipamentos e possuem menos software padronizados do que os sistemas de informação.
São freqüentemente sistemas de tempo-real.
3.4.4 Diagramas na UML
Um diagrama é a representação gráfica de um conjunto de elementos, geralmente representados
como símbolos e arcos (relacionamentos). São desenhados para permitir a visualização de um sistema
sob diferentes perspectivas; nesse sentido, um diagrama constitui uma projeção de um determinado
sistema. São os seguintes os que compõem a UML:
1 Diagrama Caso de Uso;
2 Diagramas Interação :
2.1 Seqüências;
2.2 Colaborações;
3 Diagrama de Classes;
4 Diagrama de Objetos;
5 Diagrama de gráficos de Estados;
6 Diagrama de Atividades;
7 Diagrama de Componentes;
8 Diagrama de Implementação.
Apesar da UML dispor destes 9 diagramas, não necessariamente o projetista irá utilizar todos na
modelagem do sistema. Para modelar um Sistema Técnico de tempo real, alguns autores como COLLE
(1999) utilizam os diagramas de: interação, estados e de Implementação. Por outro lado, trabalhos como
o de McLAUGHLIN e MOORE (1998) empregam: Caso de Uso, Colaboração (Seqüência e
Colaborações), Classe, Atividades e implementação. Já SELIC e RUMBAUGH (1998) usam: Classe,
Colaboração, Estados. Em DOUGLASS (1999) vê-se: Caso de uso, Estados, Seqüência. Diante deste
exemplos é fácil observar que não existe uma forma única e rígida estabelecendo quantos e quais
diagramas devem ser usados. A escolha dependerá do tipo de sistema a ser modelado, sua
complexidade, tempo disponível, experiência do projetista etc. Por isto existe um campo de estudos na
UML que trata exclusivamente da modelagem de sistemas de tempo-real. A literatura é farta e ampla.
3.4.5 Mecanismos de Extensibilidade
A UML fornece uma linguagem-padrão para a elaboração de estrutura de projetos de software, mas
não é possível que uma única linguagem fechada seja suficiente para expressar todas as nuances
possíveis de todos os modelos em qualquer domínio. Por isso, a UML é aberta-fechada, permitindo queo usuário amplie a linguagem de uma maneira controlada. Para isto são definidos os mecanismos de
extensibilidade, a saber: Estereótipo, Valores atribuídos e Restrições (BOOCH, 2000). Será destacado
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apenas o primeiro, pois é o único empregado neste trabalho. Portanto, um estereótipo amplia o
vocabulário da UML, permitindo a criação de novos tipos de blocos de construção que são derivados dos
já existentes, mas específicos a determinados problemas. O estereótipo aparece no diagrama entre <<
>>. Existem vários estereótipos com semântica predefinida na própria UML, tais como: <<usa>>,
<<estende>>, <<envia>> etc. Porém, o usuário pode definir outros, a depender do seu modelamento.
Porém, é importante que o projetista esteja convicto da real necessidade de criar novos estereótipos
certificando-se de que os existem não contemplam suas necessidade.
3.4.6 Apresentação dos Diagramas
Aqui serão definidos e exemplificados os diagramas e seus elementos utilizados neste trabalho,
extraídos de BOOCH et al.(2000), FURLAN (1998) e das Especificações 1.3 da UML (UML, 2000).
Diagrama de Caso de Uso – Exibe um conjunto de casos de uso, atores e seus relacionamentos,
(Figura 3.7) a saber:
• Caso de Uso – Tem o propósito de definir o comportamento de uma classe passiva sem
revelar sua estrutura interna. São empregados para especificação de necessidades e funcões
oferecidas por uma classe. É, ainda, a linguagem de alto nível, compreensível para pessoas
não familiarizadas com software.
• Atores – O mundo externo é representado por atores que desempenham papéis. O ator é um
agente que interage com o sistema, um tipo de usuário ou categoria com papel definido,
podendo incluir seres humanos, máquinas (computador, fresa etc), dispositivos (sensores,
relés, disjuntores etc.).• Interação em Caso de Uso – O ator comunica-se com o sistema através do envio e
recebimento de mensagens, sendo que um caso de uso é sempre inicializado a partir do
momento que um ator envia sua mensagem (estímulo).
Sistema
Ator_1
Ator_2
caso de uso 1
caso de uso 2
caso de uso 3
**
«extends»
*
*
*
*
Figura 3.7 – Elementos do diagrama de Caso de Uso
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Diagrama de Classes – Este diagrama é a essência da UML. Trata-se de uma estrutura lógica
estática em uma superfície de duas dimensões mostrando uma coleção de elementos declarativos
(figura 3.8). No primeiro compartimento são descritos os atributos e no segundo as operações. Cada um
dos atributos têm a sua visibilidade estabelecida, ou seja uma enumeração cujo valor (pública, privada e
protegida) denota como o elemento de modelo é visto fora de seu espaço, quer dizer, como ele é visto
fora de sua classe pelas outras classes. Existem quatro tipos de relacionamento entre as classes:
Generalização (especificação), Agregação, Associação e Dependência, as definições e explicações a
respeito destes relacionamentos podem ser encontrados em qualquer bibliografia que aborda a OO,
entre estes tem-se FURLAN (1998).
Pública
Privada
Protegida
Classe 2
Nome da Classe
statusSensor cor tipoPeça
operação_1()
Classe 3
Assoc iaç ão
Generalização
Figura 3.8 – Classe e seus elementos.
Diagrama de Seqüência - Os diagramas de caso de uso e de classe representam a parte estática
do sistema, sendo que para modelar a parte dinâmica são empregados os Diagramas de Interação. Este
é o nome genérico que se aplica aos vários tipos de diagramas que abordam interações entre objetos.
Dos diagramas existentes, apenas os de Seqüência e de Colaboração são contemplados pela UML.
Como suas funções são similares, a opção fica ao critério do projetista. O de seqüência dá uma idéia
temporal e a ordem em que as interações acontecem, enquanto o de colaboração representam melhor
como os objetos são conectados estaticamente. Neste trabalho foi empregado o de seqüência.
As interações consistem em um conjunto de objetos e seus relacionamentos, incluindo as
mensagens que podem ser trocadas entre estes. Na Figura 3.9 é mostrado um exemplo deste tipo de
diagrama, bem como seus elementos, a leitura deve ser de cima para baixo e da esquerda para direita.
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Objto1 Objeto2 Objeto3
mensagem_1
retorno
mensagem_3[se relé acionado ] mensagem_4autodelegaçãoTempo de ativação
do objeto
condição de guarda
linha
de vida
Figura 3.9 – Diagrama de Seqüência.
3.4.7 Métodos de Desenvolvimento de Software e Ferramentas de suporte
Como a UML está bastante difundida, é natural que surjam métodos para o desenvolvimento de
software com características específicas para tipos diferentes de sistemas, como por exemplo:
• Métodos de desenvolvimento de software em larga escala: Rational Unified Process (RUP) e
Catalysis.
• Métodos de desenvolvimento de software em pequena escala: eXtreme Programming, Wisdom.
Todas as metologias de projeto de software podem se beneficiar do uso de ferramentas CASE(Computer Aid Software Engineering ). Sem estas ferramentas a metodologia pode se tornar muito
trabalhosa quando empregada em sistemas grandes e muitos dos seus benefícios poderiam se tornar
irrelevantes diante do esforço desprendido para empregá-la, inviabilizando-a.
O presente trabalho não abordará o projeto de software. Logo, ao leitor que deseje estabelecer a
vinculação do Grafcet e da Rede Cana/Agência com a UML e, consequentemente, com o
desenvolvimento do software de automação, recomenta-se a leitura da dissertação de mestrado do Eng.
Fred Henrique S. Paes.
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4 Conceituação e Modelagem de Sistemas Automáticos
No capítulo 2 discutiu-se aspectos gerais sobre a modernização de centrais hidrelétricas a qual é
caracterizada pela automação da usina e melhoria nos controladores de velocidade e tensão. O
presente capítulo visa a uniformização de conceitos ligados aos sistema automáticos e a definição de
sua estrutura.
Inicialmente apresenta-se o entendimento acerca dos termos sistema de automação e sistema de
controle, já empregados anteriormente.
Sistema de Automação: Emprega-se esta denominação quando se interpreta que um conjunto de
componentes interconectados tem como função principal a realização de uma ou mais ações segundo
uma lógica pré-determinada e em resposta à ocorrência de eventos ou condições. As ações podem sero avanço ou recuo de um cilindro, o acionamento ou não de uma válvula, o acionamento ou parada de
um motor elétrico, pneumático ou hidráulico. Os eventos correspondem a sinais decorrentes do término
de uma tarefa ou à mudança do estado de um dispositivo, caracterizando-se por serem abruptos e
instantâneos; as condições são sinais que permanecem em um determinado nível alto ou baixo durante
um certo tempo normalmente caracterizando um estado de um dispositivo.
A figura 4.1 apresenta o circuito elétrico de automação de uma unidade hidráulica identificando-se
as entradas como pressões mínima e máxima e comandos de seleção de bombas, bem como os
acionamentos das bombas. A figura 4.2 mostra o circuito hidráulico acionado por este circuito elétrico.
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Figura 4.1 – Diagrama de circuito elétrico da unidade hidráulica - RVX300 UHE Cham
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Figura 4.2 – Diagrama de circuito hidráulico da unidade hidráulica Chaminé - RVX300 UHE Chaminé
Sistema de Controle: Esta denominação é empregada quando se interpreta que um determinado
conjunto de componentes interconectados tem como função principal a realização de uma ou mais
ações que são observadas ao longo do tempo e cuja modificação decorre da aplicação de sinais de
entrada. Estas ações podem ser o controle (ou regulagem/regulação) de posição, velocidade ou força
em um cilindro, ou de vazão ou pressão em um circuito. O comportamento destas variáveis é observado
no tempo, isto é, está-se interessado em verificar, por exemplo, em quanto tempo uma posição éalcançada ou qual a magnitude das oscilações e picos de pressão que estão ocorrendo no circuito.
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A figura 4.3 apresenta um diagrama de um circuito eletro-hidráulico de controle de posição de um
anel distribuidor em uma turbina. Ao projetar este tipo de sistema é de interesse observar a forma da
resposta em diferentes valores de referência. Não há uma condição de ligar e desligar as válvulas e sim
controlar a posição destas a fim de alcançar a posição correta do atuador hidráulico (servomotor).
VELOCIDADE DEREFERÊNCIA
1V1
CGIP
1V2
DISTRIBUIDOR
1ALVDT
NOTAÇÃO COMPONENTE
1A Atuador Hidráulico
1V1 Válvula Proporcional
1V2 Válvula Distribuidora
LDVD Transdutor de Posição
C Controlador
Figura 4.3 – Exemplo de sistema de controle de posição eletro-hidráulico.
O termo automação tem uma abrangência maior que controle, pois algumas ações lógicas,
quando observadas mais detalhadamente, incluem tarefas de controle. É caso, por exemplo, da válvula
de alívio F1 (figura 4.2) cujo comportamento pode ser analisado como aberta ou fechada ou então com
relação ao tempo de abertura e fechamento e a sua influência nos picos de pressão provocados no
circuito hidráulico. Assim, dentro de um conjunto de ações logicamente encadeadas normalmente tem-
se vários sistemas de controle.
Tem-se adotado o termo sistema automático para designar uma aplicação que envolva
automação e/ou controle, ou seja, pode-se observar o problema segundo uma visão lógica ou então de
maneira mais aprofundada, avaliando, ao longo do tempo, a resposta da posição, força, velocidade,
vazão ou qualquer outra variável.
Para que se possa projetar, instalar ou realizar a manutenção de um sistema automático, isto é, de
um sistema de automação e/ou controle, é importante que se entenda claramente quais suas partes
principais e como são interligadas. Neste sentido, um sistema automático pode ser decomposto em duas
partes: um subsistema de informação e um subsistema energético/material, conforme representado na
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figura 4.4. O sistema de informação engloba os equipamentos que processam sinais e dados, tais
como computadores, controladores lógicos programáveis, controladores analógicos e digitais, circuitos
elétricos, válvulas de processamento de sinais (válvulas ‘E’ e ‘OU’), entre outros. Por sua vez, o sistema
energético/material (processo) sintetiza as partes de máquinas e equipamentos que transformam ou
processam energia e/ou matéria.
Um circuito hidráulico pode ser citado como um sistema energético pois sua operação baseia-se na
conversão, transferência e controle de energia hidráulica. Um sistema material pode ser exemplificado
através de uma linha de produção, que recebe matéria prima e, após diversas operações como
separação, usinagem, transporte, empacotamento etc., fornece o produto acabado.
Assim, conforme indicado na figura 4.4, o sistema de informação deve ser capaz de extrair
informações da parte energético/material, processá-las e, posteriormente, utilizá-las para alterar o
funcionamento deste. Além da troca de informações entre estes dois subsistemas, há também o
recebimento e fornecimento de energia (ene), matéria (mat) e informação (inf) em relação ao ambiente
externo.
Sistema deInformação
SistemaEnergético/
Material
inf inf
inf inf
ene/mat
ene/mat
Sistema Automático
Ambiente Externo
Figura 4.4 - Representação de um sistema automático
Aplicando-se o mecanismo de refinamento de rede C/A (ver capítulo 3) ao modelo
funcional/estrutural condensado de um sistema automático (figura 4.4), chega-se ao modelo da figura
4.5 em que são evidenciados os sistemas de medição (SM) e de atuação (SA) que concretizam o fluxo
de informações interno. Estes sistemas são os únicos que possuem tanto fluxo energético e/ou material
como de informação em suas fronteiras.
Deste modo, os sistemas de medição são responsáveis pela extração de informações do meio
físico, ou seja, pela medição de grandezas físicas. Exemplos destes são os pressostatos R1 a R4 e o
sensor de nível Y indicados na figura 4.2. Os sistemas de atuação cumprem a função contrária aos
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sistemas de medição, isto é, são responsáveis pela modificação de atributos energéticos ou materiais
em resposta às informações provenientes da parte de informação do sistema automático. Como
exemplo tem-se o conjunto mostrado na figura 4.3 formado por duas válvulas proporcionais, servomotor,
transdutor de posição e controlador que cumpre a função de controlar posição.
Em determinadas situações são identificados sistemas que cumprem simultaneamente as funções
de medição e atuação, sendo designados de sistemas de atuação e medição (SAM). Os componentes
que manipulam somente com energia e/ou matéria estão agrupados na atividade de processamentos de
energia/matéria. Do mesmo modo, os tratamentos de informações sem interação com a energia e/ou
matéria estão identificados pela atividade de processamentos de informações.
SMinf
SAinf
SMene/mat
inf
SAene/mat
inf
Recursos de Informação
Recursos Energéticos/Materiais
Processamentos deInformações
Processamentos deEnergia/Matéria
ene/mat
ene/mat
Sistema Ene/mat
Sistema inf
Sistema Automático
inf inf
Ambiente externo
SASM
Figura 4.5 - Modelo funcional/estrutural refinado de um sistema automático.
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5 Modelagem de Centrais Hidrelétricas
5.1 Sistematização do Detalhamento de Centrais Hidrelétricas
Partindo-se da estrutura geral de um Sistema Automático apresentada no capítulo 4 (Figura 4.5),
especificamente com respeito ao subsistema de Energia/Matéria, são descritas as partes funcionais e
estruturais de uma Usina Hidrelétrica genérica, conforme Figura 5.1. Nesta figura é mostrado o
encaminhamento para a modelagem, através de diagramas genéricos, a qual será adotado neste
trabalho. Inicialmente é escolhida uma rede C/A básica de um central hidrelétrica correspondente ao tipo
de turbina a ser empregada (Francis, Kaplan ou Pelton). A seguir é construída a rede da usina como um
todo, deste a barragem até a geração de energia elétrica e saída a jusante. Neste instante são
identificados todos os sistemas de atuação (SA), medição (SM) e de atuação-medição (SAM).
No próximo passo, tendo-se identificado os sistemas, verifica-se a necessidade de detalhá-los, ou
seja, refiná-los de acordo com a complexidade do mesmo. O último passo dependerá da experiência e
do discernimento do projetista e do nível de detalhamento pretendido, podendo optar por diferentes
formas de representação. No primeiro caso, poderá continuar representando por rede C/A. Outra
possibilidade é representar o sistema através de diagramas (mecânico ou elétrico) próprios da área de
implementação e, portanto, amigáveis aos profissionais que irão executar a tarefa. Na figura 5.1, o
direcionamento é mostrado seguindo-se as setas.
Em seguida realiza-se a decomposição da parte de informação do sistema automático. Neste
momento é utilizada uma rede C/A para representar o supervisor que comanda os subsistemas que
compõe o funcionamento da usina, bem como os canais que interligam estes subsistemas. A partir desta
rede, são construídos os Grafcet’s hierarquizados dos coordenadores que representam o
comportamento do sistema e o diagrama de Caso de Uso que fará a ponte de ligação entre as
representações físicas e a construção do software de comando do sistema. Com base nos Grafcet’s de
cada um dos coordenadores, cada caso de uso dá origem a um diagrama de seqüência. Através das
mensagens que chegam a cada um dos objetos nos diagramas de Seqüência e na estrutura dodiagrama de Caso de Uso, é construído o diagrama de Classes. Por fim, constrói-se o programa (código
fonte) utilizando-se, por exemplo, linguagem C++. A Figura 5.2. mostra este encaminhamento, o qual
está ilustrado através das setas.
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SMinf
SAinf
SMene/mat
inf
SAene/mat
inf
Recursos de Informação
Recursos Energéticos/Materiais
Processamentos deInformações
Processamentos deEnergia/Matéria
ene/mat
ene/mat
Sistema Ene/mat
Sistema inf
Sistema Automático
inf inf
Ambiente externo
SASM
CPU de Controle,Transdução e Comunicação
CLP
ModBus
SM
SA
SAM
SM
UHP - UnidadeHidráulica de
Potência
Válvulade
AdmissãoSistem
aDistribuidor
SM
SAM SMSA
MSAM
inf inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
SAM
Sistema
Ator_1
Ator_2
caso de uso 1
caso de uso 2
caso de uso 3
**
«extends»
*
*
*
*
Coordenador
Geral
Coordenador de Partida
partida parar
Coordenado de
Parada
parada
travAplicada
desexcitação
partiuvariação dacarga
ref_carga/freq
RVpronto
temp_ excessivo
fim_desexcitação
desexcitarCoordenad
or deDesexcitaçã
o
Classe 2
Nome da Classe
statusSensor cor tipoPeça
operação_1()
Classe 3
Associação
Generalização
S1 - açãoPasso
n
Passon+1
Passon-1
&
E1E2
Ej
Objto1 Objeto2 Objeto3
mensagem_1
retorno
mensagem_3[se relé acionado ]mensagem_4autodelegaçãoTempo de ativação
do objeto
condição de guarda
linha
de vida
Rede C/A inf com SM, SAe SAM
Rede C/A da CPU/CLP
Diagrama de Caso de Uso
Diagrama de Sequencia
Diagrama de Classes
Implementação do código
Grafcet dos Coordenadores
Figura 5.2 - Encaminhamento para o detalhamento da parte de informação de uma central hidrelétrica.
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5.2 Modelos Funcionais/Estruturais Básicos de Centrais Hidrelétricas
5.2.1 Componentes principais de centrais hidrelétricas
Na Figura 5.3 é apresentada uma usina hidroelétrica de grande porte, no caso a binacional de
Itaipu (ITAIPU, 1998) que utiliza turbinas tipo Francis. O objetivo neste instante é mostrar uma visão
geral de usina e identificar equipamentos, partes constituintes e suas disposições. Como definido na
seção 2.1, o que caracteriza uma PCH é, principalmente, sua potência instalada e não suas obras civis e
dimensões dos equipamentos. Este fato justifica o emprego de uma usina de grande porte para mostrar
algumas partes constituintes, fazendo uma analogia com as pequenas centrais.
Dentro dos objetivos deste capítulo, pode-se extrair desta figura os componentes principais de uma
central hidrelétrica, os quais são:
• Barragem: Reservatório, Grades de proteção, Comporta e Verdetores• Captação e condutos de adução de água: Condutos de baixa pressão e forçados e Chaminé
de Equilíbrio
• Casa de Máquinas: Turbina e Gerador Elétrico
• Restituição de água: Tubo de sucção
A numeração presente na figura refere-se a partes listadas abaixo:
01 - Fundação da barragem;
04 - Sistema de excitação, acesso à carcaça do gerador e regulador de velocidade;
05 - Transformadores elevadores;
06 - Piso dos geradores e salas de controle local;
07 - Sistema de ventilação;
08 - Galeria de cabos;
10 - Painéis principais do serviço auxiliar AC e sala dos geradores diesel;
11 - Serviço auxiliar da barragem;
12 - Central hidráulica das comportas.
A barragem consiste de uma área inundada onde a água é represada, direcionada e forçada apassar por um duto (duto forçado), depois de ultrapassar a grade de proteção.
O sistema de canalização (captação, adução e restituição) de água é responsável por conduzir a
água contida na barragem até a entrada da turbina e também da saída da turbina até a descarga no leito
do rio, a jusante da usina. Cada turbina possui canalizações de entrada e de descarga, configuradas de
acordo com o seu tipo, conforme serão descritas em seções posteriores, correspondentes a cada uma
delas.
A turbina e a parte de transmissão de energia mecânica para o gerador fazem parte do grupo-
gerador (casa de máquinas) e caracterizam o sistema de conversão de energia hidráulica em energia
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mecânica. O primeiro componente da turbina é o caracol, o qual se trata de um tubo de seção
transversal variável disposto na forma de um caracol em torno da turbina. Sua principal função é receber
a água que chega da barragem através da canalização e conduzi-la para o interior da turbina.
Macroscopicamente o eixo é considerado um elemento mecânico de transmissão de energia e não
mereceria maiores atenções. No entanto, se observado com maior cuidado, o eixo mecânico apresenta
diversos detalhes que devem ser levados em consideração no processo de automação da usina.
Primeiramente é do eixo que se obtém a informação de rotação do conjunto. Além disso, o eixo possui
mancais que, por operarem com valores de força elevados, devem ser monitorados com relação à
temperatura e pressão do óleo de lubrificação. Em alguns casos, existe um circuito de resfriamento
envolvendo também a medição de vazão e o acionamento de bomba para circulação deste óleo. O
trocador de calor é formado por uma serpentina que passa por dentro do óleo e utiliza a água
proveniente do caracol para o resfriamento. Estes mancais destinam-se a contenção de esforços radiais
e/ou esforços axiais, este último sendo chamado mancal de escora.
TurbinaGerador
Tubo de adu ão
Tubo de Sucção
Barragem
Figura 5.3 - Vista em corte de um central hidrelétrica empregando turbina Francis (ITAIPU, 1998).
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Também como parte da casa de máquinas encontra-se o sistema de conversão de energia
mecânica em elétrica sendo composto basicamente por: gerador, disjuntor e barramento elétrico. No
gerador entra energia mecânica na forma de torque e rotação através do eixo, e sai energia elétrica com
freqüência e tensão reguladas para o barramento, que por meio do disjuntor será ligado à rede elétrica.
A potência elétrica gerada é função da potência mecânica transmitida pelo eixo, e é um dos
principais itens a serem controlados pelo sistema de automação e controle.
5.2.2 Turbinas hidráulicas
As turbinas hidráulicas empregadas nas centrais hidrelétricas são de duas classes: as de ação e as
de reação. As primeiras têm como principal expoente as turbinas Pelton. Nestas, a água atua sobre o
rotor por meio de uma ou várias direções tangenciais. Nas de reação, tipo as Francis, a água chega
radialmente e nas Axiais, como as Kaplan, a água, como o próprio nome sugere, chega axialmente
sobre o rotor. Nestas duas últimas, a água ao atravessá-las é desviada em ângulo reto para descarregar
no sentido paralelo ao eixo de rotação.
A seguir, será apresentada uma visão mais detalhada deste três tipos de turbina. Com ênfase maior
para a Francis, por ser o tipo utilizada na usina que será modelada detalhadamente no capítulo 6.
Nas representações das três turbinas inicia-se a abordagem apresentando uma figura esquemática
ilustrando as partes constituintes e, em seguida, é apresentada uma rede C/A básica correspondente acada uma. Vale ressaltar que os esquemas ilustrativos são importantes num primeiro momento,
principalmente para aqueles não familiarizados com a área, pois tem-se a idéia real de uma turbina, não
sendo necessário enfatizar detalhes. Por outro lado, esta representação não formaliza como ocorre o
fluxo de recursos pela central hidrelétrica. Entretanto, ao avançar-se no desenvolvimento do projeto, é
preciso ter uma visão diagramática formal, pois o projetista necessita ater-se a detalhes. Neste instante,
pode-se empregar a representação através das redes C/A pois estas têm o compromisso de serem
formais e identificam os principais componentes e seus detalhes, num nível de refinamento determinado
pelo projetista. Por outro lado, pode-se também verificar as interconexões entre os diversos
componentes. Estas características são umas das principais vantagens ao empregar as redes C/A, já
que são formais e bastante legíveis para os vários perfis profissionais, podendo-se associá-las
instantaneamente a desenhos e fotografias - conforme será visto ao longo das seções seguintes.
5.2.2.1 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Francis
A turbina Francis possui diversos elementos e entre estes está o caracol, cuja função é conduzir
radialmente a água vinda da barragem para seu interior. Sua seção transversal variável, inicialmente
maior, vai reduzindo conforme se aproxima ao rotor. Isto é feito para aumentar a energia cinética no
rotor de maneira a propiciar que a maior parte da energia potencial proveniente da queda d’água seja
transformada em energia mecânica na turbina. Na saída da turbina há o tubo de sucção onde a seção
transversal é significativamente maior que a da entrada para que a água, ao deixar a turbina, tenha uma
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energia cinética compatível com a velocidade da água do rio. Se assim não fosse, a energia seria
dissipada no momento do encontro. Portanto, a finalidade do tubo de sucção com maior seção
transversal é permitir a recuperação eficiente da energia na velocidade que sai da turbina, de modo que
a eficiência da mesma seja maximizada, chegando a 94-95% segundo MACINTYRE (1983). Como dito
anteriormente, estas turbinas são do tipo reação e, além disso, também são de ação total pois a água
atua simultaneamente em todos as pás do rotor. Quando são de média a grande dimensões, existe
ainda um pré-distribuidor. As montagens podem ser com a turbina na vertical ou horizontal e o que
diferencia entre tais disposições são os tipos de apoios solicitados por cada uma das montagens. Na
Figura 5.4, é mostrada uma turbina Francis disposta verticalmente. Esta figura evidencia as dimensões
do Caracol, Rotor, Anel Distribuidor e o servomotor que atua sobre este. O anel distribuidor está ligado
às pás guias que, por sua vez, conduz a água em direção às pás do rotor, fazendo-o girar.
Figura 5.4 - Turbina Francis disposta verticalmente (LITTLER,1996).
Ao conjunto composto pelas pás móveis, anel distribuidor e o servomotor com o circuito de controle
de posição correspondente é dado o nome de Sistema Distribuidor . A função das pás é direcionar a
água que chega através do caracol, mudando o ângulo de entrada em relação às pás do rotor. O
objetivo é dar para cada valor da descarga, o ângulo mais conveniente de entrada da água no receptor,
propiciando um escoamento com um mínimo de perdas hidráulicas. Todas as pás possuem um eixo derotação paralelo à turbina e, graças ao mecanismo constituído por um anel concêntrico ao distribuidor e
ligado às pás por bielas, podem girar simultaneamente de um mesmo ângulo, fazendo a seção de
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escoamento variar de um máximo (admissão máxima) até o fechamento total. Com isto, pode-se
controlar a potência transferida da água ao rotor, controlando a potência gerada pela turbina
Por sua vez, o rotor é o elemento central da turbina, responsável por transformar a energia
hidráulica contida na água em energia mecânica. É constituído de pás fixas que possuem determinada
curvatura cuja função é mudar a direção do fluxo da água. O rotor realiza a conversão de energia
através da variação da quantidade de movimento da água que passa através dele. A rotação e o torque
gerados no rotor são transmitidos para os processos seguintes através de um eixo (CASTELANI et al.,
2000).
Em vista dos componentes básicos de uma Central Hidrelétrica apresentados na seção 5.2.1 e dos
elementos de uma turbina Francis descritos acima, é possível construir uma descrição formal das
funções e também da estrutural geral de uma CH típica que empregue turbina Francis, conforme
mostrado na figura 5.5. Nesta Rede C/A percebe-se a disposição vertical do fluxo de água proveniente
do duto de adução e saindo após o tubo de sucção. Junto ao rotor da turbina, na direção horizontal, está
representado o eixo que une ao gerador bem como os mancais de apoio/escora. A Unidade de Potência
Hidráulica (UPH) indicada nesta figura é quem gera energia para todos os sistemas de atuação
hidráulicos da usina.
UHP Caracol
H2O
SistemaDistribuidor
Rotor
H2O
EH Regulador Velocidadeinf
Tubo deSucção
H2O
H2O
Mancal EMGerador EMMancal EM
Regulador Tensão
inf
H2O
MancalEM
EE
Figura 5.5 - Rede C/A geral de usina usando Turbina Francis
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5.2.2.2 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Kaplan
As turbinas Kaplan têm o princípio de funcionamento parecido com às Francis diferindo
essencialmente em função do ângulo de incidência da água sobre o rotor que é axial, ao invés de radial.
Na Francis são movimentadas as aletas do distribuidor e na Kaplan, além destas, também são
movimentadas as pás do rotor que, por sua vez, necessitam de mais energia que os servomotores que
movimentam as aletas do distribuidor.
O rotor da turbina Kaplan assemelha-se ao de um navio cujas hélices, tipicamente entre 4 a 6, são
ajustáveis para apresentar um ângulo ótimo. Esta capacidade de otimizar o desempenho do rotor
possibilita manter um eficiência de cerca de 94%, mesmo tendo uma grande variação de velocidade e
potência de saída; que é maior que a Francis.
A Figura 5.6 apresenta uma representação esquemática da turbina Kaplan evidenciando suas
principais partes construtivas. É importante ressaltar que a literatura trata indistintamente os termos
Caracol e Sistema espiral, dando-lhe o mesmo sentido. A instalação deste tipo de turbina é usualmente
na vertical (LITTLER,1996).
Sistema Espiral (Caracol)
duto de sucção
Sistema distribuidor Rotor
Mancal
Figura 5.6 - Turbina Kaplan (LITTLER,1996).
Na Figura 5.7 é mostrada uma representação diagramática usando rede C/A geral para determinar
os equipamentos de uma usina que utiliza turbina Kaplan. Aqui fica documentado o fluxo de
energia/matéria e dos sinais de informação envolvidos no funcionamento da turbina.
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UHP Caracol
H2O
SistemaDistribuidor
SistemaRotor
H2O
EH Regulador Velocidadeinf
Tubo deSucção
H2O
H2O
Mancal EMGerador EMMancal EM
Regulador Tensão
inf
EE
MancalEM
H2O
Figura 5.7 - Rede C/A geral de usina que utiliza Turbina Kaplan.
5.2.2.3 Centrais Hidrelétricas com Turbinas Pelton
Como já mencionado, esta turbina é classificada como de ação, pois os bicos injetores (bocais)
agem regulando o volume d’água que incide sobre as pás (conchas) do rotor, controlando sua
velocidade.
Os bicos injetores ou bocais são constituídos por um sistema de agulhas que regulam e direcionam
o fluxo da água de forma apropriada, proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá que funciona como
um receptor, fazendo o rotor girar. De fato, podem ser vários bocais que em geral são em número de 4.
Conforme mostrado no Figura 5.8, o receptor é formado por um certo número de pás com a forma de
concha especial, dispostas na periferia de um disco que gira, preso ao eixo. A pá possui um gume
médio, que fica sobre o plano médio da roda, dividindo simetricamente o jato desviando-o lateralmente
Este tipo de turbina possui também um defletor de jato que intercepta o jato, desviando-o das pás,
quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Caso isto ocorra,uma atuação rápida da agulha reduzindo a descarga poderia provocar uma sobre pressão no bocal, nas
válvulas e ao longo do encanamento adutor. O defletor volta à posição primitiva liberando a passagem
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do jato logo que a agulha assume a posição que convém, para a descarga correspondente à potência
absorvida.
As Pelton de potência elevada possuem, ainda, um bocal de frenagem que faz incidir um jato nas
costas das pás, no sentido contrário de rotação, quando se deseja frear a turbina rapidamente
(MACINTYRE, 1983).
Figura 5.8 - Corte transversal de uma turbina Pelton de dois jatos (MACINTYRE, 1983).
Assim como foi feito para as outras turbinas, na Figura 5.9 é apresentada a rede C/A para uma
central hidrelétrica empregando turbina Pelton. É importante acrescentar que após água alcançar o rotor,
o fluxo de energia e matéria segue caminhos similares aos das outras turbinas, até geração da energia
elétrica
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UHP
Sistema de Agulha
H2O
SistemaDefletor
Rotor
H2O
EH Regulador Velocidadeinf
Canal deFuga
H2O
H2O
H2O
Sistemade Freio
H2O
Mancal EMGerador EMMancal EM
Regulador Tensão
inf
EE
MancalEM
Figura 5.8. Rede C/A geral de usina com turbina Pelton
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6 Modelagem da PCH Herval
6.1 Introdução
Nos capítulos anteriores deste trabalho foi mostrada a importância das PCH’s no cenário nacional e
suas perspectivas, bem como a viabilidade de implantação e as opções para sua modernização. Além
disto, foram descritas algumas das partes principais constituintes destas centrais e também as
ferramentas que podem auxiliar na descrição e documentação dos projetos.
Até este ponto do trabalho, a intenção foi ressaltar a importância de uma boa documentação no
processo de automatização/modernização dos sistemas em geral. Nos sistemas mecatrônicos, em
especial, é fundamental a sistematização e documentação das atividades de projeto. Visando encontrar
uma proposta de modelagem que atenda estes requisitos, analisa-se no restante deste capítulo um caso
real de automatização de central hidroelétrica, especificamente a Pequena Central Hidroelétrica de
Herval.
A central em questão é composta por duas unidades de geração de energia elétrica independentes.
Cada uma destas é composta por três subsistemas principais, um de canalização de água, um de
conversão de energia hidráulica em energia mecânica e, por último, um de conversão de energia
mecânica em elétrica. Além disso, a central contém sistemas que são comuns a ambas as unidades de
geração de energia. Estes sistemas são a unidade de potência hidráulica (UPH) e outros referentes à
barragem, como vertedouro e medição de nível de água.
6.2 Caracterização da PCH Herval
A modernização da Usina Hidroelétrica (UHE) de Herval, localizada no município de Santa Maria do
Herval, no estado do Rio Grande do Sul, foi requisitada pela Companhia Estadual de Engenharia
Elétrica, CEEE. A Usina foi posta em operação em 1941 realizada uma automação completa em
agosto do ano 2000. O processo de automatização foi realizado por um consórcio de empresas
capitaneadas pela REIVAX Automação e Controle Ltda. Para cada uma das participantes coube:
• CONENGE Controle e Automação Ltda.: projeto hidráulico e montagem;
• ALTUS Sistema de Informática S/A : projeto e programação de CLP;
• REIVAX Automação e Controle Ltda.: Reguladores de Velocidade e Tensão. Integração e
gerenciamento
Na automação de centrais anteriores a Reivax utilizava Regulador de Velocidade (RVX200 ouRVX300) e Regulador de Tensão (RTX 300 ou RTX400), separadamente. Neste projeto utilizou, pela
primeira vez, o RTVX 100 que é um regulador de velocidade e de tensão numa mesma CPU.
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Os principais equipamentos utilizados na PCH de Herval são:
• 02 turbinas tipo Francis5, fabricadas por Escher Wyss.
• Rotação: 10.000 RPM/50 Hz
• Potência: 720 kW
• Vazão: 0,77 m3/s
• Servomotor (atuador hidráulico)
• Gerador:
• Fabricante: Siemens Schuckert
• Potência: 900 kVA
• Excitatriz rotativa
• Potência: 8,8 kW
• Rotação: 1000 RPM
6.3 Modelagem Funcional/Estrutural e Comportamental
Como pode-se observar pelo número de empresas consorciadas e, consequentemente, o número
de profissionais de diferentes perfis envolvidos, é necessária a adequada documentação de todas as
informações manipuladas neste projeto de modo a minimizar problemas devido a:
• Dificuldade em gerenciar as decisões de projeto;
• Dificuldade de uma visão geral;
• Informações conduzidas por diversos profissionais, com o agravante de serem diferentes
empresas;
• Risco do conhecimento não ser amplamente partilhado e de perda de documentos.
6.3.1 Aquisição do Conhecimento
Para documentar o processo de modernização foi realizado um levantamento de todo material
descritivo e diagramático do projeto disponibilizado pelas empresas envolvidas, como os citados a
seguir. Cópias de alguns documentos podem ser vistos no apêndice A.• Visão de projeto – REIVAX/ALTUS
• Manual de Especificação Técnica – REIVAX/ALTUS
• Regulador de Tensão e Velocidade RTVX 100 – Painel de Controle Hidráulico - REIVAX
• Esquemas Hidráulicos – CONENGE
• Especificação da Unidade Hidráulica - REIVAX
• Entrevistas técnicas com engenheiros – REIVAX E CONENGE
• Visita às Usinas Hidrelétricas, especialmente a de Herval. Na mesma oportunidade foram
5 O estudo realizado neste trabalho considera apenas uma das turbinas. Todos os comentários,
análises e conclusões são estendidos, naturalmente.
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visitadas ainda, as usinas de:
• Bugres, que utiliza turbinas Francis disposta horizontalmente.
• Canastra, cujas turbinas são do tipo Pelton.
6.3.2 Identificação e apresentação dos Subsistemas que compõem a Usina
Com base no material acima mencionado foram identificados todos os subsistemas que compõem
a usina, cujas funções estão definidas no item 5.2.1 deste trabalho.
A seguir serão mostradas as fotografias da PCH de Herval, iniciando na barragem até o gerador de
energia elétrica. O objetivo aqui é migrar de uma documentação fotográfica para uma diagramática
usando Rede C/A. Inicialmente na Figura 6.1 é mostrada a barragem, chamando a atenção que a grade
de proteção e o sensor de nível encontram-se submersos. A grade na entrada da canalização tem a
função de proteger o sistema contra sujeiras ou entulhos contidos na barragem.
Figura 6.1 – Barragem com grade de proteção submersa
6.3.2.1 Canalização de Água
A Figura 6.2 mostra o percurso do duto de condução forçada, ao sair da barragem indo em direção
à casa de máquinas. A canalização da água propriamente dita é formada por um único duto com
aproximadamente 1,0 metro de diâmetro que conduz a água através de uma decida de 119,5 m que
corresponde à altura de queda. A Figura 6.3 mostra a casa de força e, em detalhe o duto de adução.
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Figura 6.2 - Percurso do duto forçado em direção à usina
Figura 6.3 - Vista externa da casa de força da usina, em detalhe o duto de adução.
Ao chegar na usina o duto divide-se em dois, cada uma com cerca de 50 cm de diâmetro,
permitindo o suprimento das duas turbinas (Figura 6.4).
Duto de adução
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Figura 6.4 - Detalhe do duto de adução dividindo-se em dois, para levar água às duas turbinas.
6.3.2.2 Sistema de Conversão de Energia Hidráulica em Mecânica
Este sistema, conforme descrito pela Figura 5.4, é formada pelos seguintes equipamenos: turbina,
caracol, anel distribuidor, pás (não mostradas), atuador hidráulico (servomotor), mancais, sistema de
lubrificação e resfriamento dos mancais, freio etc. A Figura 6.5 destaca alguns destes equipamentos.
Figura 6.5 - Detalhes principais da turbina
Entradas nas turbinas
Caracol
Anel distribuidor
Manca
Servomotor (encoberto)
Serpentina para resfriamento do mancal
Freio
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6.3.2.3 Sistema de conversão de Energia Mecânica em Elétrica
Na Figura 6.6 são mostrados: dois conjuntos turbina/gerador, excitatriz dinâmica, eixo transmissor
de torque (rotor), painel de controle, parte do poço de localização das válvulas de segurança e by pass,
instaladas na tubulação junto à entrada da turbina. A de segurança é a principal válvula da tubulação e
tem a função de permitir ou não o fluxo principal de água pela turbina. A válvula by-pass serve como
auxiliadora no processo de abertura da válvula de segurança, promovendo a pré-pressurização do
caracol para evitar um eventual golpe de ariete.
Chama-se a atenção para a excitatriz dinâmica que foi mantida no local de origem, mesmo sua
função sendo desempenhada agora pela excitatriz estática, incorporada ao Regulador de Tensão (RT).
Este tipo de situação ocorre mesmo tendo optado por uma automatização completa, como foi em Herval.
No caso, a permanência do equipamento deu-se por questões estruturais e construtivas, já que havia
riscos de comprometimento do balanceamento do rotor pois uma massa consideravelmente elevada
deixaria de fazer parte na extremidade do eixo.
Em outros casos, alguns equipamentos são mantidos por uma questão estética e, às vezes
saudosista. É o caso do sincronizador de freqüência (freqüencímetro), que antes era visual e
supervisionado pelo operador. Agora, há um automático que dispensa a interferência do operador.
6.3.3 Modelagem do Fluxo de Energia/Matéria
Na Figura 5.5 foi apresentada uma visão geral da modelagem do fluxo de energia/matéria parausinas que empregam turbinas Francis. Nesta presente seção, foi realizada a modelagem detalhada
deste mesmo tipo de central. Para tanto foram explorados os conceitos de Sistemas de Medição (SM),
Sistemas de Atuação (SA) e Sistema de Atuação e Medição (SAM), definidos no capítulo 4. Para
detalhar cada um destes sistemas, foram utilizadas as regras de refinamento e condensação das redes
C/A apresentadas na seção 3.2.1.
Cada uma das agências da rede geral são refinadas em subredes, este procedimento pode ser
repetido, teoricamente, de maneira indefinida, de acordo com o grau de detalhamento desejado. O
propósito é refinar até o ponto onde o projetista possa decidir se ainda é conveniente continuar
representando por Rede C/A, ou se já vale à pena utilizar um diagrama do domínio de conhecimento
específico como, por exemplo, diagramas de circuito elétrico, circuito hidráulico ou de software. Neste
momento existe uma relação de compromisso e sensatez por parte do projetista, pois é ele quem deve
estabelecer qual a fronteira.
Na Figura 6.8 a seguir, é mostrada a modelagem da Usina de Herval e identificados todos os SM,
SA e SAM existentes. O modelo foi construído utilizando as fotografias já apresentadas, visitas à usina e
principalmente do Manual de Especificação Técnica fornecido pelas empresas contratadas à
contratante, ao término da obra. (Figura 6.7).
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Figura 6.7 Cópia parcial do
manual de especificação técnica
(REIVAX, 2000)
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Freio
Mancal doGerador
E.M E.ME.M E.M MancalMANCAL
Mancal doGerador
Grade
H2O
H2O
Sucção(Descarga)
H2O
Fronteira
Leito apósa usina
Mancal daExcitatriz
MANCAL
Excitatriz
E.M
Sensor dedescarregaento
E.P
E.P
SM
SMSMSM
GERADOR SA
SA
Sensor de nível
Comporta
H2O
Sensor aberto/fechado
SM
SM
E.H
E.E E.E
Sensor Temperatura do
enrolamento
SM
E.H
Fronteira
H2O
Sensores:Nível baixo
Temperatura
Sensores:Nível baixo
Temperatura
Sensores:Nível baixo
Temperatura
SAMUHP - Unidade
Hidráulica de Potência
Mancal Combinado(apoio e escora)
Mancal Combinado(apoio e escora)
E.H
Válvulaby-pass
Válvula de Admissão
SASAM
CARACOL
Rotor Turbina
H2O
H2O
H2O
Sist.Distribuidor
H2O
Sensor de Pressão
E.M E.M
H2O H2O
SM
SAM
Mancal
Sensor daRoda Dentada
SMSAM
E.H
SAM
E.H
Mancal
E.HE.H
H2O SM
Figura 6.8 - Rede C/A geral da parte energético/material da PCH Herval
Vale ressaltar que a disposição das agências e canais escolhida para a modelagem visou fazer
uma correspondência direta da estrutura física existente, desde a barragem até a saída da água à
jusante, no diagrama denominada de Fronteira. Desta forma, a leitura da Rede deve começar na parte
superior direita onde há agência (SM) 'sensor de nível', a qual fica junto à Grade. Em seguida, na
descendente, acompanhando os Canais que agora transportam água, passa-se por diversas agências,cada uma desempenhando seu papel. Ao alcançar a turbina, fazendo-a girar, é produzido torque no eixo
e, a partir de então, os canais de interesse passam a transportar Energia Mecânica (EM) e a água sai
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através da descarga até alcançar a jusante do rio. A seguir, vê-se que os dois lados da turbina são
suportados por Mancais Combinados (mancal de escora + mancal de apoio). Seguindo para o lado
esquerdo, tem-se o Gerador, onde a EM é transformada em Energia Elétrica (EE) e conduzida até o
barramento da subestação da usina (não mostrado). Passando o Gerador, a EM alcança a excitatriz
dinâmica, que originalmente estava ligada eletricamente ao gerador.
Um fato importante que demonstra a validade da modelagem realizada é o seguinte: a excitatriz,
ver Figura 6.6, é uma máquina cuja função, entre outras, é manter a tensão nominal da máquina no valor
definido pela operação. Durante a modernização da usina de Herval, a função elétrica da excitatriz foi
substituída pelo Regulador de Tensão (RT) mais circuitos eletrônicos. No entanto, a máquina
permaneceu no local original cumprindo agora uma função exclusivamente mecânica, no sentido de
manter o balanceamento das forças no conjunto Turbina-Gerador. Entretanto, existiam sinais ligados à
excitatriz que forneciam informações para outras partes do sistema. Então, um questionamento é
naturalmente levantado: o que será feito com estas informações? Se o projetista dispuser apenas de
representação esquemáticas (desenhos, fotografia etc.) dificilmente conseguirá dar uma resposta
precisa a este respeito. Por outro lado, se está de posse de uma representação diagramática, por
exemplo a rede C/A e seus refinamentos, poderá saber quais os subsistemas que estão ligados àquele
equipamento e prever como serão afetados.
A fim de demostrar o processo de sucessivos refinamentos da usina visando sua melhor
compreensão, apresenta-se na figura 6.9 a parte hachurada da figura 6.8 onde refina-se a unidade
hidráulica de potência (UHP) e o sistema distribuidor. Desta forma está-se aplicando o procedimento dedetalhamento ilustrado na figura 5.1 que deverá levar ao detalhamento de todos os sistemas que serão
substituídos ou modificados na modernização da usina. Sabe-se que a implementação destes sistemas
fundamentas-se no emprego de diagramas elétricos e hidráulicos, desenhos mecânicos, listas de
especificações etc. Portanto, as últimas fases do refinamento devem ser representadas através destes
documentos e não mais por meio de rede C/A.
Na figura 6.10 é mostrado o refinamento da agência SAM vinculado ao mancal combinado do lado
esquerdo do rotor da turbina. Neste caso o projetista tem a possibilidade de construir um segundo nível
da rede C/A ou então partir imediatamente para representar o sistema de atuação e medição através de
um circuito específico, no caso um circuito hidráulico. Como dito anteriormente, usar uma maneira ou
outra para mostrar os detalhes de determinada agência fica a critério do projetista. Caso necessite
comunicar-se com um profissional de outra área, seria mais conveniente utilizar a primeira
representação, caso contrário, sendo apenas para uso próprio ou para profissionais que farão a
montagem dos equipamentos, apresentaria o segundo esquema. O importante é que o profissional terá
opções, restando-lhe o bom senso de utilizá-las convenientemente.
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Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFS
Outras repr
SASA
H2O
CARACOL
Mancal
H2O
H2O
ANEL
ROTOR
TURBINAEM EMMancal
CUBÍCULO
DO RTV
PAINEL DE MÁRMORE
H2O
Sist. segurança(Vál. princ.)
SistemaBypass
Sistema
Distribuidor
UHP
AnelDistribuidor
EHSE
QUADRO
ELÉTRICO
UNIDADE
HIDRAÚLICASE
EE
SE
EMSAM
Foto
Planta baiRVHER007 (
Desenho
Refinamento através do Subsistemade Informações (Volta ao Nível 0)
E.H
SAM
Figura 6.9 - Refinamento da UHP e do Sistema Distribuidor e sua correlação com a visão física da casa d
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SAM
Mancal
SA
Mancal Combinado(escora e apoio) - A esquerda
Óleo
Sensor deVazão
Sensor de Temperatura
Bomba
Trocador de Calor
Descarga
Serpentina
Sensor para Nív elde óleo alto/alto
SM
SM
Filtro
H2O
Óleo
Óleo
Óleo
H2O
Óleo
EM
SM
EM
a)
0P 1
0 V1
0 Z 2
0 S1
0 Z 1
0 S2 0 S3
0 Z 4
0 Z 3
b)
Figura 6.10 - Refinamento do mancal combinado do lado esquerdo: a) Representação por Rede C/A; b)
Representação por diagrama de circuito hidráulico.
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Nesta modelagem foi utilizando o software Visio, da Microsoft, onde através dos recursos de
ligações (hiperlink ), passa-se facilmente para níveis de refinamentos sucessivos clicando em cada uma
das agências. Esta facilidade contribui na correção, modificação e atualização do projeto e apresenta
uma visão mais abrangente ao executor. Por exemplo, ao clicar na agência SAM (Mancal Combinado)
representada Figura 6.9 é mostrado sua estrutura interna, formada por: sensores, bomba, filtro e troca
de calor (Figura 6.10).
6.3.4 Modelagem do Fluxo de Informação
As informações utilizadas para construção do modelo de fluxo de informação foram as seguintes:
visita à usina, entrevista com engenheiros e operadores e bibliografia técnica. Entretanto, a principal
fonte foi a documentação fornecida pelas empresas que está no formato texto, como apresentado
anteriormente. Parte deste material é mostrada na Figura 6.11, no item 2 do documento que mostra as
características de operação, descrevendo o funcionamento da usina.
Estruturalmente o processamento de informações ocorre no cubículo do RTV instalado atrás do
painel de controle (em mármore) já existente na usina (ver figura 6.9). Uma visão geral do fluxo de
informação é mostrada na figura 6.12. A CPU, o CLP e o circuito elétrico de processamento de sinais da
usina estão instalados no cubículo do RTV.
A CPU, onde rodam os algoritmos de controle dos reguladores de velocidade e tensão, tem como
função interpretar todos os sinais recebidos e, com base nestes, executar a lógica de funcionamento,proteção e controle do sistema. Além disto, é encarregada da comunicação com o CLP (Controlador
Lógico Programável) de controle do grupo e com a IHM (Interface Homem Máquina) local. O objetivo
desta modelagem é transformar as informações textuais e esquemáticas para uma diagramática,
utilizando Grafcet.
Na figura 6.13 é mostrado o refinado do cubículo do RTV que está hachurado na figura 6.12. Neste
momento é possível visualizar como a CPU efetivamente se interliga com os sistemas de medição e de
atuação pois são identificadas as réguas de interligação que fazem a fronteira entre o cubículo e a usina
propriamente dita. Na figura 6.9 apresentada anteriormente já se visualizava a presença do Cubículo do
RTV interligado ao circuito elétrico da unidade de potência hidráulica.
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Figura 6.11 - Cópia parcial do manual de especificação técnica: Características de operação da usina
(REIVAX, 2000)
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Figura 6.11 (CONTINUAÇÃO) - Cópia parcial do manual de especificação técnica: Características de
operação da usina (REIVAX, 2000)
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Sensor dedescarregaento
(Sucção)
SM
SM
SA
Sensor de nível(Grade)
Sensor aberto/fechado
(Valv. Admissão)
Sensor Temperatura do
enrolamento
(Excitatriz)
Sensores:Nível baixo
Temperatura(Mancal Dir. Gerador)
Sensores:Nível baixo
Temperatura(Mancal Excitatriz)
SAM
Sensor
Velocidade(Eixo Dir. Rotor)
SM SM
Sensores:Nível baixo
Temperatura(Mancal Esq. Gerador)
SM
SistemaResfriamento
(Mancal Dir. Rotor)
Freio
ExcitatrizDinâmica
SA
SM
SM
UHP - UnidadeHidráulica de Potência
SensoresVálvulabypass
Sist.segurança (Vál.principal)
SistemaDistribuidor
Sensor de Pressão
(Caracol)
SM
SAM SMSAM SAM
Sistema
Resfriamento(Mancal Esq. Rotor)
CPU de Controle, Transdução e Comunicação
CLP
inf inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
inf
SAM SM
inf
Operador Leitura e Comado
Cubículo do RTV
ModBus
Figura 6.12 - Rede C/A geral da parte de informações da PCH Herval
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Para modelar a parte da CPU referente às funções mencionadas na figura 6.11, iniciou-se
definindo/estabelecendo alguns subsistemas que compõem o funcionamento da usina, envolvendo
desde a partida em vazio, até seu funcionamento em plena carga. A saber:
• Coordenador Geral;
• Coordenador de Partida;
• Coordenador de Parada;
• Coordenador de Excitação ;
• Coordenador de Desexcitação.
A Figura 6.14 mostra uma proposta de estruturação do programa implementado na CPU,
formalizando a criação de coordenadores (agências) e os canais de comunicação entre estes que.
Numa implementação orientada a objetos, as agências dão origem aos objetos e os canais representam
a troca de mensagens entre estes.
Figura 6.14 - Rede C/A do supervisor - Ligação entre coordenadores dentro da CPU
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Foram construídos Grafcet’s correspondentes a cada um desses subsistemas que, por sua vez
estão interligados. O denominado Coordenador Geral –‘coordGeral’, como o próprio nome sugere, trata-
se de um Grafcet que centraliza todas as atividades. Através deste, os outros são acionados
(chamados), evoluem, concluem suas tarefas e retornam para o ‘coordGeral’, que dará prosseguimento
às demais atividades do programa.
Neste diagrama está-se modelando a parte da CPU onde estão também o controle de velocidade e
de tensão, no entanto não faz parte do escopo deste trabalho os algoritmos realizadores desta funções.
Há vários instantes na evolução dos Grafcet’s, onde estes recebem comandos/entradas de agentes
externos, que serão denominados de Atores, por exemplo o CLP. Neste trabalho não se está
modelando a realização das atividades destes Atores. O CLP aqui realiza atividades de supervisão geral
da usina, através de lógica externa que não é apresentada neste trabalho. Por exemplo, verificar se o
sensor que detecta sujeira na grande de admissão está acionado, se o disjuntor 52 está atuado, se a
unidade hidráulica está sem falhas etc. Portanto, os Grafcet’s não mostraram como o CLP adquiriu as
informações, saber-se-á no entanto, de quem foi adquirida e onde será usada.
A Figura 6.15 mostra o modelo comportamental do ‘coordGeral’. O CLP de controle de grupo,
depois de haver realizado lógica externa, envia um sinal o qual será uma das entradas para lógica “E”
que, se positiva, disparará a transição, habilitando para realizar a do passo 2 realizando sua primeira
ação, que é “verifica Estado do Regulador de Velocidade (RV)”.
É importante observar as notações utilizadas no diagrama, conforme definidas no capítulo 3. Para achamada/acionamento de outro Grafcet, a partir do coordenador Geral, a ação do passo 3 (Máquina
Partindo), ‘coordPartida:partir’, ‘partir’ é a transição, que ao ser disparada faz o ‘coordPartida’ (Figura
6.16), sair do passo ‘0’ para o passo ‘1’, ao concluí-lo haverá duas possibilidades: a do passo ‘Falhando’
terminando com a ação ‘não partiu’ que será a transição que faz o ‘coordPartida’ voltar para o passo
inicial ‘Não Pronto’ ou, por outro lado, se for para o passo 4.2, sua ação será ‘partiu’, também retornando
para o ‘coordPartida’ que agora, será uma das transições que compõe uma lógica “E”, cujo resultado
fará o Grafcet evoluir para o próximo passo “Excitação”. Também é interessante verificar a notação
correspondente ao ‘retorno’ ao Grafcet “chamador”, neste caso é ‘coordPartida:partiu’ e
CoordPartida:nãoPartiu.
Neste diagrama observa-se a utilização de uma ação tipo stand alone, “F/coordParada:{0} &
coordGeral{1} IF parada”. Este passo significa que a qualquer instante da evolução do Grafcet pode
haver uma solicitação de parada, pode ser uma parada em condições normais ou uma parada de
emergência. Nesta situação, aquela notação garante, na verdade força (F/), que o a evolução será,
neste caso, para o passo 0 do ‘coordParada’ e para o passo 1 do ‘coordGeral’.
É importante salientar que a realização de cada ação significa em um desdobramento de outrasatividades que estão ligadas àquela. Por exemplo, ao energizar-se um contator, seus contatos fecham-
se ou abrem-se, estabelecendo a ligação ou desligamento de outros equipamentos ou dispositivos.
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Figura 6.15 - Grafcet Coordenador Geral
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As figuras 6.16 à 6.19 documentam o Grafcet dos demais subcoordenadores cujo intertravamento
com o Coordenador Geral ocorre da mesma forma como descrito anteriormente.
Na dissertação de mestrado que deu origem ao presente documento (PAES, 2001), é demostrado
o emprego da rede C/A mostrada na figura 6.14 e dos Grafcet das figuras 6.15 à 6.19 na geração dos
diagramas UML, conduzindo ao desenvolvimento do software de automação da usina. Este
procedimento corresponde ao encaminhamento mostrado na figura 5.2.
0
4C
CoordPartida - PRT
desenergizar R65FC0
1
energizar RF1 RF1
partir
energizar R65 4C
L
t#
tempativa_temp
4.1Falhando
temp
2
Partindo 1
3
Partindo 2
W > Wp2Desexcitando
FC01
4.2 partiu
temp
1
Notas:
temp - tempo limite para a turbina alcançar a velocidade desejada, qdo atingido implica em falha
w - velocidade da trubina
wp2 - velocidade da turbina estabelecieda via IHM - (parâmetro)
FC01 - fim-de-curso para indicação de distribuidor fechado
65S (X,Y) - comando manual da válvula posicionada para operação normal
1≥
levarRef_lim partida
1
levarRef_lim partida
2
&65 S X
65 SY
nãoPartiu
F/ coordParada: {0}
IF parada
tempo excessivo
"Mensagem vinda do
CoodGeral"
"Contato do Relé 65"
"Mensagem vindo]a do
CoodDesexcitação"
"Mensagem para retorno
do CoodGeral"
"Mensagem para retorno
do CoodGeral"
Figura 6.16 - Grafcet do Coordenador de Partida
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CoordParada (PDA)
1.1
0
desenergizar R65
D52
R65
referência para zeroyd
=0
&
2
L# t2 temporização
aplicar Trava
(ES14)FC02
"CPU leva referência de carga/
freq. para zero"
"Fim-de-curso para indicação de
distribuidor fechado"
SV01
&FCO1
LVDT
FC02
"Desenergização do solenóide da
válvula 65S provocando o
fechamento do SM"
"Aplica trava do distribuidor"
verif. distribuidor
fechadoFC01
aplicar Bloqueio
manual (ES12)
parou
"envia mensagem confirmando que a
maq. parou"
1.2 energizar RF2
parada
RF2"Avaliar se temporização > tempo de
potência nula (parâmetro 't2' ) "
falha Grave
D52 - Disjuntor de aberto
yd=0 leva referência de carga/freq. para zero
FC02, SV01, LVDT, FC01 - ver diagrama hidráulico - Apêndice B
SM - servo motor
Figura 6.17 – Grafcet do Coordenador de Parada
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0
desenergizarRP
Referência tensão
energizar RF1
Aciona Crowbar
1
Pré-
excitando
4 desenergizar RP RP
L#T temporizador
V_esab - Tensão de estabilização
RP - energizado
T - tempo limite para que seja atingida tensão de estabilização
para que a ponte de tiristores seja comandada pelo RT
- Ic - Corrente de campo
- IcFimExc - Co rrente de campo fim de excitação inicial
6.1
Controlando
Excitação
6.2
Excitação
Falhalando
&V_estab
T
V_estab
bloqueiar pulso
& Ref Vt Ref VtFinal
Vt > Vt Fim E
CoordExcitação EXC
"CPU recebe confirmação do contator de
campo C41 fechado, através dos contatos 13/14 "
"Eleva referência de tensão de
0% a 100%"
"Avalia tensão terminal"
"Avalia corrente de
campo"
"Passa o comando da excitação para:
CLP ou sincronizador, operador"
RP
ref_tensão
energizar C41 C41
≥
"Leva ref. para 0%"
"na ponte de tiristores"
1
"Aplica tensão de 24 Vcc ao campo da
excitatriz rotativa"
3
C 41 {13-14}
" O regulador aumenta tensão terminal do
gerador até alcançar o valor da tensão de
estabilização"
"conseqüentemente abre C31"
"descarrega campo da excitatriz"
exc
energizar RD
RP
w < wexc
Falha RT
1≥
RP
informa fechamento
R412
R41
& Ref Ic Ref Ic Final
Ic > Ic Fim Exc
≥
1≥
excitada
&
RT aumenta tensão
terminalv_estab
5
RP
Falhar RT
"A energização de C41 provoca a
energização do relé au xiliar R41"
"via CLP"
- vt - Tensão terminal
- VtFimE - Tensão terminal fim Excitação iniciial
- Ref Vt - refência de tensão
- Ref Ic - referência de corrente
- R41 - Contato de campo fechado
"A energização de C41 provoca a
energização do relé aux iliar R41"
Figura 6.18 - Grafcet do Coordenador de Excitação
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1.2
0
1.1
2.1
3
L# t1 Temporizar
RD
C41
RF2
D52 - Disj. Prin - Disjuntor principal aberto
Ic - Corrente de campo (setada via IHM)
R86 - Energiza R86 (atuação de proteção externa)
RF2 - Falha no relé RF2
fim_desexcitação : confirmação que a máquina foi desexcitada
- RDC - Resistor que descarrega o cam po da excitatriz
Desexcitação do Gerador DESEX
energizar RD RD
abrir C41 C41
ativar circuito crowbar
RT maximizar disparo
desexcita - início da desexcitação
Ic < I (IHM)
1≥R 86
"Avaliar corrente de campo "
RDC
" máquina desexcitada"
desexcitada
2.2Energi zada RD RD
desexcitada
t1
2.3energizar RD RD
desexcitada
"Desexcitação FORÇADA"
1 1
desexc
Figura 6.19 - Grafcet Coordenador de Desexcitação
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