modelagem para automação de pequenas centrais hidrelétricas

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



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



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



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.




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




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).




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




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.




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




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




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).




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




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

)121

( 2

2++ s s s

K

nn

RP

ω

ζ

ω

1S K

UZ1

1 Z K

UV1

US1

Mc

Kc

Bc

pSXV1

UV1 XA1

+

UZ1

US1

qv

c

qv

c

Ma

Figura 3.1 - Exemplo de aplicação de modelo comportamental a estado contínuo: Diagrama de blocos

com funções transferência;




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.




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).




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.




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.




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).




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:




• 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.




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.




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).




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;




• 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




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




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.




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.




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.



Modelagem para Automação de Pequenas Centrais Hidrelétricas – LASHIP/EMC/UFS

Figura 4.1 – Diagrama de circuito elétrico da unidade hidráulica - RVX300 UHE Cham




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.




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




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




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.




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.




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.




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




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).




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




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




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




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.




UHP Caracol

H2O

SistemaDistribuidor

SistemaRotor

H2O


Tubo deSucção

H2O

H2O


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




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




UHP

Sistema de Agulha

H2O

SistemaDefletor

Rotor

H2O


Canal deFuga

H2O

H2O

H2O

Sistemade Freio

H2O


Regulador Tensão

inf

EE

MancalEM

Figura 5.8. Rede C/A geral de usina com turbina Pelton




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.




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.




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.




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




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




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).




Figura 6.7 Cópia parcial do

manual de especificação técnica

(REIVAX, 2000)




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


Temperatura


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




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.



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




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.




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.




Figura 6.11 - Cópia parcial do manual de especificação técnica: Características de operação da usina

(REIVAX, 2000)




Figura 6.11 (CONTINUAÇÃO) - Cópia parcial do manual de especificação técnica: Características de

operação da usina (REIVAX, 2000)




Sensor dedescarregaento

(Sucção)

SM

SM

SA

Sensor de nível(Grade)

Sensor aberto/fechado

(Valv. Admissão)

Sensor Temperatura do

enrolamento

(Excitatriz)


Temperatura(Mancal Dir. Gerador)


Temperatura(Mancal Excitatriz)

SAM

Sensor

Velocidade(Eixo Dir. Rotor)

SM SM


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




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




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.




Figura 6.15 - Grafcet Coordenador Geral




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




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




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




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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