Automação e modelagem

Um modelo é a representação de um sistema real. Através dele, espera-se “simplificar” todos os processos de uma determinada realidade, de modo a extrair informações e alterá-la posteriormente. Para Tucci (1998 apud MENESES, 2011), essa representação de um objeto ou sistema deve ser de fácil acesso e uso. Nos mais diversos campos da engenharia, eles são usados largamente como ferramentas de apoio à decisão. A simulação refere-se ao uso de um modelo para a avaliação de respostas do sistema submetido a eventos sob um grande número de condições e restrições.

Bem assinalando Francato (2002), a preocupação com o planejamento da operação dos sistemas urbanos de abastecimento de água ganhou destaque nas últimas décadas, principalmente nos países desenvolvidos onde o crescimento industrial é expressivo. A complexidade dos sistemas acompanhou o crescimento da demanda e, assim, surgiram dificuldades operacionais – recursos hídricos escassos, racionamento de energia, perdas e panes nos sistemas. Na tentativa de gerir os sistemas, houve a necessidade da aplicação da análise de sistemas como ferramenta de apoio para que os operadores pudessem tomar decisões de maneira estruturada.

Segundo Walski (2003), situações inusitadas que ocorrem em um sistema muitas vezes dão ao operador oportunidade de ir ajustando o modelo de acordo com as necessidades e de acordo com as ocorrências inesperadas e indesejáveis no sistema. Quando esses eventos ocorrem, é importante reunir o máximo de informações possíveis quanto a pressões do sistema, as queixas dos consumidores, níveis de reservatórios e registrá-los para possíveis ocorrências futuras.

Segundo o autor a modelagem pode ser aplicada na elaboração de planos diretores e projetos para um prazo futuro, prevendo possíveis ampliações, aumento de população sem aumento de rede, reabilitação de redes; estudos com previsões para utilização em de combate a incêndio, investigações de qualidade da água, gestão de eficiência energética, operação diária com balanceamento do sistema, pronto atendimento às emergências e solução de problemas.

Gaio (2006) detalha as principais aplicações da modelagem, separando em dois grupos, quais sejam: planejamento (envolvendo a elaboração de planos diretores e projetos) e operação do sistema de um modo geral.

No Planejamento temos as seguintes aplicações:

 são previstos prevenção do colapso dos sistemas;

 são analisadas as alterações necessárias no sistema, quando da aumento de demanda;

 avaliações do período de vida útil de unidade do sistema existente;  otimização de investimentos quando da aplicação em projetos;

 evitar problemas de qualidade, relacionados com a “pontos mortos” que possam existir na rede do sistema;

 elaboração dos planos diretores dos sistemas de abastecimento de água.

Na operação, apresenta algumas das aplicações:

 identificação de problemas de abastecimento;  identificação de problemas de qualidade;  eficiência energética;

 detectar pontos de perdas;  habilitar equipe das unidades

 analisar quais os resultados hidráulicos apresentados no sistema quando da intervenção de rotina em manobras de registros.

Segundo Francato (2002), o manejo otimizado dos sistemas urbanos de abastecimento de água é um fator fundamental para o bem-estar da sociedade.

Estes sistemas vêm apresentando um crescimento elevado da demanda, extrapolando as previsões e a capacidade de oferta do produto água a um nível satisfatório de qualidade, não somente referente à qualidade química, física e bacteriológica, mas também na qualidade quanto à frequência no atendimento à demanda. Justifica-se deste modo o desenvolvimento e aplicação de modelagens para a obtenção de políticas de planejamento otimizadas para uma gestão moderna e adequada do recurso hídrico. Apresenta-se um modelo de otimização para operação de sistemas de abastecimento de água, o qual faz uso da programação linear com procedimentos interativos para contornar problemas de não linearidade, com aplicabilidade em unidades integrantes do sistema: reservatórios, elevatórias - “Boosters”, registros controladores de vazão e tubulações – redes.

Esta política de planejamento e controle ótimo do sistema é visto por Ormsbee e Lansey (1994) como um conjunto de medidas que programam o momento de funcionamento do conjunto motor-bomba, com objetivo de operar o sistema a um custo mínimo, eficiência energética; define percentual de abertura dos registros; controle dos níveis de reservatórios mantendo o sistema balanceado; controla os níveis de pressão e qualidade da água no sistema, dentre outras. Este planejamento é feito para um determinado tempo futuro e demanda prevista. A eficiência econômica é também influenciada por este conjunto de fatores operacionais que compõem o sistema, reduzindo o número de intervenções para reparos. Desse modo, tais regras são formuladas para um horizonte de planejamento, considerando a demanda necessária para a população prevista.

Segundo Venturini (1997), devido ao aumento do nível de urbanização e da demanda pelo abastecimento de água, a maioria dos sistemas de distribuição de água tem se tornado cada vez mais complexo. Os requisitos operacionais de tais sistemas são tipicamente determinados pelas pressões e meta de conseguir o mínimo custo operacional, garantindo uma certa confiabilidade mínima, as quais podem ser formuladas numa estratégia de controle ótimo.

A tendência de se procurar modelos computacionais para resolver o problema de operação e distribuição são justificadas por:

• complexidade dos sistemas devido à crescente demanda, tornando difícil atende-la com confiabilidade, exigindo assim uma abordagem sistêmica na definição dos planos de operação;

• altos custos operacionais;

• investimento em pesquisas nos últimos anos, especialmente no desenvolvimento de modelos matemáticos de otimização e simulação, colocando a disposição novos recursos de análise e apoio a decisão;

• risco de falhas no sistema, induzindo os operadores a tomar decisões operacionais sob tensão;

• aposentadoria dos operadores experientes.

Nesse sentido, Carrijo (2004) afirma que a operação eficiente do sistema é uma ferramenta fundamental para que sua vida útil se prolongue o máximo possível, garantindo o perfeito atendimento aos consumidores, além de manter os custos com energia elétrica e manutenção dentro de padrões aceitáveis. Para uma eficiente operação, é fundamental o conhecimento do sistema, pois, através deste, com ferramentas como modelos de simulação hidráulica, otimização e definição de regras, é possível fornecer ao operador condições de operacionalidade das unidades do sistema de forma racional, não dependendo exclusivamente de sua experiência pessoal, mantendo a confiabilidade do mesmo.

Os modelos de simulação são ferramentas eficazes e necessárias não só na fase de planejamento e projetos, mas, principalmente, na fase de operação dos sistemas de distribuição de água, principalmente nos dias atuais em que a maioria das cidades já conta com sistemas em operação e, em geral, projeta-se a expansão do sistema existente e não um novo sistema.

Barbosa, Costa e Santos Junior (1999), afirma que além do objetivo econômico em si, que pode ser transferido como benefício ao consumidor final na forma de tarifas menores, os estudos de modelagem da operação de sistemas de abastecimento de água justificam-se por:

a) contribuírem para o adiamento das necessidades de ampliação dos componentes da rede, ou do suprimento energético;

b) permitirem um melhor conhecimento sobre as interações entre os componentes do sistema, o que pode ser de grande valia para identificar pontos frágeis em termos operativos ou para definir manobras especiais em condições de emergência;

c) contribuírem, a longo prazo, para o alcance de uma melhor política de uso de recursos hídricos e energéticos, evitando situações de conflito quando tais recursos se tornarem escassos.

O autor conclui que no Brasil, as justificativas apresentadas anteriormente são acentuadas devido a:

a) ocorrência de um intenso processo de urbanização nas últimas décadas, o qual tem exigido dos serviços públicos, grandes esforços no âmbito técnico, organizacional e financeiro para atender à demanda;

b) crise financeira pela qual passam as prefeituras municipais, o que requer o máximo de racionalização no uso dos sistemas existentes.

Felizmente, a este quadro contrapõe-se um cenário tecnológico bastante favorável, considerando-se os seguintes fatores:

a) a possibilidade de adequado cadastramento plani-altimétrico das redes de abastecimento de água, com os recursos atuais dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG);

b) a possibilidade de monitoramento, com transmissão telemétrica, das variáveis de interesse para controle da rede, tais como: pressões, vazões, demanda em pontos específicos, dentre outros;

c) a ampla disponibilidade de recursos computacionais, com custos progressivamente decrescentes e capacidade de processamento cada vez maior, aliada a melhores recursos na etapa de interface homem-máquina. (BARBOSA; COSTA; SANTOS JUNIOR, 1999)

Vicente (2005), afirma que os serviços de infraestrutura são fundamentais

para a otimização dos resultados operacionais. É necessária a padronização de

procedimentos, não somente com a implementação de softwares cadastrais e de

mapeamento, mas também com a documentação da rotina da empresa para

que se tenha uma memória documentada de todo o sistema. A documentação

deve existir desde a concepção dos projetos até as reformas e reestruturações

de implementação de regras operacionais otimizadas do sistema, pois se conseguem dados confiáveis para a modelagem e viabilidade de implementação de um sistema de suporte a decisão. Nem sempre o modelo apresenta resultados factíveis, por não conter todas as restrições hidráulicas reais.

Os modelos de simulação hidráulica são largamente usados por planejadores, consultores e muitos outros profissionais envolvidos em análises, projetos, operação ou manutenção de sistemas de distribuição de água. Para tornar os modelos de simulação de sistemas úteis é fundamental calibra-los antes de utilizá-los (WALSKI, 1983, ORMSBEE; WALSKI; CHASE, 1989; RIGHETTO, 2001).

A principal finalidade do processo de calibração de uma rede de distribuição de água é ajustar os dados de entrada do modelo, visando reduzir o desvio entre os valores observados e prognosticados. Para prognosticar com eficiência o comportamento real de um sistema de distribuição de água, um modelo deve ser calibrado utilizando dados observados da rede. Cheung e Reis (2007) ressaltaram que as técnicas para calibração estão divididas em duas categorias: aquelas que ajustam apenas os coeficientes de perda de carga, e as que ajustam os coeficientes de perda de carga e as demandas nos nós. Segundo eles, os coeficientes de rugosidade das tubulações e as demandas nos nós devem ser inicialmente estimados e ajustados para que os valores preditos se aproximem dos valores reais. Os autores implementaram um método clássico de calibração em um modelo de rede teórica e investigaram a influência do zoneamento de uma rede na acurácia dos resultados produzidos, concluindo que o aumento do número de zonas diminuía significativamente as discrepâncias entre os valores calibrados e os reais.

O’neil e Edwards (1994), concluem que o desenvolvimento de medidas de complexidade de software para determinados paradigmas de programação, pode levar à melhores ferramentas para gerenciar o desenvolvimento do programa e prever esforços de manutenção em ambientes de programação não-tradicionais.

Para Costa, Castro e Ramos (2010), dentre as medidas práticas que podem levar à redução do custo de energia elétrica, a alteração dos procedimentos operacionais de bombeamento demonstra ser bastante eficaz, pois não necessitam de nenhum investimento e, além disso, a economia, devido a essa redução, ocorre em curto prazo. Entretanto, a determinação de estratégias operacionais que gerem custos energéticos reduzidos e que mantenham a qualidade do atendimento aos clientes é uma tarefa complexa. Objetivos distintos estão envolvidos neste processo

como, por exemplo, a utilização eficiente da tarifa energética e a manutenção das variáveis hidráulicas dentro dos limites pré-estabelecidos. É necessária a utilização de modelos que levem em consideração todos esses elementos envolvidos.

Com os avanços tecnológicos na área computacional e, consequentemente, o desenvolvimento de técnicas de otimização, inúmeros trabalhos visando à redução do custo energético de operação de Sistema de Abastecimento de Água (SAA) têm sido divulgados nos últimos anos. Entretanto, a maioria dos modelos desenvolvidos foi aplicada a casos específicos (COSTA; CASTRO; RAMOS, 2010).

Vicente (2005) propôs implantar um modelo de operação para o planejamento da operação diária de um sistema urbano de abastecimento de água, com objetivo de determinar políticas operacionais que minimizem o consumo de energia elétrica das estações de bombeamento do tipo Boosters e elevatórias. São consideradas as influências das condições iniciais do sistema (os níveis dos reservatórios) para a obtenção de políticas operacionais que conduzam a um menor consumo de energia elétrica por parte da estação tipo Boosters. A estrutura proposta permitiu integrar um sistema SCADA (com o supervisório SCOA), com um modelo simulador hidráulico (WATERCARD), um modelo de previsão de demandas de água - baseado em série de Fourier como módulo de previsão, e um modelo de otimização. Este trabalho de pesquisa conseguiu viabilizar a implantação de um modelo de operação nas condições do Centro de Controle Operacional da Sabesp, com a eficiência da metodologia atestada na pesquisa.

Righetto (2002), com o objetivo apresentar uma metodologia para se alcançar a operação ótima de sistemas de distribuição de água, envolvendo parâmetros relacionados com o consumo de energia, confiabilidade operacional, satisfação quanto ao atendimento da demanda e controle das pressões nodais, elaborou um modelo computacional composto dos modelos hidráulico, baseado no das características para escoamentos transitórios e o modelo de otimização baseado em algoritmo genético. Cinco parâmetros ou índices foram usados para avaliar a performance das regras operacionais ao longo de 24 horas de funcionamento do sistema: índice de consumo de energia, índice de nível d’água de reservatório, índice de atendimento de demanda, índice de adequação da pressão média e índice de mudanças operacionais. O modelo foi aplicado a um sistema fictício simples a fim de ilustrar o procedimento proposto para a determinação das regras operacionais desejadas.

Foi desenvolvido um estudo de modelagem on-line, utilizando o EPANET e o sistema SCADA, que proporciona ao operador de sistema a capacidade de modelar o sistema de distribuição de água em tempo real, incluindo o cálculo de previsão do comportamento do sistema. Isto é essencial ao executar uma resposta de emergência e pode ajudar muito em confirmar o desempenho normal, resolução de problemas, melhoria das operações do sistema, e a projeção do cenário operacional atual. Essa abordagem também permite que o operador possa ver como todo o sistema está operando, em vez de confiar no feedback de alguns sensores SCADA colocados na rede, permitindo assim que qualquer falha na rede possa ser facilmente identificada, avaliada e corrigida (INGEDULD, 2007).

Borges et al. (2003), propuseram uma evolução metodológica na operação do Sistema Adutor Metropolitano de São Paulo, em tempo real, foi então analisada a possibilidade de desenvolvimento da situação atual rumo a um controle mais eficiente, através do uso de um modelo de previsão de demanda de água. Foi desenvolvida uma interface entre um modelo de rede hidráulica e um modelo de previsão de demanda de água existente, ambos utilizando dados operacionais, obtidos em tempo real de um sistema de telemetria. A interface foi testada em um estudo de caso do Sistema Adutor de São Paulo. Com a utilização de um modelo de previsão, concluiu-se que é possível estabelecer regras operacionais mais eficientes. Essa eficiência é demonstrada pela redução do número de mudanças de posição de válvula e estado de bombas, bem como é observada a redução do custo de energia elétrica (reduzindo o bombeamento em horário de maior custo). Os benefícios obtidos do uso conjunto do modelo simulador hidráulico e do modelo de previsão de demanda não podem ser considerados como o ótimo global. Seria necessário dispor de um modelo de otimização (programação automática). De qualquer forma, foi concluído que o investimento e a implementação desses dois modelos e extremamente atrativa.

Procurando atender com eficiência, eficácia e efetividade as necessidades da sociedade e governamental, tendo, portanto, a necessidade de melhorar seus resultados operacionais e financeiros, as empresas de saneamento passaram a utilizar, graças ao avanço tecnológico, computadores e equipamentos sofisticados desenvolvidos para serem utilizados na automação dos sistemas de abastecimentos de água. Em que pese o aumento dos custos do sistema com a utilização desses equipamentos em um primeiro momento, a redução dos custos com pessoal, com

energia elétrica, produtos químicos, a maior garantia da operação do sistema, e a confiabilidade dos dados, fazem com que a opção pelo uso do equipamento seja adotada. (TSUTIYA, 2006)

Segundo Tsutyia (2006), a automação em sistemas de abastecimento de água consiste na aplicação da tecnologia dos processos de abastecimento, contemplando avanços nas técnicas de captação, tratamento e distribuição de água, e da tecnologia da informação, possibilitando realizar a supervisão e os controles necessários destes processos de maneira a mantê-los operando com a melhor relação custo benefício.

O autor ainda afirma que a automação no abastecimento de água, atua desde o mais simples processo, até a interface com os sistemas de gestão corporativa, e também na integração com os diversos outros sistemas como: adequação dos equipamentos, controle otimizado do processo, gerenciamento de produção, e sistema de informações geográficas (SIG), dentre outros.

De acordo com Ko, Oh e Fontane (1997), o objetivo de uma efetiva operação de sistemas de abastecimento de água é minimizar os custos operacionais, mantendo a operação das bombas de forma estável, além de garantir uma alta confiabilidade do sistema, através da manutenção dos níveis de água nos reservatórios próximos dos máximos. A redução nos custos de energia elétrica pode ser obtida com uma maior utilização dos conjuntos elevatórios no período fora de ponta, mas isto vai depender de uma complicada correlação entre demanda horária de água e a estrutura tarifária de energia elétrica.

Assim, o equilíbrio entre a demanda de água, a capacidade de produção e o volume disponível para reservação, é considerado como um dos maiores problemas para qualquer trabalho que visa à economia de energia. Pressões excessivas podem causar importantes perdas de água na rede de distribuição, ocasionando um consumo de energia além do previsto. Com isso, as elevatórias trabalham por mais tempo, consumindo, obviamente, mais energia. O reservatório deve oscilar entre seus níveis máximo e mínimo, de modo a otimizar a potência instalada das elevatórias. Eventualmente, quando se trata de elevatórias acima de uma certa potência instalada, em que se torna possível optar pela tarifação horo-sazonal, vale a pena estudar alternativas que aumentam a capacidade de reservação, de modo a poder fazer uso dessa alternativa dada pelas concessionárias de energia elétrica (MONACHESI, 2005).