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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SILAS ALYSSON SOUZA TIBÚRCIO
APLICATIVO ANDROID PARA MONITORAMENTO TERMOELÉTRICO E
DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES
FORTALEZA
2013
SILAS ALYSSON SOUZA TIBÚRCIO
APLICATIVO ANDROID PARA MONITORAMENTO TERMOELÉTRICO E
DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica do Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade Federal
do Ceará, como requisito parcial à obtenção do
Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Artur Plínio de Souza
Braga.
Coorientador: Prof. Dr. Otacílio da Mota
Almeida.
FORTALEZA
2013
SILAS ALYSSON SOUZA TIBÚRCIO
APLICATIVO ANDROID PARA MONITORAMENTO TERMOELÉTRICO E
DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica do Departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade Federal
do Ceará, como requisito parcial à obtenção do
Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Aprovada em: 13/12/2013.
BANCA EXAMINADORA
A Deus,
Aos meus pais, Eudivan e Lucirene,
Aos amigos e familiares.
AGRADECIMENTO
Primeiramente a Deus por ter me concedido a oportunidade de concluir a
graduação e me dado graça, sabedoria, saúde e força para alcançar mais um objetivo de vida.
Aos meus queridos pais, Eudivan e Lucirene, por todo sustento, ensinamento,
incentivo, orações e, principalmente, pelo imensurável carinho, paciência, presença
insubstituível nos momentos de angústia e eterna amizade. A minha eterna gratidão a eles,
que desde sempre são o meu porto seguro.
Aos demais familiares, pelo apoio e contribuições ao longo da minha formação.
A todos os amigos, por me proporcionarem ocasiões de conforto e descontração
nos momentos de maior necessidade e que serão levados por toda vida.
Aos meus amigos Adriano, João Paulo, Reginaldo e Obed pelas críticas,
sugestões, contribuições fornecidas durante o desenvolvimento deste trabalho e,
principalmente, pelo imenso aprendizado que obtive. Presto meus sinceros agradecimentos
pela força e sabedoria que me foi concedida.
Aos professores do DEE pelos cinco anos de intenso aprendizado, em especial
aqueles que amam o que fazem e se empenham em transmitir conteúdo aos alunos.
Aos professores Otacílio e Arthur pela orientação e disponibilidade no
acompanhamento deste trabalho.
“Posso todas as coisas naquele que me
fortalece” (Filipenses 4:13)
RESUMO
Esta monografia apresenta o desenvolvimento de um aplicativo para dispositivos móveis com
sistema operacional Android para diagnosticar as condições de operação de transformadores
elétricos e para realizar uma avaliação quantitativa da vida útil do equipamento conforme a
norma NBR 5416. Trata-se de uma ferramenta desenvolvida com tecnologia computacional
de código aberto e uma atualização tecnológica da computação móvel. O aplicativo possui
funcionalidades relacionadas à comunicação sem fio via Bluetooth, à transferência e
persistência de dados mediante o protocolo ModBus, à formação de perfis gráficos e à
avaliação quantitativa do tempo de vida do transformador diagnosticado. O sistema de
monitoramento e diagnóstico é composto por um módulo Datalogger, o qual aquisiciona
dados de temperatura, corrente e tensão elétrica a uma taxa de amostragem ajustável
remotamente, e por um tablet, no qual a aplicação é executada. Os testes do sistema foram
realizados no laboratório GPAR, através de testes de calibração dos sensores, de comunicação
entre o módulo de aquisição e o dispositivo móvel e de validação das funcionalidades
desenvolvidas mediante os dados medidos. Através dos dados medidos, considera-se que o
aplicativo proposto apresenta-se como uma ferramenta de baixo custo e relevante quanto ao
caráter de manutenção preditiva, representando uma contribuição para a melhoria da
qualidade de fornecimento de energia das concessionárias por possibilitar o acompanhamento
do estado de funcionamento e desgaste dos transformadores utilizados na rede elétrica.
Palavras-chave: Android. Datalogger. Bluetooth. Monitoramento de transformadores.
ABSTRACT
This paper presents the development of an application for mobile devices with Android
operating system to diagnose the conditions of operation of electric transformers and to make
a quantitative assessment of the useful lifetime of the equipment according to NBR 5416.
This is a computational tool developed with open source technology and a technological
upgrade of mobile computing. The application has features related to Bluetooth wireless
communication, to data transfer and persistence through the ModBus protocol, training of
graphical profiles and quantitative assessment of the transformer’ lifetime diagnosed. The
application for monitoring and diagnosis presented consists of a datalogger module which
measurement data acquisition of temperature, current and electrical voltage to a remotely
adjustable sampling rate, and a tablet, wherein the mobile application runs. The application
tests were performed at GPAR laboratory through calibration of the sensors, communication
between the acquisition module and the mobile device and validation of the data measured.
Through the results, it is considered that the proposed application is presented as an
inexpensive tool and relevance regarding the character of predictive maintenance,
representing a contribution to improving the quality of power supply of utilities by allowing
the monitoring of the state operation and wear of transformers used in power grids.
Keywords: Android. Datalogger. Bluetooth. Monitoring of Transformers.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 – Esquema básico do SEP ...................................................................................... 18
Figura 1.2 – Matriz da oferta da energia interna no Brasil. ..................................................... 19
Figura 2.1 – Arquiteturas observadas em sistemas de monitoramento. .................................. 24
Figura 2.2 – Ciclo de obtenção e visualização de dados. ........................................................ 31
Figura 2.3 – Módulo Datalogger. ............................................................................................ 32
Figura 2.4 – Dados armazenados em um ciclo de escrita. ....................................................... 33
Figura 2.5 – Fluxograma do ciclo de leitura. ........................................................................... 34
Figura 2.6 – Relógio de tempo real do sistema. ...................................................................... 35
Figura 2.7 – Exemplo do pacote de configuração do módulo Datalogger. ............................. 35
Figura 2.8 – Detalhe da sensor de corrente. ............................................................................ 36
Figura 2.9 – Detalhe do sensor de temperatura. ...................................................................... 37
Figura 2.10 –Transmissor do sinal de temperatura................................................................... 37
Figura 2.11 –Detalhe da ligação do transmissor de temperatura com o sensor PT 100. .......... 38
Figura 2.12 –Condicionador de sinal para os sensores de corrente. ......................................... 38
Figura 2.13 –Base de funcionamento do protocolo Modbus. ................................................... 39
Figura 2.14 – Formato da mensagem no modo ASCII. ............................................................ 40
Figura 2.15 – Curva de expectativa de vida para transformadores da classe 55º e 65º. ........... 42
Figura 3.1 – Diagrama da conexão Bluetooth. ........................................................................ 46
Figura 3.2 – Diagrama do ciclo de configuração..................................................................... 47
Figura 3.3 – Diagrama do ciclo de transferência. .................................................................... 48
Figura 3.4 – Exemplo de registro. ........................................................................................... 48
Figura 4.1 – Banco de resistências utilizada para simular a carga. ......................................... 51
Figura 4.2 – Método de medição das correntes de fase. .......................................................... 52
Figura 4.3 – Leitura do valor RMS de corrente verificado no osciloscópio. ......................... 53
Figura 4.4 – Detalhe da localização dos sensores de temperatura........................................... 53
Figura 4.5 – Simulação da comunicação entre o tablet e o adaptador bluetooth. ................... 54
Figura 4.6 – Ícone da aplicação SIMA_TRAFO. .................................................................... 55
Figura 4.7 – Tela inicial do SIMA_TRAFO. .......................................................................... 56
Figura 4.8 – Telas de permissão, busca e listas dos dispositivos localizados. ........................ 57
Figura 4.9 – Tela de conexão do SIMA_TRAFO ................................................................... 58
Figura 4.10 –Tela de configuração e cadastro do SIMA_TRAFO. ......................................... 59
Figura 4.11 –Tela de transferência bluetooth. .......................................................................... 60
Figura 4.12 – Tela de notificação. ............................................................................................ 61
Figura 4.13 – Campo de seleção do transformador. ................................................................. 62
Figura 4.14 – Correntes medidas no ensaio. ............................................................................. 63
Figura 4.15 – Temperaturas medidas no ensaio. ...................................................................... 63
Figura 4.16 – Carregamento elétrico no ensaio. ...................................................................... 64
Figura 4.17 – Tela de transformadores cadastrados. ................................................................ 65
Figura 4.18 – Fechamento do aplicativo SIMA_TRAFO. ....................................................... 66
Figura A.1 – Esquemático do circuito condicionador de sinais para correntes. ....................... 73
Figura B.1 – Requisitos operacionais necessários para execução do SDK. ............................. 73
Figura B.2 – Janela de criação do projeto. ............................................................................... 73
Figura B.3 – Janela de configuração do projeto. ...................................................................... 73
Figura B.4 – Exemplo do pacote do projeto TFC_1. ............................................................... 73
Figura B.5 – Exemplo de ArquivoManisfest.xml..................................................................... 73
Figura C.1 – Plataforma do sistema operacional Android. ...................................................... 81
Figura D.1 – Diagrama do método de estimação da temperatura no ponto quente .................. 84
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Relação entre sensores e variáveis de inspeção...................................................28
Tabela 2.2 – Módulos de engenharia para diagnósticos e prognósticos de transformador..... 38
Tabela 2.3 – Temperaturas limites de operação do transformador...........................................42
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRADEE
ADT
A/D
Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica
Android Development Tools
Analógico Digital
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
API Application Programming Interface
CI Circuito Integrado
CLP Controlador Lógico Programável
DEE Departamento de Engenharia Elétrica
DsPic Digital Signals Peripherical
EEPROM Electrically- Erasable Programmable Read-Only Memory
GPAR
I²C
IDE
Grupo de Pesquisa em Automação e Robótica, DEE/UFC.
Inter- Intergrated Circuit
Integrated Development Environment
IED
IEEE
Intelligent Eletronic Devices
Institute of Electrical and Eletronic
MME
RMS
RFCOMM
RTC
SDK
SEP
Ministério de Minas e Energia
Root Means Square
Radio Frequency Communication
Real Time Clock
Software Development Kit
Sistema Elétrico de Potência
SIN
SQL
SO
TA
TC
TP
TPM
TM
UFC
USB
WiFi
Sistema Interligado Nacional
Structured Query Language
Sistema Operacional
Transformadores e Autotransformadores
Transformador de Corrente
Transformador de Potencial
Temperatura no ponto mais quente
Temperatura Média
Universidade Federal do Ceará
Universal Serial Bus
Wireless Fidelity
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 16
1.1 Motivação ............................................................................................................................ 16
1.2 Problemática ....................................................................................................................... 18
1.3 Justificativas ....................................................................................................................... 21
1.4 Estrutura do Trabalho ....................................................................................................... 22
2. SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE TRANSFORMADORES .............................. 23
2.1 Panorama Atual no Brasil ................................................................................................. 23
2.2 Arquiteturas e Características .......................................................................................... 24
2.3 Descrição de um Sistema de Monitoramento .................................................................. 25
2.3.1 Etapa da Coleta de Dados .............................................................................................. 27
2.3.2 Etapas de Armazenamento e Transmissão dos Dados .................................................. 29
2.3.3 Etapa da Disponibilidade de Dados ............................................................................... 29
2.4 Módulo Datalogger ............................................................................................................ 31
2.4.1 Microcontrolador e Memória. ........................................................................................ 32
2.4.2 Relógio em Tempo Real (RTC) ...................................................................................... 35
2.4.3 Sensores .......................................................................................................................... 36
2.4.4 Condicionadores de Sinais. ............................................................................................ 37
2.4.5 Protocolo de Comunicação. ........................................................................................... 39
2.5 Norma Técnica Brasileira 5416......................................................................................... 40
2.6 Conclusão ............................................................................................................................ 43
3. DESCRIÇÃO DA APLICAÇÃO PROPOSTA ................................................................... 44
3.1 Justificativas ....................................................................................................................... 44
3.2 A Aplicação ......................................................................................................................... 45
3.2.1 Funcionalidades ............................................................................................................. 45
3.2.1.1 Comunicação Bluetooth.............................................................................................. 46
3.2.1.2 Transferência de Dados .............................................................................................. 47
3.2.1.3 Tratamento, Validação e Armazenamento ................................................................. 48
3.2.1.4 Gráficos ...................................................................................................................... 49
3.2.1.1 Cálculo da Vida Útil ................................................................................................... 50
3.3 Conclusão ............................................................................................................................ 50
4. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA APLICATIVO E DATALOGGER ....................... 51
4.1 Metodologia de Testes ........................................................................................................ 51
4.2 Telas do Aplicativo SIMA_TRAFO ................................................................................. 55
4.2.1 Tela Inicial ...................................................................................................................... 56
4.2.2 Tela de Descoberta Bluetooth ........................................................................................ 57
4.2.3 Tela de Conexão ............................................................................................................. 58
4.2.4 Tela de Configuração ..................................................................................................... 59
4.2.5 Tela de Transferência..................................................................................................... 60
4.2.6 Tela de Notificação ......................................................................................................... 61
4.2.7 Tela de Gráficos .............................................................................................................. 62
4.2.8 Tela de Transformadores Cadastrados .......................................................................... 65
4.3 Encerrando o Aplicativo .................................................................................................... 66
4.4 Conclusões Parciais ............................................................................................................ 66
5. CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 68
5.1 Contribuições ...................................................................................................................... 68
5.2 Discussões Gerais e Conclusões ........................................................................................ 68
5.3 Sugestões para Trabalhos Futuros ................................................................................... 69
REFERÊNCIAS .......................................................................................................................... 70
APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DO CONDICIONADOR DE SINAIS ........................... 73
APÊNDICE B – O AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO ECLIPSE ............................. 74
B.1 Considerações Iniciais .......................................................................................................... 74
B.2 Configurações ........................................................................................................................ 74
B.3 Organização ........................................................................................................................... 77
B.3.1 Pasta Source ....................................................................................................................... 77
B.3.2 Pasta GEN .......................................................................................................................... 78
B.3.3 Arquivo AndroidManifest.xml ......................................................................................... 78
B.3.4 A pasta de recursos ............................................................................................................ 80
APÊNDICE C – PLATAFORMA DE DESENVOLVIMENTO ANDROID ........................ 81
APÊNDICE D – ESTIMAÇÃO DA TEMPERATURA DO PONTO QUENTE .................. 83
D.1 Diagrama de Blocos .............................................................................................................. 83
D.2 Resultados obtidos ................................................................................................................ 84
16
1. INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
As distribuidoras de energia elétrica estão sujeitas a constantes transformações em
virtude das mudanças impostas ao modelo institucional do setor elétrico. Essas
transformações exigem ações estratégias bem elaboradas e economicamente viáveis, pois a
competição, a busca por menores custos e melhoria na qualidade da energia, e a maximização
da disponibilidade de seus ativos são fatores determinantes da excelência e sucesso das
mesmas. Devido a estes fatores se faz necessário o acompanhamento técnico preventivo e
corretivo dos principais equipamentos existentes na rede de distribuição de energia.
Como as regras e os requisitos do mercado não permitem inúmeros procedimentos
de manutenção corretiva ou práticas de manutenções periódicas, as recentes melhorias nos
índices de desempenho e qualidade do fornecimento de energia elétrica, baseadas no fator
custo-benefício, têm sido demonstradas pelas concessionárias que migraram das práticas de
manutenção periódica e corretiva intensiva para a manutenção preditiva identificada pelos
sistemas de monitoramento dos equipamentos das subestações (ROCHA, et al, 2011).
A manutenção preditiva ou condicionada tem o objetivo de prevenir a ocorrência
de falhas nos equipamentos ou sistemas através do acompanhamento de parâmetros diversos,
visando à maximização da operação contínua como também melhorar a confiabilidade da rede
elétrica. Segundo Carvalho (2011) e Souza (2009) trata-se de um tipo manutenção que prediz
o tempo de vida útil dos componentes das máquinas e equipamentos e as condições para que
esse tempo de vida seja bem aproveitado.
Conforme Paulino e Almeida (2006) a manutenção nos equipamentos elétricos é
considerada como um dos ramos da área técnica que mais evolui, constituindo uma poderosa
ferramenta para garantir o funcionamento contínuo das instalações responsáveis pelo
suprimento de energia elétrica. Nesse contexto os sistemas de diagnósticos de falhas mostram-
se como ferramentais indispensáveis para a implantação desse tipo de manutenção e estão em
perfeita sintonia com as exigências do setor elétrico.
Todos os equipamentos do sistema elétrico devem ser monitorados dado que a
descontinuidade do fornecimento de energia é mais dispendiosa que o valor do equipamento
em si. Portanto, antecipar a falha, ou então poder detectá-la no menor espaço de tempo evita
prejuízos financeiros maiores (LEMOS, et al, 2008).
17
Pinto e Nascif (2001) afirmam que estão disponíveis várias técnicas de
monitoramento para a verificação da modificação do parâmetro estabelecido sendo e estas são
classificadas de acordo com a grandeza medida, defeito e aplicabilidade. As técnicas
comumente adotadas pelas empresas prestadoras de serviços de manutenção em equipamentos
elétricos são:
a) os ensaios elétricos (corrente, tensão e isolação);
b) análise de temperatura (termometria convencional e indicadores de
temperatura);
c) análise de óleos (nível, viscosidade, teor de água, gases e contagem de
partículas);
d) análise de vibrações (nível global, espectro de vibrações e pulsos de choque).
Adicionalmente sistemas de monitoramento que operam de forma não
supervisionada devem ser adquiridos pelas empresas de distribuição de energia elétrica para
dar suporte e fornecer informações aos setores de planejamento e execução da manutenção
preditiva. Quando criteriosamente projetados e instalados com sensores devidamente
calibrados e em quantidade suficientes, esses sistemas fornecem dados consistentes para uma
análise e programação apropriada da manutenção.
Portanto a checagem regular das condições de operação dos equipamentos torna-
se cada vez mais importante, o que torna imperativo a busca de procedimentos e ferramentas
que possibilitem a obtenção de dados das instalações de forma rápida e precisa (Paulino,
2010).
Como medida de caráter complementar, este trabalho apresenta um aplicativo para
dispositivos móveis com tecnologia Android capaz de analisar as grandezas elétricas
comumente medidas em transformadores e avaliar, a partir destes dados, o estado de operação
do equipamento. Esse aplicativo além de conferir uma atualização tecnológica condizente
com a atualidade, apresenta um modelo de aquisição e armazenamento de dados menos
oneroso e utiliza a pilha de protocolo Bluetooth por exigir menos recurso energético. Sendo,
portanto uma estratégia de monitoramento de baixo custo.
18
1.2 Problemática
Monitorar a condição dos transformadores tem sido objeto de preocupação no que
diz respeito a evitar as perdas econômicas causadas por falhas no equipamento e a
consequente descontinuidade do serviço. Em geral as concessionárias investem
continuadamente nos processos de manutenção e de diagnóstico de estado dos
transformadores de potência. Dentre as principais razões para isto estão aspectos associados
ao elevado custo de aquisição, ao reparo e à substituição destes equipamentos que podem
chegar a milhões de dólares, e, também, à necessidade de manter uma elevada confiabilidade
operativa dos serviços de fornecimento de energia, nos níveis exigidos pela ANEEL (Agência
Nacional de Energia Elétrica) (DUPONT, 2003) e (MARQUES, 2004).
A Figura 1.1 ilustra o esquema básico do SEP (Sistema Elétrico de Potência) com
os principais agentes. No modelo atual o sistemas elétrico está tipicamente divididos nos
segmentos geração, transmissão e distribuição.
Figura 1.1 - Esquema básico do SEP
Fonte: Quanta Geração (2013)
O segmento de geração é bastante pulverizado contando, segundo dados da
ANEEL, com 2.661 empreendimentos geradores O Brasil é o país com maior potencial
hidroelétrico, um total de 260 mil MW. Possui mais de 1000 usinas hidrelétricas, das quais
199 são consideradas de grande porte, potência instalada superior a 30 MW, responsáveis por
aproximadamente 97% da capacidade instalada (RODNEI, 2012) e (ABRADEE, 2013).
Quatro das 20 maiores usinas do mundo estão instaladas no país: Itaipu com
potência de 14 mil MW, Tucuruí com 8,37 mil MW, Ilha Solteira 3,44 mil MW e Xingó com
3,16 mil MW. Nestas o nível de tensão na saída dos geradores está normalmente na faixa
entre 6 kV a 25 kV.
Destaque também para geração termoelétrica que tem passado por expressivo
crescimento, sobretudo após o desabastecimento de energia elétrica ocorrido no início dos
anos 2000 e a geração eólica que alcançou a marca de 5,050 GWh em 2012, associada a
19
estimativa que a capacidade instalada alcance os 17,4 mil MW em 2022 (MME, 2013), (EPE,
2013) e (CARVALHO, NETO, 2012).
Figura 1.2 - Matriz da oferta da energia interna no Brasil.
Fonte: MME (2013).
O sistema de transmissão é a unidade do SEP responsável por conectar as usinas
de geração às áreas consumo. O sistema de transmissão brasileiro, considerado o maior do
mundo, é controlado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), que conta com a
participação de empresas de todo o país. (MME 2013).
Segundo (ABRADEE, 2013), o Brasil conta com 77 concessionárias responsáveis
pela administração e operação de mais de 100.000 quilômetros de linhas de transmissão
espalhadas pelo país. O nível de tensão estabelecido para esta unidade está entre 220 kV a 756
kV. Por ser o elo de conexão entre com as unidades de geração e subtransmissão qualquer
falta neste nível pode comprometer a continuidade de suprimento de energia elétrica para um
grande bloco de consumidores (LEÃO, 2010).
No Brasil esta parte do SEP tem sido motivo de atenção e estudos após as recentes
falhas e descontinuidade de fornecimento de energia para grandes blocos de carga.
Considerando a realização de grandes eventos esportivos nos próximos anos e o projeto de
expansão do Sistema Interligado Nacional 1 (SIN) com a inserção da região norte ao sistema,
o Plano Decenal de Expansão de Energia em sua última versão, para o período 2007 a 2016,
já prevê investimento de R$23,8 bilhões relativos a 34.072 km de linhas e R$10,1 bilhões
relativos às subestações e transformadores (LOBÃO, 2008).
1 Formado por empresas de geração, transmissão e distribuição do país, permite o intercâmbio de energia
elétrica entre as diversas regiões brasileiras. Atende cerca de 98% do mercado nacional de energia elétrica.
20
A rede de subtransmissão representa uma divisão do sistema de transmissão. Ela
tem objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades e a importantes consumidores
industriais. Nesta unidade o nível de tensão está em torno de 34.5 kV à 160 kV e alimentam
subestações de distribuição, cujos alimentadores primários de saída operam em níveis de 13.8
kV. Em geral apenas poucos consumidores (indústrias de grande porte, fábricas de cimento e
siderúrgicas) com um alto consumo de energia elétrica são conectados às redes de
subtransmissão onde predomina a estrutura de linhas aéreas (LEÃO, 2010).
As redes de distribuição constituem a unidade do SEP responsáveis por entregar a
energia elétrica aos consumidores atendidos na baixa tensão, tensão entre fases cujo valor
eficaz é igual ou inferior a 1 kV. Em boa parte do país, os transformadores de distribuição
reduzem a tensão de 13.8 kV (tensão primária de distribuição) para em 220 V ou 127 V
(tensão secundária de distribuição). Conforme (LEÃO, 2010) estes equipamentos alimentam
diretamente as redes de baixa tensão, as quais efetivamente entregam a energia elétrica para
os consumidores residenciais, pequenos comércios e indústrias.
Segundo (ABRADEE, 2013), no Brasil o sistema de distribuição é administrado
por 63 concessionárias, atendendo mais de 72 milhões de unidades consumidoras. Esta parte
do SEP é também um dos mais regulados e fiscalizados do setor elétrico, pois além de prestar
serviço público sob contrato a ANEEL, a própria agência edita resoluções, portarias e outras
normas para a administração adequada do setor.
O processo de fiscalização dá ênfase à qualidade e continuidade do produto
energia elétrica e na adequação dos serviços técnicos prestados pela concessionária. Analisa a
observância, pela concessionária, dos padrões de qualidade e continuidade contidos no
contrato de concessão e na legislação em vigor, além de averiguar os recursos humanos,
materiais, métodos e os processos das áreas técnicas da concessionária.
Adicionalmente, o MME, através da portaria n° 339,1º de junho de 2012, define
requisitos mínimos de desempenho para transformadores de distribuição em líquido isolante.
A meta é intensificar a padronização do equipamento responsável pela entrega de energia
elétrica aos consumidores e reduzir os níveis de perda quando opera em vazio e as perdas
máximas totais.
Em junho de 2013 o MME aprovou uma regulamentação para rotular selo de
eficiência energética em transformadores de redes de distribuição em líquido isolante.
21
Estimasse uma economia anual de 1.516 GWh de energia, equivalente hoje a R$ 468 milhões
por ano, quando o processo de rotulação estiver plenamente implantado (PROCEN,2013).
Mais uma vez destaca-se a importância dos transformadores como sendo os
agentes responsáveis pela interligação entre as unidades de geração, transmissão e
distribuição do SEP, representando os maiores ativos, em quantidade de equipamentos, nas
subestações de distribuição. Além disso, os transformadores de média tensão ou distribuição
são os componentes da rede de distribuição de maior perda, 33% da energia total
(LEONARDO ENERGY, 2005). No Brasil as perdas no sistema de distribuição chegam a
ordem de 61 TWh, cerca de 18,3% da energia consumida (MME, 2013).
1.3 Justificativas
O presente trabalho tem como objetivo apresentar um sistema de monitoramento e
diagnóstico de transformadores utilizando um módulo de aquisição e armazenamento de
dados aliado à aplicação desenvolvida instalada num dispositivo móvel com suporte à
plataforma Android.
Sabendo do poder computacional embarcado nos dispositivos móveis e
objetivando contribuir com as linhas de pesquisa e desenvolvimento nas áreas de manutenção
preventiva/preditiva e gerenciamento energético demandado pelas empresas de distribuição de
energia elétrica, estamos apresentando um aplicativo capaz de auxiliar o sistema de medição e
controle das variáveis físicas de interesse à área da Engenharia Elétrica.
A motivação para o trabalho teve origem na necessidade de tornar o sistema de
monitoramento apresentado por (ANJOS, 2010)2 mais flexível, moderno, conferindo-o uma
atualização tecnológica condizente com a realidade atual quando se considera o estado da
telefonia móvel e na viabilidade técnica de aplicações voltadas para o monitoramento das
condições de operação de transformadores, sendo tratado como mais uma ferramenta auxiliar
aos recursos de avaliação já existentes.
A partir deste trabalho espera-se estimular o desenvolvimento de aplicativos
voltados para áreas correlacionadas à Engenharia e contribui academicamente como material
de pesquisa, publicação científica e ferramenta auxiliar aos profissionais especialistas em
manutenção preditivas.
2 O sistema de monitoramento anterior é composto pelos módulos Datalogger, Mobile e Desktop.
22
1.4 Estrutura do Trabalho
Este trabalho está dividido em cinco capítulos, com Referência Bibliográfica,
Bibliográfia e Apêndices. No segundo capítulo é apresentada uma visão geral da automação
voltada a Sistemas Elétricos de Potência, dando enfoque ao que há disponível no mercado,
tecnologias e metodologias. Também é apresentado o módulo de aquisição e armazenamento
de dados utilizado nos testes, descrevendo o hardware, os sensores utilizados e a etapa de
comunicação com o dispositivo móvel.
O terceiro capítulo é dedicado à descrição da aplicação desenvolvida, a
apresentação do diagrama funcional, uma breve abordagem do Sistema Operacional (SO)
Android e as ferramentas utilizadas no desenvolvimento.
O quarto capítulo é dedicado à descrição do diagrama funcional geral do sistema
de monitoramento proposto, comentando as etapas desde a coleta de dados até a exibição em
forma de gráficos, detalhes da metodologia de testes, comentários e observações analíticas
dos resultados.
Por fim, o quinto capítulo é destinado às conclusões, avaliação crítica da pesquisa
e as proposta de trabalhos futuros.
23
2. SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE TRANSFORMADORES
Este capítulo é destinado à apresentação das características do sistema de
monitoramento existentes no SEP focado no equipamento transformador. Na seção 2.1 contém
abordagem acerca do cenário da gestão da energia elétrica no Brasil, as dificuldades e a busca por
soluções que minimizem os obstáculos e ao mesmo tempo sejam viáveis para adoção. Na seção 2.2
contém descrição e características das arquiteturas de sistemas de monitoramento bem como as
principais diferenças. Em seguida na seção 2.3, há um detalhamento das etapas constituintes de um
sistema de monitoramento básico. Na seção 2.4 é apresentado o módulo Datalogger projetado para
monitorar e aquisicionar dados de transformadores para posterior avaliação. Na seção 2.5 é feita
uma breve abordagem da norma 5416 que é utilizada neste trabalho para a estimação da vida útil
do transformador. Por fim, na seção 2.6 são realizados alguns comentários conclusivos parciais
acerca do conteúdo exposto no capítulo.
2.1 Panorama Atual no Brasil
O mercado de energia elétrica no Brasil tem sido impactado sensivelmente pelo
aumento da demanda exigida pelo crescimento dos centros populacionais e industriais, o
advento de grandes eventos esportivos, execução de grandes obras de infraestruturas e em
contrapartida tem-se vivenciado um período de estiagem, determinando a redução dos níveis
de água nos reservatórios.
Neste contexto, as empresas do setor estão sendo induzidas a administrar melhor
a relação demanda e oferta de energia elétrica, forçando melhorias relacionadas à eficiência,
confiabilidade, sustentabilidade e redução dos custos operacionais.
Por ser um sistema cada vez mais complexo, exigindo elevados investimentos de
ordem técnica e possuir dimensões continentais o sistema elétrico nacional é hoje tratado de
forma singular. As empresas de energia elétrica têm destinado recursos para modernização e
atualização tecnológica de suas redes, consideráveis parcelas financeiras de investimento tem
sido destinadas ao planejamento, implantação e execução de obras, além de emprego de
recursos em pesquisas voltadas à área da tecnologia da informação.
Uma pequena falha no isolamento do transformador pode impactar sensivelmente
todo um processo industrial, paralisar o comércio, desativar uma usina elétrica ou interromper
o suprimento de grandes blocos de carga levando a imensuráveis prejuízos financeiros.
24
Segundo Alves e Vasconcelos (2009) este contexto tem forçado a mudança nas
filosofias de manutenção, acelerando a migração da manutenção preventiva para a preditiva
Os primeiros equipamentos em que se opera essa mudança são os transformadores de
potência, visto que, além de essenciais para as redes de transmissão e distribuição, são, em
geral, os maiores ativos de uma subestação.
2.2 Arquiteturas e Características
Um típico sistema de monitoramento e supervisão de grandezas, elétricas e não
elétricas é composto por unidades de aquisição e controle de dados, interfaces de conversão
de sinais analógicos e digitais (A/D), computadores para processamento e armazenamento de
dados, cumprindo a função de interface homem-máquina (IHM), protocolos padrões de
comunicação, além do conjunto de transdutores e outros dispositivos que enlaçam os
diferentes componentes (ALVES; VASCONCELOS, 2009), (DIETER, et al, 2007) e
(ROCHA, et al, 2011).
A Figura 2.1 ilustra um diagrama básico representativo do sistema descrito.
Figura 2.1 - Arquiteturas observadas em sistemas de monitoramento.
Fonte: Adaptada de (ROCHA, et al, 2011).
25
O modelo para sistemas de monitoramento e supervisão considera a medição das
variáveis envolvidas por meio de sensores associados ou não a condicionadores de sinais,
conectados a uma arquitetura: alicerçada na existência de um elemento centralizador,
geralmente um controlador lógico programável (CLP), ou a descentralizada, alicerçada em
IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes).
Na arquitetura centralizada, representada na Figura 2.1 pelos blocos interligados
por setas na cor verde, o CLP é a parte principal do sistema. As informações são concentradas
nesta parte e enviadas ao centro de controle e monitoramento. Entretanto as manutenções são
consideradas mais difíceis, os sensores são dedicados à conexão com o CLP e exclusivos ao
fabricante, uma falha no concentrador pode conduzir a perda total das funções do sistema, a
temperatura máxima de operação é geralmente reduzida a 55ºC e a comunicação ocorrem com
protocolos de comunicação industrial (ALVES; VASCONCELOS, 2009).
Na arquitetura descentralizada, representada na Figura 2.1 pelos blocos
interligados por setas na cor azul, os IEDs formam um sistema autônomo capaz de realizar
medições e emitir alarmes, sem computadores ou softwares especiais associados. O uso dos
IEDs permite uma redução no custo de implantação, bem como de manutenção, no número de
cabos e equipamentos necessários à sua utilização, possibilitando troca de informações mais
rápidas, simplificação do projeto, maior confiabilidade uma vez que cada sensor é
independente e possui funções especializadas (ALVES; VASCONCELOS, 2009).
2.3 Descrição de um Sistema de Monitoramento
O sistema de monitoramento é constituído por um conjunto de equipamentos,
hardware e software, que está conectado ao sistema elétrico por meio de equipamentos de
medição, proteção, controle e telecomunicações, possibilitando a supervisão e controle a
distância (FERREIRA, 2007).
O sistema de automação associado deve ser composto por equipamentos de
aquisição de dados e de dispositivos localmente ou remotamente controlados, bem como
possuir funcionalidades de processamento e análise dos respectivos dados que possibilitem
suporte às funções de decisão. Dado que tais equipamentos desempenham papéis essenciais
no monitoramento do sistema elétrico, eventuais falhas podem acarretar grandes prejuízos,
não apenas pelos danos aos equipamentos, mas também por perdas de receitas, multas
contratuais e redução da confiabilidade do sistema.
26
Neste contexto os sistemas de monitoração adotado em transformadores de
potência são classificados como online. Segundo Alves e Vasconcelos (2009) sistemas de
monitoramento online são considerados como uma importante ferramenta no processo de
manutenção preditiva, pois não colocam em risco a segurança e confiabilidade da operação
dos transformadores, permitindo conhecer sua condição de operação além de diagnosticar
eventuais problemas.
Portanto estes sistemas devem estar calibrados para diagnosticar operações
anormais, e mais desejáveis ainda é que eles possam detectar falhas ainda em fase incipiente.
Conforme Ferreira (2007) em operações em tempo real, as principais grandezas elétricas do
SEP, por meio dos processos de telemedição; por intermédio de processos de telecontrole,
atuam nos equipamentos para abrir ou fechar disjuntores; atuar nos reguladores de velocidade
das unidades geradoras; modificar posição de tap de transformadores e atuar no sistema de
excitação das unidades geradoras.
As atividades de monitoramento e controle nos sistemas de média e alta tensão
são consideradas economicamente viáveis em decorrência, principalmente, do valor dos
equipamentos monitorados, o tempo de manobra e reparos mais longos e da abrangência
geográfica de influência das interrupções nestes equipamentos (BARRETO, 2010) e
(ROCHA, et al,2011).
Segundo Martins (2009) os mais importantes critérios econômicos a considerar na
gestão da vida de um dado transformador são: o valor residual, custo de manutenção3, custo
de monitoração, custo de reparo, custo de substituição4 e valor do transformador como
unidade de reserva.
Para transformadores de distribuição a relação entre o custo do equipamento e o
custo do sistema de coletada e transmissão de dados não é atrativamente compensador.
Segundo Barreto (2010) também é reduzido o potencial de perdas financeiras e de imagem,
em relação aos sistemas de média e alta tensão, pela maior capilaridade do sistema, a falha de
um equipamento na distribuição custa menos, atinge menos usuários e numa área menor.
Recentes estudos têm sido feitos com intuito de diagnosticar o estado de operação
de transformadores de média tensão. Os trabalhos de (ANJOS, 2010) e (LIMA, 2012)
3 Custo de manutenção é usualmente crescente com o tempo de serviço do equipamento.
4 Os transformadores mais recentes apresentam perdas no núcleo de ferro inferior aos mais antigos.
27
mostram alternativas a complementar os sistemas de monitoramento nas empresas de
distribuição. Estes sistemas que utilizam a estratégia de coleta de dados menos onerosa e são
classificados como offline5. A arquitetura adotada é a centralizada, o custo da instalação é
inferior aos tradicionais, mas os benefícios e a garantia de continuidade da qualidade de
serviço para consumidores atendidos na baixa tensão são aumentados.
Nas seções seguintes serão abordadas as etapas constituintes do sistema de
monitoramento voltado para o gerenciamento e controle do sistema elétrico, as tecnologias e
implementações.
2.3.1 Etapa da Coleta de Dados
Em um sistema de aquisição de dados, blocos funcionais relacionados com
sensores, condicionadores de sinais, conversores analógico-digital (A/D) e memórias são
constituintes básicos (BRAGA, 2008).
Estes devem ser devidamente calibrados e associados a condicionadores de
sinais a fim de filtrar todo e qualquer sinal indesejado. Assim a correta seleção dos sensores e
condicionadores são parâmetros iniciais de garantia que o protótipo de medição funcionará de
modo confiável. Aliado a isto, muitas tecnologias estão sendo desenvolvidas para tornar os
sensores cada vez mais precisos e resistentes em situações extrema de temperatura, pressão e
umidade, além disto, alguns dotados de módulo e protocolo para comunicação serial que
permitam a troca de dados em rede de comando e supervisão.
O sensor a ser utilizado é dependente da grandeza medida e adaptado à parte do
equipamento a ser monitorado. A Tabela 2.1 resume os principais módulos de diagnóstico
especificados no monitoramento de transformador, bem como as variáveis inspecionadas.
Tipos como os termopares RTD6 e termovisores para medições térmicas, os
transdutores7 resistivos, bobinas de Rugowski e transformadores de corrente (TC) para
medições de corrente, transformadores de potencial (TP) para tensão elétrica, os strain gauges
(extensômetros), para medições de deformações mecânicas, manômetros, relés e
5 Sistemas cuja atualização da base de dados não ocorre de forma automática.
6 RTD (Resistence Temperatura Devices): sensores cujo sinal de saída é uma resistência elétrica.
7 Dispositivos que modificam a natureza do sinal de entrada utilizado na mensuração de grandezas, por exemplo;
enconder, medidor de energia residencial, termômetros, acelerômetros, anemômetro e outros.
28
cromatografia para monitoramento do gás são comumente utilizados nestes tipos de sistemas
(BRAGA, 2008), (ALESSI, OGAWA, 2010).
A fim de compatibilizar as informações medidas provenientes dos sensores em
representações numéricas junto ao conversor A/D, o circuito condicionador de sinais é
responsável por adequar o sinal elétrico gerado pelos sensores em sinais compatíveis para a
interpretação pelos conversores digitais, respeitando-se uma relação sinal/ruído e níveis de
distorção harmônica reduzidos.
As informações medidas são convertidas para representações numéricas binárias
através do conversor analógico-digital. A quantidade de bits de resolução, a velocidade de
resposta e a faixa de amplitudes do sinal que deve ser convertido são características relevantes
neste tipo de transcrição (ANJOS, 2010).
Tabela 2.1 - Relação entre sensores e variáveis de inspeção.
Fonte: (SEVERO, et al, 2011).
29
2.3.2 Etapas de Armazenamento e Transmissão dos Dados
A etapa de armazenamento consiste no momento posterior a etapa de aquisição.
Nela os dados são armazenados no banco de dados ou servidor local do sistema de gestão do
monitoramento. Na área da operação em tempo real encontrada nas concessionárias de
energia elétrica os dados coletados nas subestações de grande porte devem ser
automaticamente disponibilizados, exigindo a disponibilidade de uma cobertura técnica para
ajustes e ações que demandem intervenções imediatas.
Sistemas de supervisão e controle dependem de sistemas de telecomunicações.
Estes podem utilizar radiocomunicação, redes cabeadas ou comunicação via satélite.
Normalmente são empregados meios físicos guiados, como as infraestruturas das redes
cabeadas e de fibras óticas, ou através de propagação aérea, como em links de
radiotransmissão (FERREIRA, 2007).
Se o computador que efetua o armazenamento e tratamento dos dados estiver
localizado na própria sala de controle da subestação, a conexão com a transmissão de dados
que vêm dos equipamentos monitorados é direta. Caso contrário, se o computador estiver em
uma localidade remota, a transmissão dos dados de medição pode ser efetuada também
através rede intranet da empresa, pela internet ou ainda por modem celular GPRS.
Em particular é necessário citar o protocolo IEC 870-5 que define as regras para
comunicação de equipamentos usados na automação de sistemas elétricos. Existem aplicações
específicas desta norma denominada IEC 870-5/101 que descreve a comunicação de uma
central de monitoramento com uma unidade de aquisição e controle de dados, e a IEC 870-
5/103 que descreve a comunicação entre um computador e relés digitais (MELLO, 2006).
Considerando-se os custos de implantação de meios físicos guiados nesses tipos
de sistemas de monitoramento, observa-se que as tecnologias e os padrões de comunicação
sem fio têm sido bastante utilizados. Pode-se citar os padrões Bluetooth, IEEE 802.11 (WiFi),
IEEE 802.16 (WiMAX), IrDA e ZigBee (ANJOS, 2010).
2.3.3 Etapa da Disponibilidade de Dados
Um sistema de supervisão e controle deve ser capaz de converter os dados
coletados em informações úteis e apontar diagnóstico e prognóstico do estado do equipamento
monitorado. Segundo Alves e Vasconcelos (2009) cumprir essa função, o sistema deve
30
possuir um “Módulo de Engenharia”, no qual estão os algoritmos e modelos matemáticos para
diagnósticos e prognósticos.
O Módulo de Engenharia é um conjunto de programas ou aplicativos que usam a
informação contida na base de dados para executar tarefas. A base de dados é constituída por
registros de grandezas físicas, elétricas e diferentes grupos de informações dos eventos
obtidos de forma direta ou indireta nos equipamentos da subestação, como por exemplo:
acompanhamento da temperatura no transformador, corrente em alimentadores, TC, TP,
alarmes, sinalizadores e outros. Tais grandezas medidas e observadas auxiliam na proteção
dos equipamentos e acessórios destinados à proteção da rede, como também garante a
segurança dos usuários, apontam equipamentos em condições anormais de operação,
contribuem no índice de qualidade do fornecimento de energia elétrica e consequentemente na
confiabilidade do sistema de distribuição de energia.
Tabela 2.2 - Módulos de Engenharia para diagnóstico e prognóstico de transformadores.
Fonte: Adaptado de (SEVERO, et al, 2011).
Portanto nesta etapa os dados obtidos são convertidos e acessados pelo software
que usa algoritmos que os processam e apresenta as condições de operação do equipamento
monitorado, conferindo uma interface amigável ao usuário.
A Figura 2.2 ilustra o ciclo de obtenção e visualização de dados em uma rede de
monitoramento de transformadores de potência. Pela figura podemos visualizar a quantidade
de equipamentos envolvidos no monitoramento, o sistema de integração, transmissão de
dados e os diferentes meios de acesso.
31
Figura 2.2 - Ciclo de obtenção e visualização de dados.
Fonte: (SEVERO, et al, 2011).
2.4 Módulo Datalogger
Denomina-se módulo Datalogger o sistema de hardware microcontrolado
responsável pelo monitoramento, sensoriamento e armazenamento de dados. A Figura 2.3 nos
mostra a vista superior de um Datalogger exclusivamente desenvolvido para coletar dados
das condições de operação de transformadores. Vale ressaltar que este módulo é resultado de
uma série de adaptações e melhorias efetuadas no modelo apresentado por (SEGUNDO,
2009) e (ANJOS, 2010).
32
O módulo Datalogger é composto por oito partes funcionais: um
microcontrolador, memória EEPROM, sensores de corrente e temperatura, circuito
condicionador de sinais, circuito RTC (Real time clock and calendar), adaptador serial
Bluetooth eb301, fonte simétrica de tensão simétrica de ±15 V e bateria de 12 V/ 7Ah.
Figura 2.3 - Módulo Datalogger.
Fonte: Elaborada pelo autor.
O módulo é envolto por uma caixa plástica (CC Plast) da fabricante CEMAR
Legrad cujo grau de proteção é IP67 e IK09. O sistema deve ser fixado no mesmo poste no
qual está instalado o transformador de distribuição a ser analisado. Nas seções seguintes serão
descritas as particularidades de cada parte funcional.
2.4.1 Microcontrolador e Memória.
O microcontrolador utilizado é o dsPic 30F3014 da Microchip Technology Inc.
Este contém 15 canais A/D interno com resolução de 12 bits, dos quais 8 são utilizados para o
propósito do trabalho: três para medição das correntes de fase, dois para a medição da
temperatura no óleo e enrolamento do transformador por último três para tensões de fase.
Vale ressaltar que, para diagnosticar as condições de operação do transformador e quantificar
a vida útil do mesmo, apenas medidas de corrente e temperatura são suficientes. Logo, o
sistema está apto para atender estudos genéricos.
A memória EEPROM utilizada é o modelo 24LC512 da Microchip Technology
Inc. Pode ser programada e apagada eletricamente pelo hardware do sistema e possui
capacidade de armazenamento de 65536 bytes.
33
A cada ciclo de escrita 22 bytes da memória são utilizados, dos quais seis bytes
são reservados ao long8 da data e hora, no instante da gravação, mais 16 bytes para leitura dos
canais A/D, sendo dois bytes por canal.
Para o armazenamento dos dados é utilizado o protocolo de comunicação I²C
entre o microcontrolador e a memória. A cada 10 segundos são feitas uma amostra dos sinais
e, após 10 minutos, tira-se uma média dos valores obtidos e esta média é então gravada na
memória. Essa medida foi assim adotada para que não se tivéssemos apenas um resultado
pontual do instante da aquisição e buscando amenizar ruídos de leitura.
Considerando o armazenamento de todas as variáveis necessárias, uma
amostragem a cada 10 minutos e a capacidade de armazenamento de 65536 bytes, o tempo
estimado para o completo preenchimento da memória é de 20 dias e 16 horas.
A Figura 2.4 representa o pacote de 22 bytes que é armazenado na memória a
cada ciclo de escrita. Foi adotada a seguinte metodologia: primeiro são armazenados os seis
bytes representando o long da data/hora, seguida do conjunto de dois bytes por canal para os
canais resevados a leitura de correntes, posteriormente mais dois bytes por canal para os
canais reservados a leitura de temperatura e dois bytes por canal para os canais reservados a
leitura de tensão.
Figura 2.4 - Dados armazenados em um ciclo de escrita.
Fonte: Elaborado pelo autor.
O procedimento de substituição dos dados foi feito para lidar em duas situações.
A primeira, no caso de configuração do módulo, a memória é completamente apagada e a
segunda quando novos dados são adicionados estando à memória completamente cheia, ou
seja, ocorrendo sobrescrita dos dados mais antigos.
O processo de leitura e escrita na memória EEPROM merece atenção, pois é uma
operação repetitiva e esforço maior deve ser feito no sentido de minimizar o tempo gasto nos
respectivos ciclos. Neste contexto, com relação ao trabalho de (ANJOS, 2010), foi obtida uma
significativa redução no tempo de transferência de dados entre os módulos Datalogger e
8 Formato da variável representativa da data e hora na linguagem Java.
34
Mobile9 graças à mudança de estratégia de consulta ao banco de memória. Antes a leitura era
feita em série: os dados lidos eram obtidos byte a byte; o microcontrolador envia o endereço
do periférico (1 byte) , a posição de memória (2 bytes) e o byte de controle , recebe o byte e,
após isso, finalizava a comunicação. Esse ciclo ocorria até que a última posição de memória
tivesse sido alcançada. É importante salientar que neste processo o microcontrolador envia
quatro bytes para receber apenas um, o que torna o processo absurdamente ineficiente.
Agora a leitura ocorre em blocos, o microcontrolador faz a leitura de uma única
vez, de 200 bytes antes de fechar a comunicação. O fluxograma do ciclo de leitura está
representado na Figura 2.5.
Figura 2.5 - Fluxograma do ciclo de leitura.
Fonte: Elaborada pelo autor.
De forma semelhante ao caso anterior, o microcontrolador envia um byte
indicando a memória, dois bytes para acessar a posição da memória e o byte de controle,
entretanto ao receber o byte de resposta e fechar a comunicação, o microcontrolador envia um
bit (ACK) e recebe o byte da posição de memória seguinte. Este processo ocorre até que 200
bytes tenham sido lidos e armazenados no buffer de recepção. Finalizado o processo, o
conteúdo do buffer é enviado ao adaptador Bluetooth eb301 para a transferência de dados. Se
toda a memória tiver sido lida (65536 bytes), o ciclo de leitura é encerrada, caso contrário, a
comunicação é novamente aberta e mais um pacote de 200 bytes é carregado.
9 Subsistema de hardware e software relacionado com as funções de carga dos dados, via transmissão sem fio
Bluetooth , do sistema de aquisição microcontrolado para o dispositivo móvel (celular, tablet, smartphone).
35
O comando ACK é equivalente a “manda o conteúdo da próxima posição de
memória”. Assim a conexão é fechada uma única vez a cada 200 bytes lidos, refletindo numa
redução no tempo de transferência e no consumo de energia.
2.4.2 Relógio em Tempo Real (RTC)
É o hardware cuja funcionalidade é manter atualizada a referência de tempo do
módulo Datalogger. Além disso, este componente é utilizado para armazenar as
configurações do módulo.
Figura 2.6 - Relógio de tempo real do sistema.
Fonte: Elaborada pelo autor.
A configuração do módulo Datalogger consiste em um conjunto de 22 bytes que
particularizam o transformador em avaliação. A Figura 2.7 ilustra este conjunto, informa ao
microcontrolador que o índice de identificação (ID) do transformador em é 0001, a data/hora
atual é 10/11/13 às 09:00:00 horas, o período de amostragem de 10 segundos, período de
gravação de 600 segundos e oito canais A/D estão sendo utilizados.
Figura 2.7 - Exemplo do pacote de configuração do módulo Datalogger.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Após o processo de configuração os dados são armazenados na memória RAM do
RTC e a data/hora passa a ser incrementada a cada segundo. Caso venha ocorrer alguma falha
no fornecimento de energia nada pertinente à configuração é perdida, pois o circuito contém
uma acoplada.
36
2.4.3 Sensores
Nesta versão do sistema houve a necessidade de substituir os sensores de corrente
por outros de maior escala e de mais fácil instalação e readequar um novo condicionador de
sinais para ela. Foi adotado o sensor de corrente Pro-Flex ACF 3000 da fabricante ProSys .
Este equipamento, representado na Figura 2.8, funciona de acordo com o princípio da bobina
de Rogowski. A bobina consiste de um núcleo toroidal, não magnético, que é colocado em
torno do condutor. O campo magnético produzido pela corrente alternada no condutor induz
uma tensão na bobina.
Figura 2.8 - Detalhe do sensor de corrente.
Fonte: Elaborado pelo autor.
As vantagens da utilização da bobina de Rogowski para medidas de corrente, em
relação aos transformadores de corrente, são (Monteiro, et al, 2005):
a) linearidade: A medida do sinal é linear devido ao núcleo ser não ferromagnético
e, portanto, não são vistos fenômenos de saturação por histerese. Isto significa que a bobina
pode ser utilizada para medição em uma larga banda de corrente.
b) isolamento galvânico: O circuito de medida está isolado do circuito de
potência. Isto contribui com uma grande vantagem quando se quer medir grandes intensidades
de corrente.
c) ampla largura de banda.
Com a utilização desta ponteira o sistema de medição passa a ocupar menor
volume, peso, tornou-se mais flexível e fácil de ser adotado em sistemas onde os condutores
são mais espessos. Além disso, as características elétricas são atrativas: grau de proteção
IP65, saída de tensão limitada em 123 mV em 60 Hz, temperatura de operação entre -20°C a
65ºC, faixa de umidade entre 15% a 85% e tolerância de 0.5% em 25ºC.
37
Para medição da temperatura foi adotado o sensor PT 100, fabricado pela
Labfacility, mostrado na Figura 2.9. Construtivamente este sensor comporta-se como um
transdutor de temperatura composto por pura platina. Este material confere ao sistema de
medição alta precisão, estabilidade térmica e operação nas faixas de temperatura entre -200°C
e 800°C. O princípio de operação do sensor baseia-se na propriedade física dos metais
alterarem a sua resistência elétrica com a variação da temperatura.
Figura 2.9 - Detalhe do sensor de temperatura.
Fonte: Elaborado pelo autor.
2.4.4 Condicionadores de Sinais.
O circuito condicionador de sinais é responsável por adequar o sinal elétrico
gerado pelos sensores em sinais compatíveis para a interpretação pelos conversores digitais,
respeitando-se uma relação sinal/ruído e níveis de distorção harmônica reduzidos. O
Datologger contém dois tipos de condicionadores: um destinado aos sensores de temperatura
e outro para os sensores das correntes.
O circuito condicionador de sinais, mostrado na Figura 2.10, recebe a saída
ôhmica do sensor de temperatura e converte em sinal de corrente entre 4 e 20 mA para a
entrada A/D do microcontrolador. A montagem deste dispositivo no conjunto do sistema de
aquisição de dados é mostrada na figura 2.11.
Figura 2.10 - Transmissor do sinal de temperatura.
Fonte: (CONTEMP, 2013).
38
Figura 2.11 - Detalhe da ligação do transmissor de temperatura com o sensor PT 100.
Fonte: (CONTEMP, 2013).
O circuito condicionador de sinais, mostrado na Figura 2.12, é responsável por
adequar o sinal que vem dos sensores de corrente a fim de torná-lo compatível com a tensão
de referência do conversor A/D do microcontrolador. É composto basicamente por duas
partes: um circuito integrador e um circuito integrado dedicado para cálculo do valor eficaz de
sinais. O esquemático da placa encontra-se disponível no apêndice A.
Figura 2.12 - Condicionador de sinal para os sensores de corrente.
Fonte: Elaborado pelo autor.
O sinal proveniente do sensor de corrente possui uma amplitude muito pequena e
alta taxa de ruído. Para atenuar esse problema, utiliza-se um amplificador operacional na
configuração integrador, que funciona como filtro para os ruídos, além de fornecer também
um ganho de amplitude ao sinal. O amplificador operacional utilizado foi o TL084CN.
39
O sinal proveniente do primeiro estágio, já filtrado e amplificado, é aplicado ao
circuito integrado AD736. Este componente fornece uma tensão continua em sua saída
equivalente ao valor RMS10
do sinal de entrada. A tensão contínua fornecida pelo circuito
integrado é então novamente amplificada e levada até um dos canais A/D do dsPic.
2.4.5 Protocolo de Comunicação.
O protocolo ModBus é baseado em um modelo de comunicação mestre-escravo,
onde um único dispositivo, o mestre, pode iniciar transações denominadas queries com outros
dispositivos conectados a ele. Estes últimos dispositivos conectados e em rede (escravos)
respondem, suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ação por ele
comandada.
Figura 2.13 - Base de funcionamento do protocolo Modbus.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Durante a comunicação em uma rede Modbus, o protocolo determina como o
dispositivo em rede conhecerá seu endereço, como reconhecerá uma mensagem endereçada a
ele, como determinar o tipo de ação a ser tomada e como extrair o dado ou outra informação
qualquer contida na mensagem dentre dois ou mais dispositivos.
Para implementação do protocolo foi adotado o modo de transmissão ASCII11
,
utilizado em comunicação serial e caracterizado pela utilização de caracteres. As mensagens
deste modo iniciam pelo caractere dois pontos (‘:’) e finalizam com os caracteres CR carriage
return (CR) e linefeed (LF).
10
RMS é o valor médio quadrático ou eficaz de uma medida de valor variável.
11 Código padrão Norte-americano para intercâmbio de informações usado para representar os caracteres
entendido pelos computadores.
40
Figura 2.14 - Formato da mensagem no modo ASCII.
Fonte: Adaptado de (MODBUS ORGANIZATION INC., 2013).
As funções implementadas para o propósito deste trabalho foram a:
a) 03 – Destinada à transferência dos dados da memória EEPROM do módulo
Datalogger;
b) 1F – Destinada ao ajuste da configuração do módulo Datalogger;
c) 24 – Destinada a leitura, em tempo real, dos sensores do módulo Datalogger.
2.5 Norma Técnica Brasileira 5416
A NBR 5416/97, aplicação de cargas em transformadores de potência, fornece os
procedimentos para a aplicação de cargas em transformadores e autotransformadores, imersos
em líquido isolante, classe de isolação 55°C ou 65°C com potência até 100 MVA, fabricados
e ensaiados de acordo com NBR 5356 (Transformadores de potência – Especificação), com
dois ou mais enrolamentos, trifásicos ou bancos com unidades monofásicas. Os
procedimentos descritos nesta se baseiam no envelhecimento da isolação dos enrolamentos.
O líquido isolante tem a função de proporcionar isolação, proteger o papel
isolante de poeira e umidade e proporcionar a refrigeração ao núcleo e aos enrolamentos do
transformador (BANDYOPADHYAY, 2007). Os principais líquidos isolantes utilizados em
equipamentos elétricos são: óleos minerais isolantes de base naftênica (tipo A) e de base
parafínica (tipo B), hidrocarbonetos de alta temperatura, silicone e ascarel, sendo o óleo
mineral o usado em 95% dos transformadores (MARTINS, 2009), (PÉREZ, 2001).
Transformadores e autotransformadores (TA) de classe 55°C são aqueles cuja
elevação da temperatura média (TM) dos enrolamentos, acima da ambiente, não excede 55°C
e cuja elevação de temperatura do ponto mais quente (TPM) do enrolamento, acima da
ambiente, não excede 65°C. Já TA de classe 65°C são aqueles cuja elevação da TM dos
enrolamentos, acima da ambiente, não excede 65°C e cuja elevação (TPM) do enrolamento,
acima da ambiente, não excede 80°C. Segundo Harlow (2007) essas duas classes foram
estabelecidas após a utilização de papéis termicamente melhorados como o processo Kraft na
fabricação dos transformadores.
41
A temperatura ambiente é um determinante fator no estabelecimento da
capacidade de carga do transformador, uma vez que a elevação de temperatura para qualquer
carga deve ser somada à ambiente para obter a temperatura de operação do equipamento.
O sistema papel isolante presente nos TA é submetido a um contínuo processo de
degradação por ação da água, oxigênio e ácidos presentes no líquido isolante (MARTINS,
2009). Mantendo-se ação destes elementos sob controle, o envelhecimento da celulose é
predominantemente térmico e cumulativo. Considerando isto, a vida estimada do
transformador é inversamente proporcional à elevação da temperatura nos enrolamentos ao
longo do tempo.
Seguindo a lei de Arrhenius podemos calcular a velocidade de uma reação
química em função da temperatura a partir da seguinte expressão:
Não há um critério único para a avaliação do fim da vida do transformador.
Entretanto, é possível realizar uma avaliação da velocidade de envelhecimento adicional o
qual está sendo submetido o equipamento, comparando a perda de vida com uma taxa de
perda de vida média de referência. Baseado na relação da equação (I) é possível calcular a
taxa de envelhecimento global que a isolação dos enrolamentos é submetida no intervalo de
tempo.
Sendo,
PV: porcentagem de perda de vida da isolação no tempo , em horas;
T: temperatura do ponto quente do enrolamento em graus Kelvin;
A e B: constantes. A = -14,133 para transformadores de classe 55ºC ou A = -13,391
para transformadores de classe 65°C e B = 6972,15.
Por exemplo, aplicando uma carga no transformador que eleve o ponto quente a
uma temperatura de 100º C, durante uma hora esse transformador apresentaria uma perda de
vida estimada de
. Se a carga persistir
ao longo de um dia a perda de vida diária (PVD%) estimada é de
42
Considerando que o ciclo de carga diário calculado defina o perfil da carga
suprida pelo transformador em um ano, a vida útil do equipamento é estimada por (III).
Logo, a vida útil do transformador é estimada em
A seção 5.3 da norma mostra os limites da temperatura de operação do
transformador. Caso a temperatura medida seja inferior aos máximos da tabela 2.3, pode-se
concluir pelas expressões (II) e (III) que perda de vida útil anual é muito pequena.
Tabela 2.3– Temperaturas limites de operação do transformador.
Fonte: (NBR 5416,1997).
A figura 2.16 ilustra a curva de expectativa de vida em horas para transformadores
baseada na temperatura do ponto mais quente.
Figura 2.15 – Curva de expectativa de vida para transformadores da classe 55º e 65º.
Fonte: (LIMA, 2012).
43
2.6 Conclusão
Este capítulo foi destinado à explanação dos sistemas de monitoramento voltados
para SEP, características decorrentes do módulo de operação e arquiteturas disponíveis.
Partindo do conceito teórico e das necessidades do mercado foi apresentado na seção 2.4 o
módulo Datalogger.
O módulo Datalogger descrito é resultado de uma série de adaptações e melhorias
obtidas realizadas no protótipo apresentado por (SEGUNDO, 2009) e (ANJOS, 2010). Estas
melhorias adéquam ainda mais o módulo as realidades de mercado.
Dentre as melhorias estão à implantação do relógio de tempo real com bateria
própria, permitindo ao sistema continuar com a referência de data e hora correta mesmo em
situação de extrema raridade: falta de fornecimento de energia elétrica e fonte CC
descarregada, a substituição dos sensores de corrente baseado em transdutores pelas ponteiras
de corrente que operam de acordo princípio da bobina de Rogowski. O novo equipamento é
adequado quando se trabalha com condutores espessos e dispostos em locais de difícil acesso,
além de ser apropriado para medir a corrente sem a necessidade de desenergizar o condutor.
Outros avanços foram o condicionador de sinais desenvolvido exclusivamente
para o novo sistema de medição das correntes. Consiste em uma relevante melhoria, pois
opera com precisão aceitável na faixa entre 100 A e 600 A, além de ser extremamente mais
barato que os condicionadores comerciais, a redução do tempo de leitura da memória
EEPROM e consequentemente a redução do tempo de transferência de dados entre o módulo
Datalogger e qualquer dispositivo que o solicite.
Mediante os conhecimentos técnicos do módulo de aquisição e armazenamento
dos dados, observa-se a importância de se conhecer a metodologia de teste e as características
operacionais do sistema em funcionamento. Pretende-se explorar isto no capítulo quatro, onde
serão mostrados os passos da operação e detalhado o relacionamento entre o sistema de
aquisição de dados e o aplicativo Mobile proposto neste trabalho.
44
3. DESCRIÇÃO DA APLICAÇÃO PROPOSTA
A apresentação da aplicação é realizada neste terceiro capítulo. Inicialmente são
apresentadas as justificativas e motivações que conduziram o desenvolvimento da aplicação
na plataforma Android, comentando-se a principais características na seção 3.1 As
funcionalidades são abordadas na seção 3.2 e na seção 3.3 os comentários conclusivos
parciais acerca do conteúdo exposto.
3.1 Justificativas
O cenário atual mundial nos mostra uma enorme demanda por computação
portátil, ubíqua e de alto poder computacional. Exemplos clássicos são as recentes evoluções
nas áreas de entretenimento e telecomunicações, no qual dispositivos móveis demandam cada
vez mais operações por segundo e maiores quantidades de memória. Diante do contexto não é
incoerente afirmar que aplicativos móveis já fazem parte das estratégias de empresas dos mais
diversos segmentos de mercado.
Sabendo do poder computacional embarcado nos dispositivos móveis e
objetivando contribuir com as linhas de pesquisa e desenvolvimento nas áreas de manutenção
preventiva/preditiva e gerenciamento energético demandado pelas empresas de distribuição de
energia elétrica, estamos apresentando um aplicativo capaz de auxiliar o sistema de medição e
controle das variáveis físicas de interesse à área da Engenharia Elétrica.
É difícil não inserir o SO Android quando se pensam em atualizações
tecnológicas, inovações e ferramentas computacionais de alto nível. De fato, a plataforma
conquistou o mercado consumidor e o gosto dos desenvolvedores.
A quantidade de ferramentas disponíveis, a portabilidade, a linguagem de
desenvolvimento, a possibilidade de embarcar aplicações não nativas, o fato de ser de código
aberto, está disponível em celulares, tablets, smarthphones e o custo são as características que
levaram o SO Android ao topo do mercado mobile.
Portanto, diante da grande aceitação no mercado e a perspectiva que a plataforma
proporciona a cada nova versão, ela foi escolhida para compor a base da aplicação proposta
neste trabalho.
45
3.2 A Aplicação
O aplicativo assim nomeado Sistema de Monitoramento e Avaliação de
Transformadores (SIMA_TRAFO) apresenta-se como ferramenta de cunho auxiliar ao
modelo de operação do sistema de monitoramento adotados nas distribuidoras de energia
elétrica. O equipamento alvo da aplicação é o transformador de distribuição, pois, embora
sejam partes importantes dentro do setor elétrico, estes equipamentos não recebem os mesmos
cuidados que os transformadores de potência.
O funcionamento do aplicativo é dependente da base de dados contida no módulo
Datalogger descrito no capítulo anterior. Uma vez transferidos os dados do módulo para o
dispositivo que contém incorporada a aplicação, o usuário poderá fazer o levantamento do
comportamento da carga instalada ao transformador e diagnosticar as condições de operação
as quais o equipamento está sujeito.
O propósito do aplicativo é possibilitar aos engenheiros e técnicos da manutenção
o acompanhamento das grandezas físicas medidas e armazenadas no banco de dados interno
do dispositivo no qual a aplicação está executando e estimar o tempo de vida útil do
transformador monitorado.
3.2.1 Funcionalidades
Do ponto de vista da comunicação sem fio Bluetooth entre o módulo Datalogger e
dispositivo móvel e as funcionalidades embarcadas neste, temos as funcionalidades abaixo:
a) descoberta de dispositivos móveis para a comunicação via tecnologia
bluetooth;
b) estabelecimento do enlace de comunicação, via bluetooth, para a configuração
do módulo Datalogger;
c) estabelecimento do enlace de comunicação, via bluetooth, para a transferência
de dados entre o módulo Datalogger e o dispositivo móvel;
d) mensagens ao usuário sobre o estado do processamento;
e) recepção dos dados coletados, mediante o protocolo Modbus;
f) tratamento, validação e armazenamento dos dados coletados no banco de
dados interno do dispositivo móvel;
g) visualização e análise dos dados armazenados através de gráficos;
46
h) estimação da vida útil do transformador monitorado;
Nas subseções seguintes são descrito o processamento da aplicação, focando nas
principais partes integrantes do ponto de vista dos resultados desejados.
3.2.1.1 Comunicação Bluetooth
O Bluetooth é uma tecnologia padrão global que permite a comunicação entre
dispositivos eletrônicos utilizando uma pequena faixa de rádio e baixo consumo de energia.
Ela é requisito obrigatório em dispositivos com plataforma Android a partir da versão 2.0.
Desenvolvedores podem aproveitar esse recurso através da API Bluetooth disponível no
pacote android.bluetooth. A Figura 3.1 descreve os passos utilizados na aplicação para
estabelecimento de uma conexão via Bluetooth.
Para iniciar uma comunicação Bluetooth no SO Android o dispositivo local,
representado pelo objeto da classe BluetoothAdapter, deve está habilitado e iniciar a busca por
outros dispositivo Bluetooth. Finalizada a descoberta, uma lista com nome e endereço dos
dispositivos descobertos é retornada.
Figura 3.1- Diagrama da conexão Bluetooth.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os dispositivos encontrados são representados por objetos da classe
BluetoothDevice. Cabe ao usuário selecionar o(s) dispositivo(s) o qual deseja iniciar a
comunicação. O enlace da conexão ocorre quando na tentativa da comunicação um objeto
BluetoothSocket é retornado (Android, 2013).
47
Obtida a comunicação os canais RFCOMM12
estarão disponíveis para a troca de
informações entre os objetos BluetoothAdapter e BluetoothDevice. O processamento acima é
executado no instante entre a descoberta e o enlace da conexão entre o dispositivo móvel e o
módulo Datalogger. Concretizada a conexão, cabe ao usuário enviar comando para receber
dados do módulo ou configurá-lo.
3.2.1.2 Transferências de Dados
O módulo Datalogger está programado para responder aos dois comandos de
transferência e configuração.
No comando de transferência, os dados armazenados na memória EEPROM são
enviados ao dispositivo móvel. Para ocorrer este evento, o dispositivo móvel deve enviar ao
módulo Datalogger o pacote de instrução, mediante protocolo ModBus, solicitando o
descarregamento da memória. Recebendo a solicitação, o microcontrolador presente no
módulo Datalogger inicia o ciclo de leitura da memória EEPROM e envia pacotes de bytes,
conjunto de 200 bytes, ao adaptador bluetooth eb301.
No comando de configuração, a identificação e a programação do módulo
Datalogger são atualizadas. O parâmetro de configuração é composto pelo ID do
transformador em análise, períodos da amostragem e gravação de dados, número de canais de
medição além de ajustar a data/hora do módulo à data/hora do dispositivo móvel. Através
deste comando o usuário cadastra novos transformadores no banco de dados do dispositivo
móvel como também testa a comunição bluetooth antes de colocar o módulo em operação.
Figura 3.2 - Diagrama do ciclo de configuração.
Fonte: Elaborado pelo autor.
12
RFCOMM: Protocolo que emula transferência de dados serial via porta RS-232 através dos canais
InputStream e OutputStream.
48
Figura 3.3 – Diagrama do ciclo de transferência.
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2.1.3 Tratamento, Validação e Armazenamento.
A etapa de tratamento de dados é iniciada após a finalização da etapa descrita na
seção anterior. A rotina de tratamento dos pacotes obtidos é a atividade de maior
processamento da aplicação. Esta etapa é dividida em duas partes.
A primeira parte do tratamento consiste em separar os bytes de dados úteis do
pacote recebido. Conforme a seção 2.4.5, o protocolo Modbus exige que os pacotes de dados
inicializem com o caractere ‘:’, seguido dos bytes de endereço, da função, do número de bytes
úteis do pacote e finalizem com os caracteres de checagem de erro. Portanto, na primeira parte
da recepção de dados, estes caracteres são removidos, separando-se os bytes de dados úteis.
Na segunda parte, os pacotes de dados, agora constituídos por bytes úteis, são
separados em registros. Um registro é composto por seis bytes que representam a data e hora
no instante da gravação mais os 16 bytes das leituras dos canais A/D do microcontrolador
(módulo Datalogger). A Figura 3.4 ilustra o formato de um registro.
Figura 3.4 – Exemplo de registro.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para cada canal são destinados dois bytes. Os campos canal_01, canal_02 e
canal_03 são destinados às leituras de corrente, já os campos canal_04 e canal_05 referem-se
às medições das temperaturas e, os demais, leituras de tensão.
49
Finalizada a separação dos pacotes de bytes úteis em registros, os valores no
formato hexadecimal são convertidos em inteiros. Posteriormente, os dados inteiros são
convertidos na correspondente leitura analógica. Esta função de conversão depende da
calibração específica de cada sensor. Por exemplo, a leitura de corrente tem função de
conversão específica e diferente da função de conversão das leituras de temperatura e tensão.
O processo de validação consiste em verificar os registros já convertidos e
remover os considerados inconsistentes. Um registro é considerado inconsistente quando sua
data/hora está avançada em relação ao relógio do dispositivo móvel ou valores dos canais
todos nulos ou ainda se existir algum canal com valor negativo.
Após as etapas de tratamento e validação, resta apenas adicionar os registros
válidos ao banco de dados da aplicação. Toda aplicação Android contém a ferramenta nativa
de criação de banco de dados relacionais. Para utilizá-lo não é necessária qualquer
configuração ou administração de banco de dados, apenas é necessário definir os comandos
SQL para criar e atualizar o banco.
Através da definição de chave primária composta para os campos de ID do
transformador e data/hora a duplicação de registros é evitada. Finalizada as etapas acima, o
usuário poderá visualizar, por meio de gráficos, as grandezas físicas aquisionadas pelo
módulo Datalogger e estabelecer plano de manutenção em função do diagnóstico da vida útil
do transformador.
3.2.1.4 Gráficos
A área gráfica da aplicação merece uma atenção toda especial, pois é nesta tela
que o usuário visualiza os registros armazenados no banco de dados. Para implementá-la foi
necessário importar biblioteca externa, não nativa, GraphView. A partir desta biblioteca é
possível desenhar gráficos no formato de linhas ou barras, além de ter disponíveis ferramentas
de ajuste e personalização do layout.
A tela de gráficos contém elementos de seleção das grandezas medidas, data e
transformadores. O detalhe da tela e procedimentos de utilização será detalhado no capítulo
cinco, destinado a resultados e testes da interação entre o módulo datalogger e o dispositivo
móvel com a aplicação instalada.
50
3.2.1.5 Cálculo da Vida Útil
Como visto na seção 2.5, a quantificação da vida útil do transformador é função
da temperatura do ponto quente do equipamento. A norma IEEE C.57.91-1995 apresenta dois
modos para o cálculo desta temperatura.
Segundo a norma do IEEE C.57.91-1995 o cálculo da temperatura do ponto
quente é função de três componentes: a temperatura ambiente, a variação da temperatura entre
topo do óleo e a ambiente e a variação de temperatura entre o ponto quente e o topo do óleo.
Para cálculo destas variações é utilizado o modelo térmico do líquido isolante como também o
carregamento da fase mais carregada em PU.
Portanto, para a estimação do tempo de vida útil do transformador, é necessário
ter na base de dados do sistema de monitoramento a temperatura do ambiente ao redor do
equipamento bem como dados de corrente. Adicionalmente é importante o conhecimento das
propriedades físicas do líquido isolante. No apêndice D está disponível o diagrama do modelo
matemático usado neste cálculo e detalhes dos valores adotados.
3.3 Conclusão
O Android é um conjunto de softwares para dispositivos móveis que inclui
Sistema Operacional (SO) e aplicativos adicionais. É um projeto de código aberto e constitui
o SO mais difundido atualmente, executável em dispositivos móvel de várias fabricantes.
Neste capitulo tratamos das funcionalidades do aplicativo “SIMA_TRAFO”
criado para executar a função de interface gráfica entre o sistema de monitoração remoto,
módulo Datalogger, e o usuário.
Aproveitando a portabilidade, poder computacional da plataforma Android e os
recursos de hardware embarcados nos atuais dispositivos móveis é possível desenvolver
aplicativos habilitado para o processamento de dados, transformá-los em gráficos, interagir
com dispositivos remotos e a ação de escolhas do usuário e, adicionalmente, possibilitar a
avaliação de um equipamento elétrico.
51
4. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA APLICATIVO E DATALOGGER
Este capítulo é destinado à descrição do ensaio realizado com o sistema módulo
Datalogger e aplicativo SIMA_TRAFO, bem com a apresentação das telas do aplicativo e
discussão dos resultados.
Para a composição da massa de dados necessária para o diagnóstico de um
transformador, o módulo Datalogger é posto em funcionamento durante uma semana. Neste
período são realizadas medições e aquisições dos dados com uma taxa amostral de 1 amostra
a cada 10 segundos e 1 gravação a cada 10 minutos.
Para a avaliação do transformador deve ser selecionado o dia pertencente ao
período de avaliação em que se constatam as piores condições de operação do equipamento:
temperatura ambiente mais elevada e equipamento sobrecarregado.
4.1 Metodologia de Testes
Em virtude de o projeto estar em fase de montagem física do protótipo final, os
ensaios foram realizados no laboratório GPAR.
Devido à indisponibilidade de um transformador de distribuição para a obtenção
da massa de dados necessária, a carga foi emulada através da utilização de um banco de
resistências mostrada na Figura 4.1. Este banco foi ajustado para simular as condições de
corrente ao qual um transformador de distribuição com potência 75 kVA, tensão de linha de
380 V e instalado no poste é submetido.
Figura 4.1 – Banco de resistências utilizado para simular a carga.
Fonte: Elaborado pelo autor.
52
Para obtermos uma corrente próxima a de operação de um transformador de
distribuição foi necessária multiplicar a corrente consumida pelo banco de resistência através
de voltas do condutor de fase sobre os sensores de corrente do Datalogger. Portanto foi
adotada uma bobina de 43 espiras, assim a corrente medida pelos sensores de corrente do
Datalogger é 43 vezes superior a corrente exigida pela carga.
Figura 4.2 – Método de medição das correntes de fase.
Fonte: Elaborado pelo autor.
O arranjo da Figura 4.2 mostra o condutor de fase em vermelho usado para ligar o
banco de resistências à tomada de uso geral do laboratório, os sensores de correntes do
módulo Datalogger em verde e o sensor de corrente modelo A621 da marca Tektronic
conectado ao osciloscópio.
No ensaio foi adotada uma corrente de carga igual 3.3 A, obtida pela ligação da
resistência de 60Ω/800W na tensão fase-neutro de 220 V, o que equivale a uma corrente
medida de aproximadamente 142 A. Esta configuração foi adotada por fornecer a menor
corrente possível. As demais configurações retornariam uma corrente medida na faixa de
250A a 600A, condições essas que levariam a queima de um transformador de 75 kVA.
A Figura 4.3 mostra a oscilografia da corrente, a escala de ajuste do instrumento
de medida foi de 1 mV/A. Pela medida “CH2 RMS” podemos ver que a corrente eficaz
medida pelo sensor de corrente A621/ Tektronic é de 142 mV.
53
Figura 4.3 – Leitura do valor RMS de corrente verificado no osciloscópio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para a medição das temperaturas, o sensor representando a temperatura ambiente
foi instalado ao lado do banco de resistências enquanto o sensor para a medição a temperatura
do óleo foi sobreposto em cima das resistências. Os ajustes da calibração destes sensores
foram realizados com auxílio do multímetro digital modelo MD-6111 da marca Icel.
Figura 4.4 – Detalhe da localização dos sensores de temperatura.
Fonte: Elaborado pelo autor.
54
Quanto ao aplicativo, o mesmo foi testado no tablet modelo TT-2501 fabricante
Azurra. Dentre as principais características do equipamento destacam-se a versão 4.0.4 do
Android, processador Dual Core de 1.5 GHz, memória interna de 8 GB, tela de 7 polegadas,
conexão Wi-Fi e tecnologia bluetooth.
Com relação à utilização do aplicativo, o mesmo é solicitado em cinco etapas: (i)
busca por dispositivos com tecnologia bluetooth; (ii) conexão; (iii) transferência, tratamento e
armazenamento de dados; (iv) análise gráfica das grandezas medidas pelo Datalogger e (v)
avaliação da vida útil do transformador monitorado.
Com relação aos testes da comunicação entre o tablet e o módulo Datalogger foi
usado a versão gratuita do software Docklight 2.0. Este software permite conectar a portas
seriais reais ou emuladas (protocolos RS232, RS485/422 e outros), permitindo a possibilidade
de enviar e receber informações por tais portas. É executável no Windows 7, Windows 8,
Windows Vista ou Windows XP (DOCKLIGHT, 2013).
Figura 4.5 – Simulação da comunicação entre o tablet e o adaptador bluetooth.
Fonte: Elaborado pelo autor.
55
4.2 Telas do Aplicativo SIMA_TRAFO
Para usufruir do SIMA_TRAFO é necessário instalar no tablet o arquivo de
extensão apk representativo da aplicação. Este arquivo é gerado automaticamente pela
Integrated Development Environment (IDE) usada no desenvolvimento do aplicativo.
Detalhes sobre os procedimentos de instalação encontram-se disponíveis no apêndice B. A
Figura 4.6 mostra o ícone da aplicação gerada no tablet após a instalação.
Figura 4.6 – Ícone da aplicação SIMA_TRAFO.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Nas subseções a seguir são apresentadas as telas da aplicação e comentários a
respeito das funcionalidades pertinentes e simultaneamente a interação do aplicativo com o
módulo Datalogger.
56
4.2.1 Tela Inicial
Mediante a inicialização da referida aplicação, a tela de abertura é visualizada.
Esta tela dispõe das opções “Conectar”, “Gráficos”, “Transformadores Cadastrados” e, no
canto superior direito, o menu sair. A Figura 4.7 mostra o layout da tela inicial.
O slogan, Eletrobrás Amazonas Energia, foi adotado por ser esta empresa a
mentora de todo o projeto em sistema de monitoramento de transformadores desenvolvido no
laboratório GPAR.
Nos tópicos seguintes serão apresentadas as telas das etapas de comunicação,
transferência e validação de dados, armazenamento e formação de gráficos. Tópicos mais
minuciosos sobre os recursos utilizados e informações acerca da IDE estão disponíveis no
apêndice B.
Figura 4.7 – Tela inicial do SIMA_TRAFO.
Fonte: Elaborado pelo autor.
57
4.2.2 Tela de Descoberta Bluetooth
Ao selecionar a opção “Conectar”, a sequência de telas apresentadas na Figura 4.8
é mostrada. A primeira notifica ao usuário que a aplicação requer o bluetooth ligado, caso o
usuário permita, a busca por dispositivos localizáveis é automaticamente iniciada.
O tempo de busca programada é de 10 segundos. Finalizado o tempo, o
componente de fundo branco é preenchido com a lista de dispositivos bluetooth encontrados
e disponíveis à conexão. Através desta lista o usuário seleciona qual dos dispositivos deseja
estabelecer o enlace de comunicação. Caso o dispositivo desejado não tenha sido encontrado,
o usuário pode realizar uma nova busca clicando no botão “Reiniciar”.
Selecionado um dos componentes a tentativa de conexão é iniciada. Uma vez que
é feita uma conexão com o dispositivo remoto, pela primeira vez, um pedido de
emparelhamento é automaticamente enviado ao usuário.
Figura 4.8 – Telas de permissão, busca e listas dos dispositivos localizados.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Se a conexão for concretizada, o aplicativo prossegue à tela de conexão. Do
contrário, uma mensagem de notificação é exibida e em seguida a aplicação retorna para a tela
inicial. Evento semelhante faz a rotina de execução do botão “Voltar”.
58
4.2.3 Tela de Conexão
Nesta tela, Figura 4.9, é mostrada o nome amigável e endereço físico do módulo
Datalogger além do estado de conexão com o tablet. Nela há duas funcionalidades, a primeira
é a de configuração do módulo Datalogger e a segunda é a transferência de dados.
Mediante a opção “Configurar” a tela mostrada na Figura 4.10 é chamada e as
informações sobre a identificação do módulo Datalogger podem ser inseridas ou atualizadas.
O parâmetro da configuração é composto pelo índice de identificação (ID) do transformador,
períodos da amostragem e gravação de dados e número de canais A/D utilizados na medição.
Mediante a opção “Transferir”, os dados de medição de temperatura e corrente
armazenados na memória EEPROM do módulo Datalogger são transferidos para o
dispositivo móvel, baseado no protocolo Modbus.
Figura 4.9 – Tela de conexão do SIMA_TRAFO
Fonte: Elaborado pelo autor.
59
4.2.4 Tela de Configuração
Nesta tela o usuário configura o módulo Datalogger e atualiza o cadastro do
transformador em análise junto ao banco de dados do tablet.
Como visualizada na Figura 4.10, a tela de configuração possui os campos de
identificação das características elétricas do transformador (potência e corrente nominais),
nome do fabricante, dados da instalação (endereço, CEP, cidade e estado) e os dados de
configuração (períodos de amostragem, gravação e número de canais) do módulo Datalogger.
Após preencher os campos de informações, selecionar as opções de configuração
disponíveis e confirmar com o clique no botão “Configurar”, todos os dados desta tela são
armazenados no banco de dados do aplicativo e um pacote de bytes idêntico ao da Figura 2.7
é enviado ao módulo Datalogger para autoconfiguração.
As informações adicionadas ao sistema podem ser visualizadas a parti da tela que
mostrada na seção 4.2.8.
Figura 4.10 – Tela de configuração e cadastro do SIMA_TRAFO.
Fonte: Elaborado pelo autor.
60
4.2.5 Tela de Transferência
A transferência de dados ocorre quando a opção “Transferir” da tela de conexão é
selecionada. Na ocorrência deste evento o tablet envia ao módulo Datalogger um pacote de
dados, mediante protocolo ModBus, solicitando o descarregamento da memória EEPROM .
Durante o processo de recebimento dos pacotes de bytes, a barra de progresso da
tela é atualizada e uma notificação “Transferência Bluetooth em Andamento” impede o
usuário de executar ações indevidas como encerrar a aplicação e selecionar botões sendo,
portanto, um recurso importante para a boa execução do aplicativo.
Figura 4.11– Tela de transferência bluetooth.
Fonte: Elaborado pelo autor.
61
4.2.6 Tela de Notificação
Finalizada a transferência de dados, a tela de notificação é executada. Esta tela,
Figura 4.12, informa o número de bytes e pacotes transferidos além do tempo gasto na
transferência. Além disto, nesta tela são realizadas, em segundo plano, o tratamento, a
validação dos pacotes e o armazenamento das leituras no banco de dados.
Figura 4.12 – Tela de notificação.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Conforme a Figura 4.12, a tela contém os botões “Sair” e “Visualizar Dados”.
Este leva o aplicativo a abrir a tela de gráfico enquanto o botão “Sair” direciona o aplicativo
para sua tela inicial.
Vale ressaltar que enquanto as atividades em segundo plano estiverem em
andamento, nenhum dos botões estará habilitado e, portanto, nenhuma transição de tela
ocorrerá.
62
4.2.7 Tela de Gráficos
É nesta tela que o usuário visualiza as leituras armazenadas no banco de dados.
Inicialmente o usuário deve selecionar o ID do transformador para que os campos de seleção
do dia, mês e ano fiquem habilitados. É possível notar pela Figura 4.13 que existe um campo
indicando o intervalo, em dias, de dados disponíveis para o transformador selecionado.
Portanto ao selecionar uma data não haverá o risco de não contém dados disponíveis para a
formação das curvas.
Figura 4.13 – Campo de seleção do transformador.
Fonte: Elaborado pelo autor
Selecionado o transformador o usuário tem a total liberdade de selecionar as
grandezas (corrente de fase, temperatura do óleo ou ambiente, carregamento) aquisicionadas,
visualizar individualmente, ou em conjunto, sem prejuízo na qualidade gráfica ou perda no
processamento da aplicação.
Nesta versão do aplicativo, os dados visualizados estão sempre dispostos na faixa
de 24 horas. Assim caso o dia selecionado contenha apenas algumas horas, os dados deste dia
serão também plotados nessa faixa. Selecionada as grandezas desejadas o gráfico é gerado
após o clique no botão plotar.
As Figuras 4.14, 4.15 e 4.16 ilustram as leituras aquisicionadas no dia 23/11/13. A
partir destas leituras foi feita uma avaliação para determinar se a temperatura estimada do
ponto quente do transformador está afetando a vida útil do equipamento. Caso a temperatura
estimada esteja próxima ou superior aos limites estabelecidos na Tabela 2.3, o transformador
63
está operando de forma inadequada, o que acarreta uma redução no tempo de vida do
equipamento.
Destaca-se que a perda de vida útil é um processo acumulativo, uma vez que o
equipamento foi posto a operar de forma danosa (elevado carregamento e refrigeração
insuficiente) nunca mais ele será regenerado.
Figura 4.14 – Correntes medidas no ensaio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 4.15 – Temperaturas medidas no ensaio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
64
Figura 4.16 - Carregamento elétrico no ensaio.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A tela mostrada na Figura 4.16, Carregamento elétrico no ensaio, serve como
suporte à seleção do dia para o diagnóstico da vida útil do transformador, pois analisada as
curvas de temperatura e correntes de fase, o usuário deve adotar o dia no qual a carga térmica
e elétrica foi mais elevada para estimar a vida útil do equipamento.
Para as condições simuladas no ensaio a perda de vida é bastante elevada, pois o
carregamento médio obtido foi 25% superior ao nominal e a temperatura estimada no ponto
quente foi crescente e superior aos limites estabelecidos pela NBR 5416. No apêndice D
contém um diagrama de blocos com o procedimento do cálculo da temperatura no ponto
quente.
65
4.2.8 Tela de Transformadores Cadastrados
Esta tela mostra a lista de transformadores cadastrados no SIMA_TRAFO. Assim,
a partir desta tela, é possível ter acesso às informações elétricas (potência e corrente nominais)
do equipamento, bem como o local de instalação.
Figura 4.17 - Tela de transformadores cadastrados.
Fonte: Elaborado pelo autor
O “trafo 1” é a identificação adotada para o banco de resistência utilizado para a
documentação do teste apresentado neste capítulo, enquanto o “trafo 2” representa a
identificação da placa de teste utilizada no desenvolvimento do aplicativo.
66
4.3 Encerrando o Aplicativo
O procedimento de fechamento do aplicativo ocorre com a seleção do menu sair
encontrado na tela principal. Esta é a única forma de encerrar a aplicação, todos os demais
botões nomeados “Voltar” encontrados ao longo das demais telas tem a função de migrar para
esta tela.
Figura 4.18 - Fechamento do aplicativo SIMA_TRAFO.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.4 Conclusões Parciais
Neste capítulo o fluxo de execução do SIMA_TRAFO pôde ser descrito e
observado através da apresentação das telas. A plataforma Android oferece acesso a uma
ampla gama de bibliotecas e ferramentas para suprir as exigências das mais interativas e
elaboradas aplicações. Para a elaboração desta versão do SIMA_TRAFO foram utilizadas
bibliotecas voltadas para operações com banco de dados (adição, remoção e consulta),
comunicação bluetooth, conversão de números na base hexadecimal para a decimal,
operações matemáticas envolvendo as operações básicas (adição, subtração, multiplicação e
divisão) e exponenciais, manipulação de dados em lista e otimização do layout das telas.
Também foi necessária a importação da biblioteca GraphView para tornar a elaboração da tela
de gráficos mais dinâmica e simples.
67
O funcionamento do sistema proposto mediante a interação entre o módulo
Datalogger e tablet envolve basicamente as etapas de aquisição e transferência de dados,
comunicação entre as partes via pilha bluetooth, persistência de dados, visualização dos
dados obtidos e validados através de gráficos e por fim o diagnóstico da vida útil do
transformador monitorado. Todas as etapas descritas ocorreram sem problemas e os
resultados obtidos foram considerados satisfatórios.
68
5. CONCLUSÃO
5.1 Contribuições
Considerando o desenvolvimento do aplicativo SIMA_TRAFO, executado no
Sistema Operacional Android, tendo como referência o trabalho exposto em Anjos (2010), as
contribuições estão relacionadas com a compactação das principais funcionalidades dos
módulos Mobile e Desktop em único hardware, no caso um tablet.
As funcionalidades pertinentes à comunicação bluetooth, persistência das
informações em banco de dados, configuração e cadastramento do módulo de medição,
visualização gráfica dos dados e diagnóstico foram inseridas no escopo do aplicativo.
Através das referidas contribuições, torna-se possível o aceleramento do acesso
aos dados de operação dos transformadores monitorados pelo módulo Datalogger,
consistindo em relevante avanço quando se considera a utilização de uma tecnologia mais
recente, a redução do número de módulos necessários para a avaliação técnica do
equipamento monitorado e a crescente necessidade da expansão de sistemas de
monitoramento e diagnóstico de equipamentos básicos para o sistema elétrico.
5.2 Discussões Gerais e Conclusões
Com referência nos resultados obtidos e apresentados no Capítulo 4 deste
trabalho, sobre a execução do aplicativo proposto, mediante as interações com o módulo de
medição, verificou-se que os resultados dos testes foram satisfatórios, visto que a aplicação
operou de forma coerente em todas as etapas documentadas, além de ter sido testada em
várias situações ao longo do desenvolvimento deste trabalho monográfico. Entretanto
percebe-se que há uma diferença significativa entre as leituras dos sensores de corrente. Pode-
se creditar isso à fase de calibração e testes que o módulo Datalogger foi submetido, pois o
aplicativo não realiza nenhum tratamento matemático nos dados exibidos.
Com base nos sistemas de avaliação já existentes, devemos está cientes que
haverá uma redução na capacidade processamento, já que não é possível embarcar em
dispositivos portáteis todos os recursos de hardware disponível para sistemas desktop.
Portanto, esta característica deve ser considerada durante o processo de desenvolvimento de
aplicações para dispositivos móveis em geral.
69
5.3 Sugestões para Trabalhos Futuros
O sistema proposto se encontra em sua primeira versão e ainda continua em
processo de finalização. Dentre as melhorias viáveis, ao contexto de aplicações voltadas para
dispositivos móveis, destaque-se a utilização dos recursos de layout disponibilizados pelo
Android, como temas mais atuais e componentes gráficos mais interativos, e adição de mais
funcionalidades técnicas para monitoramento de transformadores.
Tratando-se de alguns aspectos que foram identificados e considerados
interessantes durante o estudo, mas que, por limitações de tempo e de recursos, não foram
realizados e inseridos neste trabalho, seguem abaixo algumas possíveis implementações que
viabilizam a continuação e complementação deste trabalho.
a) Criação de relatórios gráficos com resultados da avaliação técnica: finalizada a
análise gráfica da massa de dados do transformador, é necessário criar um
arquivo pdf com a descrição dos resultados;
b) Desenvolver funcionalidade voltada para publicação dos resultados em banco
de dados na internet: esta ideia consiste em, finalizado o processo de
elaboração do relatório gráfico, transmitir o laudo técnico a um email da
empresa contratante do serviço;
c) Expandir a análise gráfica a partir da seleção da data hora inicial e final: ao
invés de fazer a análise com base nas 24 horas de um dia, pode ser mais
interessante analisar ao longo de dois ou mais dias consecutivos.
d) Implantar redes neurais artificiais para levantamento do modelo térmico do
equipamento: a estimação da vida útil do transformador tem sido feita com
base no levantamento dos parâmetros térmico do equipamento através das
medidas de corrente e temperatura dos enrolamentos.
70
REFERÊNCIAS
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73
APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DO CONDICIONADOR DE SINAIS
Figura A.1 - Esquemático do circuito condicionador de sinais para correntes.
Fonte: Elaborado pelo autor.
C c
1
Vin
2
C f
3
-Vs
4
Cav
5
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6
+Vs
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C O M
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AD 736
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1
4
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1
U1A
TL084CN
1 0 0 K
R 2
1 0 0 n FC 1
3 3 K
R 5
+Vs
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G N DG N D
1 0 0 n F
C 6
1 0 0 n F
C 5
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+Vs
-Vs
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C 4
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C 8
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C 3
1 0 u F
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P 1
Header 3
1 KR 3
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TL084CN
1 0 0 K
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3 3 K
R11
+Vs
-Vs
G N DG N D
1 0 0 n F
C14
1 0 0 n F
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G N D
G N D
G N D
+Vs
-Vs
1 0 0 n F
C12
1 M
R12
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3 3 K
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1 0 0 n F
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G N D
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1 M
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G N D
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1 0 u F
C18
1 0 0 n F
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2 0 KR16
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8
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AD 736
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TL084CN
1 0 0 K
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1 0 0 n FC25
3 3 K
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1 0 0 n F
C30
1 0 0 n F
C29
G N D
G N D
G N D
+Vs
-Vs
1 0 0 n F
C28
1 M
R24
G N D
1 0 u F
C32
1 0 u F
C27
1 0 u F
C26
1 0 0 n F
C31
G N D
P 8
B N C
1
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2
2
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BORNE_2
1 4
1 2
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4
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1
U4D
TL084CN
G N D
3 3 K
R19
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+Vs
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BORNE_3
+Vs
-Vs
G N D
1 KR 9
1 KR15
1 KR21
74
APÊNDICE B – O AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO ECLIPSE
B.1 Considerações Iniciais
O Eclipse é a Integrated Development Environment (IDE) mais comumente usada
para desenvolvimento em Java, no entanto, por meio de plugins, ele pode ser usado para
desenvolver aplicações em várias linguagens, como C/C++, Python, PHP e inclusive para a
plataforma Android.
Para utilizar o Eclipse em desenvolvimento Java é necessário instalar o Java
Development Kit (JDK). Este é um ambiente de desenvolvimento para construir aplicações,
applets, e componentes usando a linguagem de orientação a objeto Java. O download do JDK
é gratuito e disponível no site da Oracle.
O pacote do Eclipse não é um instalador, e sim um arquivo compactado, tanto em
Windows quanto no Linux. Ao ser descompactado cria um diretório denominado eclipse,
onde todos os arquivos da ferramenta são copiados. Finalizada a extração dos arquivos, para
executar o IDE, basta chamar o arquivo eclipse.exe (Windows) ou eclipse.sh (Linux).
Utilizando o plugin Android Development Tools (ADT) é possível executar o
emulador do Android diretamente do Eclipse, usufruindo de recursos como debug,
visualizador de mensagens, gerenciador de memória, arquivos dentre outras funcionalidades
(LECHETA, 2010).
Caso o desenvolver prefira emular no próprio dispositivo móvel, o Eclipse
também oferece essa opção. Para isso basta conectar o dispositivo na porta USB do
computador/notebook e habilitá-lo no modo depuração. Este modo é encontrado em
Configurações / Opções do Desenvolvedor/Depuração USB. Realizado estes procedimentos,
o ADT reconhece o dispositivo como disponível para emulação.
B.2 Configurações
O Software Development Kit (SDK) é o kit de desenvolvimento utilizado para
desenvolver aplicações em Android. Este kit fornece as bibliotecas da API e ferramentas de
desenvolvimento necessárias para construir, testar e depurar aplicativos para o Android.
75
Figura B.1- Requisitos operacionais necessários para execução do SDK.
Fonte: Adaptado de (Android, 2013).
A página da plataforma na internet oferece além dos links para download, toda
documentação para desenvolvimento de aplicações, serviços e componentes. Há também
dicas para aperfeiçoar os aplicativos e códigos demonstrativos de uso das API.
Portanto, para montar o ambiente padrão de desenvolvimento é necessária a
instalação dos seguintes itens:
- Eclipse (disponível em www.eclipse.org);
- Android SDK ( disponível em developer.android.com/sdk);
- Plugin ADT ( disponível em developer.android.com/sdk/eclipse-adt.html).
Finalizada a instalação e configuração do ambiente de desenvolvimento, estamos
com a ferramenta pronta para iniciar o desenvolvimento de um projeto. As figuras B.2 e B.3
ilustram o caminho para a criação de um projeto Android na IDE Eclipse.
Figura B.2 - Janela de criação do projeto.
Fonte: Elaborada pelo autor.
76
O passo seguinte consiste em nomear a aplicação, o pacote do projeto e por fim
escolher a versão do Android a ser utilizada. O nome da aplicação é a string de identificação
do aplicativo, pacote do projeto é o conjunto de pastas que compõem a estrutura de um
aplicativo e a versão o conjunto de API’s disponíveis para desenvolvimento.
Figura B.3 - Janela de configuração do projeto.
Fonte: Elaborada pelo autor.
É importante o desenvolvedor conhecer ou ter uma prévia noção das
funcionalidades disponíveis da versão escolhida. Isso se faz necessário porque alguns
componentes gráficos e recursos nativos do Android só estão disponíveis a partir de
determinada API. O componente limitante é a versão Android instalada no dispositivo onde
será instalada a aplicação.
77
B.3 Organização
Depois de criado o projeto um conjunto de pastas com arquivos e extensões bem
definidas ficam disponíveis para o desenvolvedor iniciar a elaboração das rotinas. Na figura
abaixo temos representada a disposição das pastas.
Figura B.4 – Exemplo do pacote do projeto TFC_1.
Fonte: Elaborada pelo autor.
B.3.1 Pasta Source
A pasta src, abreviatura de source, contém os arquivos-fonte Java da aplicação. É
recomendada a criação de subpastas dentro desta pasta a fim de separar a classes de
funcionalidades das classes representativa de telas. Para o caso particular deste trabalho foram
criadas três subpastas. Nas duas primeiras (controle.gerenciadores e modelo.bd.entidades)
78
estão contidas classes de funcionalidades e a última (visual.telas) é destinada para as classes
que estendam interfaces pré-definidas pelo camada framework.
B.3.2 Pasta GEN
A pasta gen (Generated Java Files) contém as classes R e BuildConfig, ambas
geradas e atualizadas automaticamente pela ADT. Não podemos em hipótese nenhuma editar
estas classes.
A classe R gerada conterá a estrutura do layout para que seja referenciada no
projeto. As telas e cada componente gráfico adicionado ao projeto são devidamente
identificadas pelo SO a partir de um código hexadecimal gerado no momento da instancia.
Este código de identificação deve ser usado para associar os objetos gráficos instanciados nas
classes que herdam Activity ao componente gráfico presente na tela. Portanto, esta classe
funciona como link de conexão entre o Java e o XML.
B.3.3 Arquivo AndroidManifest.xml
O arquivo AndroidManifest.xml apresenta as notificações e declarações do
aplicativo. Na figura B.5 são mostradas as tags que compõem o arquivo.
As marcações em marrom destacam as telas da aplicação. Cada tela contém
obrigatoriamente os campos nome, label e opcionalmente uma disposição padrão. O nome
notifica qual classe Java é responsável por gerenciar a tela. A label é o texto que aparece no
canto superior da tela e a orientação informa ao SO como dispor a tela da aplicação no
dispositivo, deitado (landscape) ou em pé (portrait). O padrão é a tela se autoajustar ao
campo de visão do usuário, ou seja, está sujeita sofrer rotações.
Apenas na tag da tela de abertura deve está declarado a intent-filter. Essa tag
indica ao SO qual das telas da aplicação deve surgi quando esta for iniciada.
A marcação de vermelho destaca as permissões do aplicativo. Todas as
permissões adicionadas serão apresentadas ao usuário no momento da instalação do
aplicativo, a fim de alertá-lo de todos os recursos que o aplicativo utiliza. (Lecheta, 2010).
A figura B.5 mostra que a aplicação contém a funcionalidade de abrir em algum
momento de execução a comunicação bluetooth e notifica ao usuário, no momento da
instalação, esta necessidade.
79
Figura B.5 - Exemplo de arquivo AndroidManifest.xlm.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Por fim, a tag manifest contém a localização do pacote da aplicação dentro do
diretório da IDE e a tag uses-sdk informa a versão do kit do desenvolvimento que está sendo
usada e indiretamente a versão Android da aplicação.
Entre outras atribuições, no AndroidManifest ficam declaradas: (i) o pacote Java
para a aplicação, (ii) a versão do Android e do projeto, (iii) os componentes da aplicação e
classes implementadas. Estas declarações permitem ao SO Android reconhecer os
componentes e as condições lançamento deles, (iv) os processos que irão sediar os
80
componentes do aplicativo, (v) as permissões do aplicativo, (vi) declaração da API mínima
requisitada pela aplicação.
B.3.4 A pasta de recursos
Na pasta de recursos (res) estão contidas as imagens, ícones, constantes e recursos
de layout usados na aplicação. Dentro desta pasta contém três diretórios, cada um deles com
uma finalidade.
Na subpasta drawable ficam todas as imagens desejáveis no aplicativo quaisquer
arquivos JPEG, PNG, ou bitmaps.
Na subpasta layout contém os arquivos XML das telas da aplicação. Quando um
programa é executado, o SO Android aplica as regras contidas nestes arquivos para desenhar
o layout da telas, tornado visível os componentes e suas características gráficas.
Na subpasta value são salvos os arquivos XML que contém pares de chave-valor
referenciados na aplicação. A ideia é que sejam arquivos contendo a definição de cores,
dimensões e variáveis estáticas.
81
APÊNDICE C – PLATAFORMA DE DESENVOLVIMENTO ANDROID
A plataforma Android é de código aberto, assim pode livremente ser ampliada
para incorporar novas tecnologias na medida em que elas venham a surgir. Oferece acesso à
uma ampla gama de bibliotecas e ferramentas para construir interativas e elaboradas
aplicações.
Figura C.1 - Plataforma do sistema operacional Android.
Fonte: Adaptada de (Android, 2013).
A arquitetura é composta por quatro camadas, como visto na Figura C.1. Abaixo
está listada uma breve descrição das mesmas.
a) Camada de Aplicações: Ocupa o topo da pirâmide da arquitetura do sistema
operacional. É composta pelo conjunto de aplicações nativas do sistema: browser,
calendário, despertador, internet, jogos, mapas e outras.
b) Camada de framework: Disponibiliza aos desenvolvedores o acesso às APIs
(Applications Programming Interface) utilizadas para a criação de aplicações
originais do sistema operacional Android. Esta camada permite ao desenvolvedor o
mesmo nível de acesso ao sistema que aplicações nativas possuem, abstrai a
complexidade e simplifica a reutilização de procedimentos.
82
c) Bibliotecas: As bibliotecas fornecem as funcionalidades para trabalhar com áudio,
vídeo, gráficos, banco de dados e browser. Novas bibliotecas podem ser importadas
e adicionadas ao projeto, conferindo caminho para a elaboração de aplicações cada
vez mais complexas. Aqui também estão os serviços usados em camadas superiores,
como máquina virtual Java Dalvik.
d) Kernel Linux: A camada do kernel é baseada no sistema operacional Linux versão
2.6. É responsável pela abstração entre o hardware e software s e pelos serviços
principais do sistema operacional Android, como o gerenciamento da memória e de
processos. (LECHETA, 2010).
Embora as aplicações para Android sejam escritas utilizando a linguagem Java e
todos os seus recursos pertinentes à linguagem de programação orientada a objetos, elas não
são executadas pela JVM e sim em outra, a chamada Dalvik.
Os bytescodes13
gerados após a compilação do código em Java são convertidos
para o formato. dex (Dalvik Executable), que representa a aplicação do Android compilada.
Depois disso, o .dex e outros recursos como imagens são compactados em um único arquivo
com a extensão .apk. Este arquivo é o veículo de distribuição para os usuários instalarem a
aplicação em seus dispositivos (LECHETA, 2010).
13
Formato de código intermediário entre o código fonte, o texto que o programador consegue manipular, e o
código de máquina, que o computador consegue executar.
83
APÊNDICE D – ESTIMAÇÃO DA TEMPERATURA DO PONTO QUENTE
D.1 Diagrama de Blocos
Bloco 1 – Banco de Dados do Sistema
Bloco 2 – Filtro de Dados
Atributo: Bloco 1;
Retorno: carregamento em pu e temperatura ambiente;
Bloco 3 – Modelo Térmico do Líquido Refrigerante
Atributos: relação de perdas entre ferro e cobre; constante térmica do líquido refrigerante,
fator de arrefecimento do líquido refrigerante, classe do transformador (55°C ou 65°C) e
elevação da temperatura do topo do óleo em relação ambiente com transformador operando
em carga nominal.
Retorno: modelo térmico do líquido refrigerante;
Bloco 4 – Estimação da Temperatura do Topo do Óleo
Atributos: blocos 2, 3 e taxa, em horas, de amostragem dos dados.
Retorno: temperatura, em graus, do topo do óleo;
Bloco 5 – Estimação da Temperatura do Ponto Quente
Atributos: blocos 3 e 4.
Retorno: temperatura, em graus, do topo do ponto quente;
Bloco 6 – Tempo de Vida Útil do Transformador
Atributos: bloco 5 e classe do transformador.
Retorno: previsão da vida útil, em anos, do transformador.
Valores adotados no aplicativo:
Relação perdas entre ferro e cobre = 5;
Constante térmica do líquido refrigerante = 3;
Fator de arrefecimento do líquido refrigerante = 0.8;
Classe do transformador = 65°C, constante A = -14.133 e B = 6972.15;
Período de amostragem = 10 minutos;
84
Figura D.1 – Diagrama do método de estimação da temperatura no ponto quente.
Fonte: Elaborado pelo autor.
D.2 Resultados obtidos
Perda de vida diária (%) = 2.349285094912039
Vida útil (anos) = 0.11661956368474895