Sistema de supervisão local/remoto para pequenas centrais de geração elétrica

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Matheus Nöthen de Medeiros. SISTEMA DE SUPERVISÃO LOCAL/REMOTO PARA PEQUENAS CENTRAIS DE GERAÇÃO ELÉTRICA. Santa Maria, RS, Brasil 2018.

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(3) Matheus Nöthen de Medeiros. SISTEMA DE SUPERVISÃO LOCAL/REMOTO PARA PEQUENAS CENTRAIS DE GERAÇÃO ELÉTRICA. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia Elétrica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM-RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. Orientador: Prof. Dr. Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Prof. Dr. Frederico Menine Schaf. Santa Maria, RS, Brasil 2018.

(4) Ficha catalográfica elaborada através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Central da UFSM, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).. de Medeiros, Matheus Nöthen Sistema de Supervisão Local/Remoto para pequenas Centrais de Geração Elétrica / Matheus Nöthen de Medeiros - 2018 125 p.; 30 cm Orientador: Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Frederico Menine Schaf Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, RS, 2018 1. Sistem de monitoramento 2. Microgeracão 3. Hidroelétrica 4. Comunicacão 5. Website 6. Aplicativo I. de Camargo, Robinson Figueiredo II. Schaf, Frederico Menine III. Título. c 2018. Todos os direitos autorais reservados a Matheus Nöthen de Medeiros. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: Av. Roraima, No 1000, Bairro Camobi, Santa Maria, RS, Brasil, CEP: 97105-900; Fone: (55) 999439139; Endereço Eletrônico: matheusnothen@yahoo.com.br.

(5) Matheus Nöthen de Medeiros. SISTEMA DE SUPERVISÃO LOCAL/REMOTO PARA PEQUENAS CENTRAIS DE GERAÇÃO ELÉTRICA. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia Elétrica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM-RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Aprovado em 23 de Março de 2018:. Robinson Figueiredo de Camargo, Dr. (UFSM) (Presidente/ Orientador). Frederico Menine Schaf, Dr. (UFSM) (Coorientador). Rodrigo da Silva Guerra, Ph.D. (UFSM). Reiner Franthesco Perozzo, Dr. (UNIFRA). Santa Maria, RS, Brasil 2018.

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(7) RESUMO. SISTEMA DE SUPERVISÃO LOCAL/REMOTO PARA PEQUENAS CENTRAIS DE GERAÇÃO ELÉTRICA Autor: Matheus Nöthen de Medeiros Orientador: Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Frederico Menine Schaf. Os sistemas de supervisão são muito utilizados em sistemas de geração de energia, pois possibilitam a análise do funcionamento desses, através de uma tela IHM, intuitiva, muitas vezes com poder de ação sobre a planta. São aplicados com a intensão principal de verificar o funcionamento e erros, caso ocorram. Se algum erro ocorrer, o operador será diretamente informado e poderá intervir evitando qualquer dano ao sistema. Diversas formas de supervisão são criadas neste trabalho. O objetivo deste foi o desenvolvimento de diversos meios de monitoramento que venham a facilitar a todo usuário que tenha a necessidade de monitorar sistemas. Esses meios são: um sistema SCADA, para supervisão local, e atuação direta,o qual utiliza a comunicação Modbus/RS-485. Já para a supervisão remota, foram criados um Website e um aplicativo Android. Para o armazenamento de dados foram salvos em um banco de dados MySQL, dentro de um servidor no qual o Website está hospedado, que realiza a utilização direta dos elementos para apresentação ao usuário. Já para o aplicativo Android foi necessária a criação de um Web Service, para fazer o intermédio com o banco de dados, e então utilizá-los. Esses sistemas foram aplicados a bancadas de microgeração hidroelétrica, para verificar o funcionamento desses. Há diversos tipos de sistemas de supervisão na literatura, mas a proposta dos três meios para facilitar a operação do usuário, pode mudar a forma do conceito desses sistemas. E destacar que podem ser aplicados em diversos tipos de geração elétrica, ou até mesmo em uma Smart Grid.. Palavras-chave: supervisório, SCADA, Aplicativo Android, Website.

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(9) ABSTRACT LOCAL/REMOTE SUPERVISORY SYSTEM FOR SMALL POWER GENERATION PLANTS. Author: Matheus Nöthen de Medeiros Advisor: Robinson Figueiredo de Camargo Coadvisor: Frederico Menine Schaf. Supervisory systems are widely used in power generation systems. They allow operation analysis by means of a human-machine interface, which acts on the plant. In addition, supervisory systems can be used to check operating errors, which results on system damage avoidance.In this master dissertation, several supervisory systems are created. A SCADA system that can be used in local supervising and direct action is developed based on Modbus/RS-485. Furthermore, a Website and an Android App are used for remote supervisory. The stored data uses a MySQL database in a server that a website is hosted, which realizes the use of the elements for the user presentation. A web service was used for the Android app in order to provide the intermediate with the database. These systems were applied in a hydroelectric generation setup to verify their working principles.There are several types of supervision systems in the literature. However, the main contribution of this master dissertation is the propose of three means to facilitate the operation, which is an improvement in this research area.. Keywords: Supervisory, SCADA, Android app, Website..

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(11) LISTA DE FIGURAS Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2. – – – – – –. Figura 2.3 – Figura 2.4 – Figura 2.5 – Figura 2.6 – Figura 2.7 – Figura 2.8 – Figura 2.9 – Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. Evolução da estrutura da oferta de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Matriz elétrica brasileira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Visão geral do sistema de supervisão/monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema SCADA para planta de microgeração hidroelétrica . . . . . . . . . . Aplicação da comunicação GPRS em um sistema de gerenciamento de desgaste de pastilha de freio e vibração da torre em aerogeradores Aplicação de sistema com tecnologia GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquemático de um sistema para supervisão de retirada de água e monitoramento remoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema RTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de comunicação serial de MCU com módulo GPRS e rede RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rede inteligente para medição do consumo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de monitoramento remoto com aplicativo Android conectado na nuvem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interface de um sistema de monitoramento remoto por câmeras IP com sensor de presença . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bancadas de microgeração hidroelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquemático elétrico do quadro de comando (diagrama unifilar) . . . . Sistema geral desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema proposto Kaplan (hélice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lógica de instrumentação proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vista 3D da placa de interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Placa de atenuação dos sinais de tensão montada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluxograma de comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Shield RS-485 e Conversor USB/RS485. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ilustração do kit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Shield GPRS SIM900. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IDE Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluxograma script Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Implementando Modbus RTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ligação física Shield SIM900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mensagem de requisição (URL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluxograma do script de montagem da requisição HTTP GET . . . . . . Fluxograma comandos AT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drive, Dados e Scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de acesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo Bitmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gráfico de barras e propriedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trend Graph e suas configurações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gauge e configurações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo de três displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela alarme de Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de utilização dos alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo relatório PDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de supervisão em blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrutura Banco de dados MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela base de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 22 22 25 28 29 31 32 32 33 34 35 36 38 38 39 40 41 44 45 46 48 49 50 52 53 56 58 59 60 62 65 66 69 70 71 72 73 73 74 75 76 79 80.

(12) LISTA DE FIGURAS Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52 3.53 3.54 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. Script de conexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parte Script dados.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Script registra_usuario.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parte da folha de estilo “estilo.css” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Página “index.php”, tela principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recorte da página Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo página de gráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamento das páginas de gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrutura do aplicativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ilustração Web Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Permissões AndroidManifest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configurando tela inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ação Botão ENTRAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AsyncTask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selecionar Fragment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Menu tela principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . id Container . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Método onCreateView . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo spinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configurando spinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MonitoramentoAsyncTask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . chart.html . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de login XML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de supervisão completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de acesso ao sistema SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Menu Principal SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Menu da microgeração com turbina Hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gráfico de Tensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pagina cadastrar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formulário de acesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acesso incorreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Página de monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Página de tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Página de tabelas segunda parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gráfico sistema de geração Kaplan e modo de seleção . . . . . . . . . . . . . . . . Gráfico de comparação da potência gerada pelas bancadas . . . . . . . . . . Exemplificando a adaptação do site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de login app . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de tabela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de gráfico Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela de Alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 82 84 85 87 89 91 92 93 94 94 95 95 96 97 97 98 98 99 100 100 101 102 106 107 107 108 109 109 110 110 111 112 113 113 114 114 115 116 117 118 119 120.

(13) LISTA DE TABELAS Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela. 3.1 – 3.2 – 3.3 – 3.4 – 3.5 – 3.6 – 3.7 – 3.8 – 3.9 – 3.10 – 3.11 – 3.12 – 3.13 – 3.14 –. Componentes das bancadas de microgeração hidroelétrica . . . . . . . . . . . . Descrição das variáveis do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes de instrumentação e descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexão de entrada Borne de 4 vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexões de entrada Borne 4 vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descrição das variáveis do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Registradores e funções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comandos AT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propriedades de configuração de alarmes para tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dados da hospedagem em Hostinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dados banco de dados MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funções para MySQL em PHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funções para MySQL em PHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37 41 42 44 44 45 47 57 63 74 77 78 81 99.

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(15) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS GW FV P CHs GSM GP RS SM S CSD T IC SCADA N AF A CLP s CRC SGSN BSS BSC BT S GGSN HT T P U RL HT M L CSS SGBD SQL XM L SOAP W VA V Ar SEIG RT U OP C GIS M CU TI U ART U ART s SIM AP Is. Gigawatts Fotovoltaica Pequenas Centrais Hidrelétricas Global System for Mobile Communications General Packet Radio Service Short Message Service Circuit Switched Data Tecnologia de Informação e Comunicações Supervisory Control And Data Acquisition Núcleo de Automação e Processos de Fabricação Controladores Lógico Programáveis Cyclic Redundancy Check Serving GPRS Support Node Base Station Base Station Controller Base Transceiver Station Gateway GPRS Support Node Hypertext Transfer Protocol Uniform Resource Locator Hypertext Markup Language Cascading Style Sheets Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados Structured Query Language Extensible Markup Language Simple Object Access Protocol Watt Volt-Ampère Volt-Ampère-reativo Gerador de Indução Autoexcitado Unidade de Terminal Remoto Vinculação e Incorporação de Objetos para Controle de Processos Sistema de Informação Geográfica Unidade de Controle Principal Tecnologia de Informação Universal Assyncronous Receiver/Transmiter Portas Seriais de Hardware Subscriber Identity Module Application Programming Interface.

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(17) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO. .................................................................... 19. 1.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.2 Objetivos e escopo da presente dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. ............................................. 27. 2.1 Sistemas SCADA para distribuição, geração de energia e sistemas industriais em geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.2 Monitoramento remoto utilizando a tecnologia GPRS . . . . . . . . . . . . .. 29. 2.3 Paginas Web e Aplicativos Mobile para monitoramento de dados. 33. 3 ESTUDO DE CASO. ............................................................ 37. 3.1 Bancadas de microgeração hidroelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.1.1 Quadro de comandos das bancadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.2 Implementação do Sistema Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 3.3 Instrumentação Geral do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.4 Sensores e atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.5 Circuitos de condicionamento de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.6 Placas de condicionamento de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.7 Comunicação/Gerenciamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.7.1 Microcontrolador Arduino Mega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.7.1.1 Fonte de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.7.1.2 Memória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.7.1.3 Entradas e Saídas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.7.2 Kit Shield RS-485 e Conversor USB/RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 3.7.2.1 Características técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3.7.3 Módulo GPRS SIM900 (Shield Arduino) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.7.3.1 Especificações Técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.7.3.2 Comandos AT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.8 Desenvolvimento do software Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.8.1 Criando bibliotecas e funções para aquisição de dados . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.8.1.1 Desenvolvimento da biblioteca “EnergyMeterAC” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.8.1.2 Função de tratamento de pressão diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.8.1.3 Função de tratamento do nível do reservatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 3.8.1.4 Função de tratamento rotação da turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 3.8.1.5 Função de cálculo da tensão CC gerada pela turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 3.8.1.6 Função de cálculo da corrente CC gerada pela turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 3.8.2 Implementação da comunicação Modbus - RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 3.8.3 Ligação física e funções para envio de dados via GPRS . . . . . . . . . . . . . . .. 58.

(18) SUMÁRIO 3.8.3.1 Construção do endereço HTTP para envio da requisição HTTP GET . . . . . .. 59. 3.8.3.2 Módulo GPRS e o envio da requisição HTTP GET para o servidor . . . . . . . . .. 60. 3.9 Criação do supervisório no Elipse SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 3.9.1 Configuração do driver Modbus e Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 3.9.2 Associando Tags e Criando Telas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 3.9.2.1 Botões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 3.9.2.2 Bitmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 3.9.2.3 Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 3.9.2.4 Bar Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 3.9.2.5 Trend Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 3.9.2.6 Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 3.9.2.7 Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 3.9.2.8 Alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 3.9.2.9 Relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 3.9.3 Funcionamento geral do sistema de supervisão SCADA . . . . . . . . . . . . . .. 75. 3.10 Desenvolvimento Website para monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 3.10.1 Hospedagem de Site (Hostinger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 3.10.1.1 Registro de domínio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 3.10.2 Sistema de Gerenciamento de Bando de Dados (SGBD) . . . . . . . . . . . .. 77. 3.10.2.1 SGBD MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 3.10.3 Envio e armazenamento de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 3.10.4 Programação Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 3.10.4.1 Comunicação com o DB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 3.10.4.2 Comandos SQL e Requisições HTTP GET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 3.10.4.3 Acesso e Cadastro de usuários com o método HTTP POST . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 3.10.5 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 3.10.5.1 Configuração de estilos em CSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 3.10.5.2 Site responsível com Bootstrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 3.10.6 Páginas do sistema de supervisão Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. 3.10.6.1 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. 3.10.6.2 Página Monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 3.10.6.3 Página Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 3.10.6.4 Gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 3.11 Desenvolvimento App Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92. 3.11.1 Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 3.11.2 Recebimento de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 3.11.3 Ficheiro Manifest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 3.11.4 Tela LoginActivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95.

(19) SUMÁRIO 3.11.5 Tela MainActivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 3.11.6 Pedaços de activities: Fragments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 3.11.7 Arquivos XML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102. 3.11.8 Atualização das telas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102. 4 RESULTADOS. ..................................................................... 105. 4.1 Descrição Completa do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105. 4.2 Sistema SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3 Website . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109. 4.4 Aplicativo Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115. 5 CONCLUSÃO REFERÊNCIAS. ...................................................................... 121. ...................................................................... 123.

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(21) 1 INTRODUÇÃO. 1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO. Os estudos nas áreas de microgeração e redes inteligentes estão em constante crescimento, e um dos principais objetivos está em como gerenciar os recursos disponíveis. A competitividade socioeconômica entre os países também é fortemente influenciada pela geração de energia, desenvolvendo assim um interesse maior sobre a geração de energia. (BORBA; GASPAR, 2010) Desde a Revolução Industrial Inglesa, a humanidade, para garantir o suprimento de suas necessidades energéticas, vem optando por fontes de energia, a presença de máquinas em fábricas e trens utilizando carvão despertou um maior interesse em estudos de tecnologias para conversões energéticas, onde o avanço trouxe novos tipos de geração como petróleo, gás natural e a energia hidroelétrica propiciou a criação de novos tipos de industrias geradoras e fornecedores de energia. Máquinas geradoras, turbinas e sistemas de transmissão transformaram as residências e as indústrias com a introdução de equipamentos de iluminação, força motriz, e climatização. Esse conjunto de tecnologias baseadas na conversão energética alterou, de forma significativa, o consumo de energia, os processos de formação sócio-espacial e econômica das sociedades, influenciando as técnicas de urbanização e industrialização, bem como as relações de trabalho, no âmbito internacional. Nas últimas décadas ocorreu uma maior preocupação por parte da sociedade com relação aos recursos energéticos; neste sentido a sustentabilidade, poluição ambiental, custo social e segurança energética, ou seja, uma oferta de energia elétrica capaz de atender a crescente demanda, principalmente dos países emergentes.(GRIMONI; GALVAO; UDAETA, 2004) A necessidade da descoberta de novas fontes de energias limpas e renováveis em substituição ao petróleo e seus derivados é de grande importância na manutenção de uma economia aquecida. Isso se dá em virtude da diminuição das reservas de petróleo, confirmando a ocorrência de uma crise energética, a qual pode afetar diretamente a economia mundial. Por este motivo cresce o interesse por estudos sobre a geração de energia, com o objetivo de melhor aproveitar os recursos disponíveis. As energias solar, hidrelétrica, nuclear, eólica entre outras, que em sua plenitude são transformadas em energia elétrica, se tornam um recurso indispensável para o desenvolvimento socioeconômico de muitos países e regiões. Com o avanço tecnológico de geração e transmissão de eletricidade, é possível observar regiões que anteriormente eram pobres e desocupadas, transformando-se em grandes centros urbanos e polos industriais . Apesar dos avanços e investimentos na geração e transmissão de energia elétrica, cerca de um terço da população mundial ainda.

(22) 1 INTRODUÇÃO. 20. não tem acesso a esse recurso, e outra grande parte é atendida de forma insuficiente. (Agência Brasil, 2012) Com todas estas questões, os países desenvolvidos estão cada vez mais preocupados com aumentar a geração de energia a partir de fontes renováveis. Assim como a União Europeia que atualmente tem a meta de que as energias renováveis representem até o ano de 2020, 20% da quantidade total de energia consumida e a China que é detentora de 14 da capacidade eólica mundial e país líder no setor em investimentos, com aproximadamente 92 gigawatts (GW) instalados, o que corresponde a 45% na participação global. (Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), 2012) O Brasil ao longo do século XX experimentou um desenvolvimento econômico intenso, que se refletiu numa crescente demanda de energia primária. Entre os fatores que determinaram tal crescimento alinham-se um expressivo processo de industrialização, com a instalação de plantas e uma notável expansão demográfica, acompanhada de rápido aumento da taxa de urbanização. Muito importante destacar a diversificação da matriz energética brasileira ao longo dos anos, como pode se observar na Figura 1.1, em 1970 apenas duas fontes de energia, petróleo e lenha, respondiam a 78% do consumo, enquanto em 2000 três fontes correspondiam a 74% do consumo: petróleo, lenha e energia hidráulica. Para 2030 é projetado uma diversificação muito maior, em uma situação em que 4 fontes serão necessárias para satisfazer 77% do consumo, além de petróleo, energia hidráulica, tem a cana-de-açúcar e gás natural, com a redução significativa da lenha. (TOLMASQUIM; GUERREIRO; GORINI, 2007) No Brasil destaca-se uma tendência de reversão, pois houve uma redução da participação das fontes renováveis na matriz energética ao longo dos anos. Em 1970 essa participação era superior a 58%, em virtude da predominância da lenha, que por muitos não é tratada como uma fonte renovável. Após a inserção de recursos energéticos mais eficientes, a participação de fontes renováveis reduziu para 53% no ano de 2000, chegando a 44,5% em 2005. Já em 2015 tem-se uma matriz totalmente revertida, onde as energias renováveis voltaram a crescer e já ultrapassaram a participação das energias não renováveis, onde no cenário atual o Brasil tem como sua principal fonte de geração a energia Hidráulica, sendo 64% da matriz Elétrica Brasileira, como indicado no gráfico da Figura 1.2. O ano de 2016 é marcado pela entrada da fonte solar fotovoltaica (FV) no balanço energético Nacional. (Empresa de Pesquisa Energética (EPE), 2016) Com o aumento da diversidade de geração, e devido à questões econômicas e ambientais o setor energético passou a procurar novas formas de produção de energia. A produção em pequena escala próxima ao local de consumo, tornou-se uma possível solução. Esse tipo de produção é conhecido como mini, microgeração ou geração distribuída, mas atualmente ainda existem barreiras de ordem técnica, econômica e regulatória que dificultam a implantação destas microcentrais.(LIMA, 2013) A geração distribuída de energia tem se tornado muito necessária devido ao cres-.

(23) 1 INTRODUÇÃO. 21. Figura 1.1 – Evolução da estrutura da oferta de energia. Fonte: EPE.. cente aumento de consumo, trazendo ao mesmo tempo benefícios como menores impactos ambientais, tais como, a redução de perdas devido a maior proximidade com a unidade consumidora. Os sistemas de geração distribuída são divididos em dois tipos, mini geração, que corresponde a potência instalada que varia de 101kW a 1MW e microgeração, com potência igual ou menor a 100kW, estes podem ser sistemas fotovoltaicos, sistemas geradores a combustível e pequenas centrais hidrelétricas (PCHs).(Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), 2012) Apesar de todas as barreiras existem grandes incentivos à implantação de microcentrais elétricas, principalmente com a popularização das Smart Grids (Redes Inteligentes),.

(24) 1 INTRODUÇÃO. 22. Figura 1.2 – Matriz elétrica brasileira. Fonte: EPE.. representadas de forma ilustrativa na Figura 1.3. Estes sistemas possibilitam a conexão direta do sistema de microgeração com a rede de distribuição de energia elétrica. Figura 1.3 – Smart Grid. Fonte: PSMA.. As Smart Grids, são consideradas melhorias na geração e distribuição de rede.

(25) 1 INTRODUÇÃO. 23. atual, onde tem-se o fato que o gerenciamento de energia encontra-se carente de eficiência e bastante defasado. Esses aspectos acarretam uma necessidade maior de investimentos para sanar os problemas e suprir a energia, consequentemente fazendo aumentar os custos de produção, que sempre chegam ao consumidor final. Para que no futuro não ocorram fatos de redução de consumo desnecessários, apagões, sobrecargas, entre outros, espera-se a implantação de Redes Inteligentes, para tornar as redes elétricas confiáveis, eficientes e auto-gerenciáveis (FRACARI; SANTOS; SANCHEZ, 2015). Todo esse avanço tecnológico é totalmente dependente das telecomunicações, onde todos os dados monitorados por sensores devem ser enviados por algum meio até um ponto de supervisão ou monitoramento. Existem diversos meios de telecomunicação como banda-larga, Rádio-Frequência, Wi-Fi e GPRS (Redes de telefonia). A utilização de transmissão de dados com o uso das redes de telefonia celular tem evoluído e seu potencial é muito grande, como alternativa de rede de comunicação para aplicação em diversos setores que têm a necessidade da troca de dados. Atualmente no Brasil o padrão utilizado das redes de telefonia celular é a tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) e dentro das redes GSM existe um serviço chamado GPRS (General Packet Radio Service), que teoricamente permite uma taxa de transmissão mais elevada. Dentro da GSM pode-se pensar, em transmissão de dados via SMS (Short Message Service). Outra possibilidade é o uso de conexão ponto a ponto via CSD (Circuit Switched Data), nesse caso o sistema teria que ser planejado de acordo com a aplicação para viabilizá-lo em termos de custos, além de oferecer também restrições em termos de taxa de transmissão. (TATEOKI, 2007) Então a telecomunicação tem a função de transmissão de dados, ou seja, o ato de emitir, transmitir ou receber dados, isto é, existe a necessidade de um transmissor e um receptor de dados, ou para monitorá-los, ou para aplicá-los em certas utilidades. Por este motivo a leitura dos dados também é extremamente importante, tanto quanto as telecomunicações, pois os dados enviados devem ter um receptor para cumprir suas funções. O meio de transmissão e recepção de dados mais utilizado na atualidade é a internet que surgiu com diversas limitações à computação gráfica. No início, ela possibilitava apenas visualização por texto, no decorrer dos anos passou a permitir transmissão de áudio, vídeo, e imagens em alta resolução. Com isso, a Internet se tornou um ambiente ideal para disseminação dos mais diversos tipos de informação, configurando-se assim, um excelente veículo para a transferência de informação para, praticamente, todos os segmentos da sociedade que utilizam qualquer sistema com acesso a este meio. A grande difusão e popularização da Internet juntamente com os avanços da tecnologia nas áreas de informação, redes e automação industrial, em um mercado cada vez mais competitivo, despertam um crescente interesse industrial pelos sistemas de supervisão, os quais pos-.

(26) 1 INTRODUÇÃO. 24. sibilitam a leitura de variáveis de forma mais confiável e com menor atraso (JUNIOR, 2002). E cada vez mais com o desenvolvimento científico e tecnológico possibilita o surgimento de aplicações especializadas, principalmente em relação à utilização de recursos para apresentação gráfica, tornando-se um meio atraente para disseminação de informações como dados de sistemas de geração elétrica. Na atualidade é possível disponibilizar em um ambiente Web, várias funcionalidades que antes só eram voltadas a máquinas locais. Isso permite, por exemplo, que os usuários executem consultas em uma base de dados localizada remotamente. Mas não só os ambientes Web como todas as áreas de tecnologia de informação e comunicações (TIC) têm causado impactos significativos nas áreas de automação industrial e automação predial/residencial. Nessas áreas pode ser encontrado um conjunto de soluções, no qual destacam-se os sistemas supervisórios, conhecidos também por sistemas Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), que permitem o monitoramento de informações, dados, de um processo produtivo ou instalação física, onde são efetuadas a aquisição, a manipulação e a apresentação aos usuários das váriaveis do processo e de controle/atuação. (PEROZZO, 2007) O presente trabalho apresenta o estudo, a metodologia de projeto e o desenvolvimento de um sistema de supervisão/monitoramento tanto local quanto remoto, fazendo o uso de três tipos de plataformas para facilitar o acesso do usuário à leitura das variáveis do sistema, as plataformas envolvidas são: Web, Android e SCADA. Ou seja, os dados estão disponíveis e podem ser acessados em diversos ambientes virtuais. Uma visão global do sistema desenvolvido é mostrada na Figura 1.4. O trabalho está integrado a uma bancada de microgeração hidroelétrica, onde se tem uma turbina Kaplan, que gera energia de acordo com uma motobomba que tem a função de simular a força das correntezas em um sistema de geração real. Para implementação do sistema foi utilizado o laboratório do Núcleo de Automação e Processos de Fabricação (NAFA). No decorrer do trabalho várias áreas de conhecimento serão contempladas, dentre elas: eletrônica, protocolos de comunicação, tipos de redes, sistemas supervisórios e automação industrial..

(27) 1 INTRODUÇÃO. 25. Figura 1.4 – Visão geral do sistema de supervisão/monitoramento. APLICATIVO SERVIDOR COMUNICAÇÃO SEM FIO. WEBSITE. PLANTA HIDRÁULICA. INSTRUMENTAÇÃO. MODBUS. SCADA. Fonte: Autor.. 1.2 OBJETIVOS E ESCOPO DA PRESENTE DISSERTAÇÃO. O sistema desenvolvido por este trabalho tem como foco principal facilitar o modo de monitoramento de sistemas de microgeração, desenvolvendo programas para verificação e análise de dados em modo local e remoto. Pode ser aplicado em qualquer tipo de geração, principalmente para setores de pequena geração em locais distantes dos centros urbanos. O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de sistemas de supervisão, monitoramento e aquisição de dados WEB que serão enviados por um sistema que utiliza a comunicação GPRS, sendo sistemas para uso tanto local, quanto remoto, com aplicações em micro centrais de geração de energia elétrica, sendo utilizada neste caso em uma bancada de microgeração hidrelétrica. Estes sistemas são desenvolvidos com diversos tipos de linguagens de programação, protocolos de comunicação e meios de comunicação, por isso a dissertação abrangerá os seguintes tópicos: 1. Revitalização da bancada de geração hidroelétrica; 2. Desenvolver instrumentação; 3. Sensores aplicados; 4. Programação microcontrolador para aquisição de dados; 5. Implementar protocolo Modbus para comunicação local; 6. Criar sistema Supervisório SCADA; 7. Integrar comunicação GPRS ao microcontrolador;.

(28) 1 INTRODUÇÃO. 26. 8. Banco de Dados MySQL; 9. Monitoramento WEB; 10. Aplicativo Android; Os tópicos acima dividem a sequência dos capítulos desta dissertação, onde esses foram dispostos nas etapas de desenvolvimento do sistema de monitoramento/supervisão, desde o processo de revitalização do sistema que já tem diversos anos, como a parte de programação e desenvolvimento dos sistemas. Este trabalho busca realizar uma revisão bibliográfica das principais metodologias e técnicas utilizadas para projeto de um sistema de supervisão e monitoramento, visando situar o estado da arte neste assunto para mapear os procedimentos de sistemas para as expectativas de aplicações. Ademais, busca-se comparar diversos tipos e desenvolver um sistema de supervisão para microgerações de energia elétrica, assim como uma metodologia de projeto orientado à escolha dos protocolos, programação e tipo de comunicação, que geralmente não são abordados nos projetos. Então a presente dissertação está dividida da seguinte forma: • Introdução - Abordagem geral do conteúdo que envolve geração de energia e sistemas de supervisão; • Revisão Bibliográfica - Trata de trabalhos similares ao desenvolvido, comparando as suas características; • Estudo de Caso - Mostra como foram desenvolvidos os sistemas de supervisão e quais as técnicas utilizadas; • Resultados - Apresenta de modo geral como ficou os sistemas criados e como foram aplicados; • Conclusão - Breve fechamento, retomando o que foi realizado..

(29) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 2.1 SISTEMAS SCADA PARA DISTRIBUIÇÃO, GERAÇÃO DE ENERGIA E SISTEMAS INDUSTRIAIS EM GERAL. Considerando os sistemas que vêm sendo desenvolvidos, no que tange à função de monitoramento, destacam-se os seguintes trabalhos: projeto para desenvolver e resolver, esquemas e problemas do sistema SCADA para o controle de energia elétrica em RailWay Rolling Stock que é mostrado no trabalho de Kuznetsov, Lavrukhin e Kuznetsova (2017), onde a abordagem visa questões de construção e tarefas do sistema SCADA na distribuição de energia elétrica na distribuição de material circulante rodoviário. O que tange à estrutura, circuitos funcionais compreendendo medição, canais, dados aparelhos de processamento e atuadores. O trabalho apresenta a simulação do fluxo de circuito, consumo e acumulação de energia elétrica. Outra questão que é resolvida com a ajuda do sistema SCADA é a identificação do modo que a energia é fornecida ao sistema. Mostra a importância dos sistemas de supervisão na análise e controle de dados de qualquer tipo circuitos, esquemas, sistemas e aparelhos. A vantagem desse método são os meios técnicos de níveis superiores e inferiores que realizam a verificação dos dados para possibilitar a identificação da qualidade e modo de energia fornecida. No trabalho de Schneider et al. (2013), que apresenta a aplicação de um sistema SCADA a uma planta de microgeração hidroelétrica, e também propõe a simulação e emulação em conjunto com o software Matlab e SCADA, diferente dessa dissertação, o trabalho analisado desenvolve uma simulação do sistema de microgeração totalmente através dos softwares, onde esse é composto por um SEIG (gerador de indução autoexcitado) acoplado a um motor elétrico controlado por conversor de frequência, ilustrado na Figura 2.1. Para a comunicação eles utilizam o protocolo Modbus RTU (Unidade de terminal remoto) que conecta o SCADA com o conversor de frequência e o OPC (vinculação e incorporação de objetos para controle de processos) o qual conecta o SCADA com o Matlab. O SCADA foi utilizado para monitoramento do sistema em tempo real, e este artigo é o que mais tem similaridade com o que está sendo proposto nesta dissertação, onde as maiores diferenças estão associadas ao uso de planta real e à possibilidade de monitoramento remoto. Outro trabalho que resgata o uso de um sistema de supervisão SCADA, para geração e distribuição de energia é o trabalho de Setiawan, Syamsudin e Rosmansyah (2015), onde o uso da supervisão é utilizado para avaliação da segurança da informação em uma Smart Grid. O sistema SCADA é utilizado para processar a segurança das informações da rede.

(30) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 28. Figura 2.1 – Sistema SCADA para planta de microgeração hidroelétrica OPC server. PC. SCADA `. Matlab. Conexão sem fio Modbus RTU. SEIG. Motor Elétrico. CFW. DSP. Fonte: Adaptado de Schneider et al. (2013).. inteligente, o processo permite uma ampla perspectiva na identificação dos riscos que podem causar falhas no sistema, então o objetivo em geral do trabalho foi a análise dos riscos de segurança para verificação governamental, nessas novas redes automatizadas. Mostra a importância da supervisão SCADA, onde a aquisição e verificação dos dados permite muito mais que o monitoramento de um sistema, mas também o controle, a análise de risco. Os sistemas SCADA possuem muito mais aplicações do que é possível perceber, alguns usos estão associados às aplicações industriais como o trabalho de Constain (2011), que apresenta uma proposta de metodologia para o desenvolvimento integrado de sistemas SCADA com CLP (Controlador Lógico Programável) para a indústria de manufatura. O sistema foi emulado para essa aplicação, com isso os resultados deste trabalho demonstram sistematização, flexibilidade e eficiência na realização do projeto de controle e supervisão do sistema, além de permitir estruturação e validação tanto do programa no CLP como o sistema SCADA. Outro trabalho que apresenta a importância da supervisão em ambientes industriais é o de Junior (2002), o qual utiliza as qualidades desses sistemas para aplicação em torneamento, utilizando tecnologias de comunicação e aquisição de dados. E assim, fazendo a verificação das qualidades dimensionais e indiretamente do desgaste das ferramentas. Também compartilhando informações do chão de fábrica, em tempo real, permitindo acesso ao processo de qualquer local via Internet, auxiliando na integração do sistema de manufatura..

(31) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 29. 2.2 MONITORAMENTO REMOTO UTILIZANDO A TECNOLOGIA GPRS. A transmissão de dados é de suma importância para a supervisão, pois sem essa, não seria possível a visualização de variáveis e análise das mesmas. Por este motivo, alguns trabalhos serão apresentados, mostrando onde a comunicação GPRS vêm sendo utilizada. O trabalho de Gruber (2007) é um exemplo, o qual desenvolveu um sistema de monitoramento remoto baseado em rede celular GSM/GPRS para o gerenciamento de desgaste de pastilha de freio e vibração da torre em aerogeradores. Este sistema é mostrado na Figura 2.2. Figura 2.2 – Aplicação da comunicação GPRS em um sistema de gerenciamento de desgaste de pastilha de freio e vibração da torre em aerogeradores. Fonte: Adaptado de Gruber (2007).. O monitoramento remoto utilizando comunicação GPRS, não só é utilizado em casos industriais, mas também na medicina. Em Vargas (2008) o protocolo GPRS é utilizado para transmitir os resultados do estado do coração em tempo real, através de um aparelho colocado junto ao paciente. Esse transmite as informações via GPRS a um servidor de uma clínica de saúde, onde por interface Web possibilita que um especialista acompanhe seus pacientes com facilidade. A agricultura também tem utilizado comunicação remota, como o monitoramento de vídeo dos campos, para evitar roubos, ou até mesmo monitorar a área de plantação. Mas com o avanços, estudos como o trabalho de Long, Liu e Zhou (2011), desenvolve um sistema de irrigação remota baseado na tecnologia GPRS. Este estudo desenvolvido para a agricultura na China, verifica um modo de automatizar o processo de irrigação, para.

(32) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 30. assim, não só possibilitar o comando remoto, mas a verificação de dados e melhorar a qualidade da forma de irrigar. O método propõe a instalação de sensores sem fio para transmitir os dados de umidade e temperatura, com o sistema GPRS estes dados são dispostos em uma rede, para uma análise de diagramas e gráficos. O trabalho pode ser muito importante para o nosso país, pois se verifica que nosso cenário tem uma presença muito grande da agricultura. Em Abidin et al. (2015) é desenvolvido um sistema de aquisição de dados em tempo real com monitoramento remoto, muito similar ao trabalho antes apresentado, mas neste caso é para a verificação dos parâmetros que influenciam a operação de um equipamento elétrico como temperatura, umidade, tensão, corrente e até mesmo a condição do vento. Assim os dados são coletados por sensores que estão conectados a um microcontrolador e os dados são salvos em um cartão SD, e utilizando o serviço GPRS são atualizados em uma página Web, esse sistema possibilita ao usuário monitorar a condição dos dispositivos e as mudanças ambientais. Percebe-se que a cada dia novos conceitos e utilizações são lançados, como na geração de energia fotovoltaica que o artigo de Tejwani, Kumarb e Solanki (2014) apresenta; um modo de monitorar continuamente sistemas fotovoltaicos instalados em locais rurais. O monitoramento de forma remota fornece informações precisas e assim com informações antecipadas é possível verificar o desempenho do sistema, e se uma falha irá ocorrer. Então, com essas informações, é possível fazer manutenção preventiva. Diferente dos sistemas apresentados anteriormente esse utiliza a comunicação GSM (modem GSM), ou seja, o sistema é usado para comunicação de dados sem fio, por meio de um canal de voz (sinal analógico), neste sistema toda vez que uma requisição de dados é enviada a rede GSM realoca um novo endereço de IP. O motivo da utilização de tecnologia GSM vem por seu custo-beneficio, por abranger uma grande rede sem fio, possibilitando a sua instalação em áreas rurais. Neste caso, também é bom mostrar que é utilizado o canal de voz GSM para a comunicação de dados, sob a forma de um sinal analógico entre transmissor e receptor. Assim, quando os dados são coletados uma ligação é feita com o número da central para a conversão dos dados analógicos em sinal desejado por uma unidade de processamento, por isso os dados podem ser verificados somente com ligações, uma parte do processo pode ser visto na Figura 2.3. Já o artigo de Santos et al. (2014), utiliza um sistema de monitoramento remoto para a mesma função, mas a principal diferença, é que neste caso foi utilizada a tecnologia de comunicação de celular GPRS, com um modem de comunicação GSM/GPRS, com este modem conectado a um microcontrolador as informações de um medidor inteligente são transmitidas em períodos específicos do dia, para a central de supervisão. Outra diferença do sistema anterior é a utilização de medidores inteligentes em residências, melhor falando em ambiente urbano. Outra importante aplicação visando à segurança de operadores de caldeiras é o.

(33) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 31. Figura 2.3 – Aplicação de sistema com tecnologia GSM Enviando comando da estação de serviço para o usuário final. Receber chamada na estação de serviço. A partir do alto falante do celular. Conversos de voz para sinal digital. Conversor de sinal digital em voz. Unidade de processamento de sinal. Unidade de processamento de sinais. Unidade de análise de dados. Tomada de decisão. Gerador de comando. Enviando mensagem para o usuário e/ou companhia. Espera. Fonte: Adaptado de Tejwani, Kumarb e Solanki (2014).. uso da tecnologia de monitoramento remoto com o envio de dados por rede GPRS em caldeiras, tecnologia estudada e aplicada por Wu e Wang (2012), que combina as vantagem das tecnologias GPRS e GIS (Sistema de informação geográfica) para transmissão de dados remota. O sistema GIS possibilita que a operação da caldeira industrial seja marcada dinamicamente no mapa eletrônico, que em conjunto com as informações enviadas pela tecnologia combinada, possibilite verificar os parâmetros de operação detalhados. A aplicação tem como funções a segurança, evitar acidente, análise dos dados para melhor eficiência e diminuir consumo. Pelo diagrama apresentado a seguir é possível visualizar outros meios de comunicação como a tecnologia com fios RS-485 e RS-232, que é utilizada para os hardwares de leitura de dados ao módulo GPRS. Esta comunicação também será usada na presente dissertação, por isso o destaque também ao uso desses meios em sistemas de monitoramento e supervisão industrial. Um outro sistema em uma província no sul da China utiliza um método de supervisão para a retirada de água, o estudo de Wang et al. (2016), mostra um sistema de monitoramento remoto que já está em operação. Este adota GPRS para estabelecer a comunicação com o centro de monitoramento. Esse dispositivo coleta dados como a quantidade de água, enquanto coleta imagens que são propostas para melhorar as funções gerais do sistema. O esquemático do sistema para supervisão de retirada de água e.

(34) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 32. Figura 2.4 – Esquemático de um sistema para supervisão de retirada de água e monitoramento remoto PC. PC. PC. Internet. ADSL. Rede GPRS Servidor banco de dados. Servidor Web. Unidade 1. Unidade 2. Unidade 3. Módulo GPRS. Módulo GPRS. Módulo GPRS. RS232. RS485 RS-485 Coletor de dados. Terminal de recolhimento de dados. RS-485 Coletor de dados. Coletor Coletor de de dados dados sem sem fio. RS-485 Coletor de dados. RS232. RS232. Terminal de recolhimento de dados RS485. Terminal de recolhimento de dados RS485. RS-485 Coletor de dados. RS-485 Coletor de dados. Coletor de dados sem fio. RS-485 Coletor de dados. Coletor de dados sem fio. RS-485 Coletor de dados. RS-485 Coletor de dados. Coletor de dados sem fio. Fonte: Adaptado de Wu e Wang (2012).. monitoramento remoto é mostrado na Figura 2.4. O fluxo de dados é inicialmente coletado pelas medidas e câmeras que pela comunicação RS-485 são processados pela RTU e enviados para o módulo GPRS e enviados ao centro de monitoramento através da Internet. Este sistema é mostrado nas Figuras 2.5 e 2.6. Figura 2.5 – Sistema RTU RS485. Medidor de vazão e câmera. RTU. Módulo GPRS. Rede GPRS/ Internet. Centro de Monitoramento. Fonte: Adaptado de Wu e Wang (2012).. A RTU mostrada na Figura 2.6 foi projetada de acordo com os princípios de confiabilidade, economia, praticidade e expansibilidade. O hardware principal da RTU é uma unidade de controle principal (MCU) e os circuitos periféricos, como comunicação sem fio GPRS, e ligações seriais. O diagrama de blocos mostra a RTU que foi projetada para.

(35) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 33. esse sistema, mostrando um alto índice de confiabilidade e representando diversos meios de comunicação que estarão presentes na dissertação. Figura 2.6 – Sistema de comunicação serial de MCU com módulo GPRS e rede RS-485 EEPROM. Internet. Comunicação Serial. Circuito de botão. Módulo GPRS. Cartão GSM. MCU. LCD. Módulo de Potência. Digital I/O. Comunicação Serial. Rede RS 485. Sensor. Sensor. Sensor. Sensor. Câmera. Sistema de alimentação externa. Fonte: Adaptado de Wu e Wang (2012).. 2.3 PAGINAS WEB E APLICATIVOS MOBILE PARA MONITORAMENTO DE DADOS. Com o uso de smartphones bastante consolidado, cada vez mais aplicativos são lançados e largamente utilizados, com uma determinada função. Então, os aplicativos possibilitam facilitar a vida dos usuários de smartphones, ou seja, encurtar caminhos como acesso a site de compras, monitoramento de residências, calculadoras, aplicativos para comunicação, redes sociais e alguns como o que será desenvolvido nesse trabalho, aplicativo para monitoramento de dados em um sistemas de geração de energia elétrica. Um exemplo de aplicativo que foi desenvolvido para geração de energia elétrica é apresentado no artigo de Patttanayak, Pattnaik e Panda (2014), que tem como meta ensinar o usuário a gerenciar seu consumo energético, tomando medidas para reduzi-lo. O modelo é composto de medidores inteligentes e um hardware incorporado que estabelece uma rede inteligente, os quais possibilitam a leitura de diversos parâmetros, com um.

(36) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 34. controlador embutido que envia os dados para um servidor online. Este sistema é mostrado na Figura 2.7. Também é possível acessar as estatísticas de consumo, e ainda controlar a fonte de alimentação de forma remota, utilizando um aplicativo em um dispositivo móvel. Figura 2.7 – Rede inteligente para medição do consumo de energia. Fonte: Pattanayak, Pattnaik e Panda (2014).. Outro artigo que apresenta um sistema de monitoramento remoto através de aplicativo Android e uma página Web é o trabalho de Chandra et al. (2016), que mostra o aumento do investimento em infraestrutura na Índia, que está relacionado com crescimento da capacidade de geração e distribuição de energia. Este sistema de monitoramento é representado em um diagrama de blocos mostrado na Figura 2.8. As aplicações para monitoramento estão muito além do que é utilizado diariamente por usuários de dispositivos móveis, um exemplo é o protótipo de Gularte, Ribeiro e Silveira (2016), que desenvolveu uma solução de monitoramento de ônibus por GPS (Global Position System), com base na malha rodoviária do transporte público de Porto Alegre RS. Com a utilização do GPS é possível verificar o posicionamento geográfico do veículo, o sistema é executado em uma plataforma Android que dispõe de todas as informações como a localização e estimativa de tempo da chegada do veículo até o ponto do usuário, o objetivo deste trabalho é o monitoramento do fluxo de ônibus e com isso ajudar a melhoria da mobilidade urbana. O trabalho de Souza (2012), desenvolveu um aplicativo para monitoramento re-.

(37) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 35. Figura 2.8 – Sistema de monitoramento remoto com aplicativo Android conectado na nuvem. Fonte de energia. Medidor de energia. Módulo sensor de luz. Carga. Interface GPIO. Raspberry Pi. Nuvem (Google). Website. Aplicativo Android. SMS. Fonte: Chandra et al. (2016).. moto por câmeras IP com sensor de presença. As imagens capturadas pelas câmeras são acessíveis por meio de dispositivos móveis que contêm o sistema Android. A interface é intuitiva e de fácil compreensão, para programação o desenvolvedor utilizou Java e Google Android, por serem tecnologias em alta no mercado de TI (Tecnologia de Informação) e juntas propiciarem as melhores soluções para desenvolvimento móvel. Uma tela da interface desenvolvida neste trabalho é mostrada na Figura 2.9..

(38) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 36. Figura 2.9 – Interface de um sistema de monitoramento remoto por câmeras IP com sensor de presença. Fonte: Souza (2012)..