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Resumo – Este artigo descreve o desen-
volvimento de um kit didático de simula-
ção, em pequena escala, de um sistema
de distribuição de água a povoações. O
equipamento foi desenvolvido no âm-
bito do curso de Engenharia Eletrotéc-
nica da Escola Superior de Tecnologia e
Gestão do Instituto Politécnico de Lei-
ria, com o objetivo de ser usado como
equipamento didático nas atividades de
formação relacionadas com a Siemens
Automation Academy. O sistema simula-
do permite ter em conta aspetos como
a fiabilidade do sistema, controlo de
desperdícios de água, e a otimização do
consumo de energia. O kit contém siste-
mas de circulação de água, com reserva-
tórios e condutas, e está equipado com
atuadores e sensores diversos (bombas,
válvulas, caudalímetros, entre outros).
Cinco PLCs (Programmable Logic Contro-
lers), de gamas e gerações diferentes, for-
mam um sistema de controlo distribuído.
Duas consolas gráficas formam, com um
computador externo ao kit, o sistema de
supervisão e comando de todo o proces-
so. Uma rede de comunicação industrial
Profibus-DP permite a interligação dos
AquaSoft – kit de simulação de um sistema de distribuição de água
PLCs. A ligação dos PLCs às consolas e ao
computador recorre ainda a uma rede
Profinet e a uma ligação MPI (multi-point
interface). Uma das valências pedagó-
gicas do kit é a possibilidade da sua di-
visão física em dois sistemas separados,
podendo ser usado como um processo
de distribuição de água mais complexo,
ou como dois sistemas independentes
mais simples.
Palavras-chave – PLC, Supervisão,
Profibus, Profinet.
I. IntroduçãoA distribuição pública de água é uma
preocupação há milhares de anos, es-
tando diretamente relacionada com o
desenvolvimento da sociedade e a me-
lhoria da qualidade de vida. O primeiro
sistema de abastecimento de água teria
sido o aqueduto de Jerwan na Assíria em
691 A.C. Outro exemplo notável são os
grandes aquedutos do poderoso Império
Romano, datados de 312 A.C [1].
A purificação e o fornecimento de
água é uma preocupação transversal
em todas as sociedades humanas. Ao
longo dos tempos, o consumo de água
por consumidor tem vindo a aumentar
gradualmente, sendo por isso necessário
melhorar e desenvolver os sistemas exis-
tentes de forma a dar resposta às necessi-
dades crescentes de consumo e garantir
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a continuidade do abastecimento com a
maior fiabilidade possível.
Este artigo descreve o desenvolvi-
mento de um kit didático de simulação,
em pequena escala, de um sistema de
distribuição de água a povoações. O
equipamento foi desenvolvido no âmbi-
to do curso de Engenharia Eletrotécnica
da Escola Superior de Tecnologia e Ges-
tão do Instituto Politécnico de Leiria. Teve
como objetivo a implementação de um
sistema didático, versátil e abrangente
que pudesse ser usado em contexto de
formação na área da Automação Indus-
trial e, em particular, nas atividades de-
senvolvidas no âmbito da Siemens Auto-
mation Academy [2].
O sistema simulado permite ter em
conta aspetos como a fiabilidade do sis-
tema, controlo de desperdícios de água,
e a otimização do consumo da energia
despendida para a distribuição (fator im-
portante que influencia o preço a pagar
pelo consumidor e a redução da emissão
de poluentes para o meio ambiente).
Os sistemas modernos de distribui-
ção de água assentam na utilização de
tecnologias de controlo industrial. Uma
importante vertente pedagógica do kit é
a utilização de cinco PLCs (Programmable
Logic Controler - autómato industrial pro-
gramável), de gamas e gerações diferen-
tes, que formam um sistema de controlo
distribuído, interligado por uma rede de
1 João Paulo Belisário Santos Matos é finalista da li-
cenciatura em Engenharia Eletrotécnica da Escola
Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Poli-
técnico de Leiria, [email protected].
2 Rui Miguel Marques Neves é finalista da licencia-
tura em Engenharia Eletrotécnica da Escola Supe-
rior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécni-
co de Leiria, [email protected].
3 Eliseu Manuel Artilheiro Ribeiro é Prof. Adjunto do
Departamento de Engenharia Eletrotécnica da Es-
cola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto
Politécnico de Leiria e Investigador do Instituto
de Engenharia de Sistemas e Computadores de
Coimbra (INESC Coimbra), [email protected].
4 Luís Miguel Ramos Perdigoto é Assistente do
2.º Triénio do Departamento de Engenharia Eletro-
técnica da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do
Instituto Politécnico de Leiria, [email protected]. Figura 1. Esquema geral do sistema de distribuição de água.
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comunicação industrial. O sistema de
supervisão do processo é implementado
através de duas consolas gráficas e de
um computador externo ao kit.
O kit foi projetado de modo a poder
ser fisicamente dividido em dois sistemas
separados. O kit pode assim ser usado
como dois sistemas independentes mais
simples ou como um único processo de
distribuição de água mais complexo.
II. FuncIonAlIdAdeS do SIStemAO kit simula um sistema de distribuição
de água a quatro locais distintos, como
se encontra esquematizado na Figura 1.
A Figura 2 mostra uma vista geral do kit
com a indicação dos principais compo-
nentes do sistema.
A água é obtida a partir de uma bar-
ragem e bombeada para dois reserva-
tórios de armazenamento próximos do
consumo. Cada um dos reservatórios ser-
ve dois locais de fornecimento.
Associado a cada reservatório exis-
te um coletor onde a água é mantida
pressurizada. Dos coletores partem as
condutas que levam a água aos locais de
fornecimento. A água usada nos locais de
fornecimento é de novo conduzida para
a barragem, fechando o ciclo.
O transporte de água da barragem
para os reservatórios e a pressurização
dos coletores são assegurados por eletro-
bombas. Sensores de nível nos reserva-
tórios permitem controlar a quantidade
de água disponível nos reservatórios. A
manutenção de uma pressão constante
de abastecimento é conseguida através
de transdutores de pressão instalados
nos coletores. A abertura e o fecho das
condutas são comandados através de
eletroválvulas.
No início e no final de cada linha de
abastecimento existe um caudalímetro
que permite monitorizar a quantidade
de água consumida em cada zona. É as-
sim possível verificar se existem fugas na
conduta de abastecimento ou consumos
fraudulentos (situação que é simulada
através da abertura de uma válvula ma-
nual localizada a meio da conduta).
Existem condutas auxiliares que in-
terligam as povoações adjacentes e que
permitem estabelecer caminhos alterna-
tivos de abastecimento caso a conduta
principal que alimenta a povoação tenha
que ser desativada.
O sistema possui ainda a possibilidade de
transferir água entre reservatórios. Assu-
mindo que a utilização da eletrobomba
da barragem implica um maior consumo
de energia elétrica do que a transferên-
cia entre reservatórios, a transferência de
água da barragem pode ser adiada até
uma altura do dia em que a energia elé-
trica seja mais barata, reduzindo assim os
custos totais de energia.
III. SepArAção em doIS kits IndependenteSEmbora o objetivo principal do kit seja a
implementação das funcionalidades des-
critas na seção anterior, o equipamento
foi construído de modo a permitir a sua
separação em dois kits independentes,
que simulam sistemas de distribuição
de água mais simples. Esta possibilidade
torna o kit mais versátil e potencia a sua
utilização como equipamento didático
numa gama de trabalhos de complexi-
dade crescente.
Os dois kits podem ser fisicamente
separados um do outro. Um conjunto de
ligações de encaixe rápido permite sepa-
rar as condutas hidráulicas e, do mesmo
modo, dois conetores elétricos separam
a rede de comunicação dos PLCs (expli-
cada em maior pormenor na seção se-
guinte). Para além disso, cada parte do kit
possui um quadro elétrico independente
(localizado na parte posterior).
Após a separação, o kit 1 (à direita na
Figura 2) passa a conter a barragem, um
reservatório e respetivo coletor, e dois lo-
cais para fornecimento de água. O kit 2 (à
esquerda na Figura 2) é menos completo,
possuindo apenas um circuito hidráulico
com um reservatório e coletor pressuri-
zado e dois locais de fornecimento. Neste
caso, o escoamento de retorno dos locais
de fornecimento deixa de ser feito para a
barragem e passa a ser conduzido direta-
mente para o reservatório.
IV. dISpoSItIVoS de comAndoO sistema é controlado de forma des-
centralizada através de 5 PLCs: um au-
tómato SIEMENS S7-1200, dois autóma-
tos SIEMENS S7-300 e dois autómatos
SIEMENS S7-200. O agrupamento dos
equipamentos é feito segundo a loca-
lização geográfica simulada pelo siste-
ma. Os sensores e atuadores da zona da
barragem estão ligados ao PLC S7-1200,
cada zona de povoações está ligada a um
PLC S7-200, e cada reservatório é contro-
lado por um PLC S7-300.
A Figura 3 mostra os dispositivos
de comando e supervisão e respetivas
redes de comunicação. A comunicação
entre PLCs é realizada através de uma
rede Profibus-DP [4][5][6]. Todos os PLCs
estão equipados com módulos de co-
municação que os permitem ligar à rede
Profibus. Quando os kits são utilizados
em separado, cada um dos PLC S7-300
opera como master da rede. Com o sis-
tema completo, esse papel é assumido
pelo PLC S7-300 do kit 1.
Figura 2. Vista geral do kit AquaSoft e principais componentes. O kit tem uma dimensão geral de aproxima-
damente 2 x 2 metros.
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A consola de supervisão do kit 2 está
conetada ao PLC S7-300 respetivo através
de uma ligação MPI (multi-poin-interface,
propriedade da Siemens). A consola do
kit 1 está ligada à rede Profinet [3] dispo-
nibilizada pelo PLC S7-1200. É ainda pos-
sível a ligação de um computador exter-
no ao sistema, simultaneamente ligado à
rede Profinet (através da placa Ethernet) e
à rede Profibus (utilizando um adaptador
USB/Profibus). O computador é usado
como dispositivo de programação dos
PLCs e também como um sistema de su-
pervisão adicional (para além das consolas).
A supervisão foi desenvolvida através
do software Siemens WinCC (uma página
de exemplo da interface pode ser vista na
Figura 4). A interface permite o comando
manual dos atuadores do sistema ou a
configuração dos parâmetros para o seu
Como já foi referido, a ligação da rede
Profibus entre o kit 1 e o 2 é estabelecida
através de uma ficha de ligação rápida.
No entanto, cada um dos kits possui um
rádio-modem incorporado na sua rede
Profibus, o que torna possível a interliga-
ção das redes mesmo sem a existência
de uma ligação física (embora com taxas
de transferência de dados mais baixas).
Este modo de interligação pode ser usa-
do para o controlo do sistema completo,
ou para permitir uma interação ente os
kits mesmo quando estão separados.
V. SuperVISãoO comando e supervisão do sistema, por
parte do operador humano, são reparti-
dos pelas duas consolas existentes no kit
e por um computador externo.
funcionamento em modo automático.
Disponibiliza, além disso, diversos alar-
mes e o registo histórico dos valores de
diversos sensores.
VI. concluSãoEste artigo descreveu o desenvolvimen-
to de um kit didático de simulação de
um sistema de distribuição de água a
povoações, contendo sistemas de circu-
lação de água, reservatórios e condutas.
O comando do sistema é garantido por
um sistema de controlo distribuído, con-
tendo cinco PLCs distintos, interligados
por uma rede de comunicação industrial.
A supervisão do sistema é implementa-
da usando duas consolas gráficas e um
computador.
A simulação física de processos reais
é uma mais-valia na área de formação
da Automação Industrial. O kit descrito
apresenta várias valências pedagógicas.
Utiliza equipamentos de comando de
tipos e gamas variados, pode ser usado
em graus diferentes de complexidade
(como dois kits simples separados ou
um kit único mais complexo), e permite
a simulação de problemas relacionados
com a fiabilidade do sistema, controlo de
desperdícios de água, e a otimização do
consumo de energia.
AgrAdecImentoSOs autores gostariam de agradecer ao
Eng.º Hugo André, Eng.º José Martins,
Eng.º Paulo Ventura e ao Eng.º Paulo Gata
pelas suas indispensáveis contribuições
ao projeto.
reFerÊncIAS
[1] V. L. D. P. LEO HELLER, Abastecimento de água
para consumo humano, Belo Horizonte :Editora
UFMG, 2006;
[2] Siemens Automation Academy, (online) http://
siemensautomationacademy.ipleiria.pt/ ;
[3] Raimond Pigan, Mark Metter: Automating with
PROFINET, 2nd rev. and enl. edition. 2008, ISBN
978-3-89578-294-7;
[4] PROFIBUS system description, (online) profibus.
com;
[5] J. Weigmann, G. Kilian: Decentralization with
PROFIBUS DP/DPV1, ISBN 978-3-89578-218-3;
[6] M. Felser: PROFIBUS Manual, A collection of
information explaining PROFIBUS networks as-
sembled by Prof. Max Felser, ISBN 978-3-8442-
1435-2 (online: http://profibus.felser.ch/en/). Figura 4. Interface gráfica de supervisão e comando.
Figura 3. Dispositivos de comando e redes de comunicação.