DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO
DE DADOS PARA BANCADA DE ENSAIOS DE MOTOBOMBAS
UTILIZANDO LABVIEW
Luiz Eduardo Moreira de Jesus – luiz_engenheiro@hotmail.com Alaan Ubaiara Brito – aubrito@unifap.br
Universidade Federal do Amapá, Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Engenharia Elétrica Instituto de Pesquisa Científicas e Tecnológicas do Estado do Amapá - IEPA
Maria Cristina Fedrizzi – fedrizzi@iee.usp.br Aimé Pinto – afpinto@iee.usp.br Roberto Zilles – zilles@iee.usp.br
Universidade de São Paulo, Instituto de Eletrotécnica e Energia, Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos - LSF
Resumo. A metodologia mais criteriosa de dimensionamento de sistemas de bombeamento fotovoltaico utiliza a curva
de capacidade instantânea da motobomba (W versus m³/h), obtida experimentalmente, na altura manométrica de projeto. Obter essa curva não é simples, pois exige a utilização de instrumentação capaz de simular poços para diferentes profundidades. Neste trabalho utiliza-se uma réplica da bancada de ensaios de motobombas propostas por Brito (2006). Atualmente os ensaios são realizados e as variáveis de interesse (potência, vazão e altura manométrica) são armazenadas em um datalogger para posterior coleta e análise em planilhas eletrônicas, onde a curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada é obtida. Tendo em vista dar maior agilidade à realização do ensaio, este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema de supervisão e aquisição de dados para a bancada de ensaios de motobombas. O sistema foi desenvolvido em linguagem LabVIEW e permite a visualização dos resultados em tempo real. Esta funcionalidade proporciona maior agilidade na realização dos ensaios, pois permite ao usuário descartar, imediatamente, ensaios mal sucedidos assim como ajustar os equipamentos da bancada de ensaios de forma mais eficaz.
Palavras-chave: Bombeamento Fotovoltaico, LabVIEW, Aquisição de Dados. 1. INTRODUÇÃO
Dentre as metodologias existentes para dimensionamento de sistemas de bombeamento fotovoltaico, a mais criteriosa utiliza a curva de capacidade instantânea da motobomba (W versus m³/h), obtida experimentalmente, na altura manométrica de projeto (Vilela e Fraidenraich, 2001; Fedrizzi et al., 2004). No entanto, raramente os fabricantes
disponibilizam essa informação, principalmente quando se trata de motobombas convencionais (3φ c.a.) que podem ser
utilizadas em um sistema de bombeamento fotovoltaico, quando da utilização de um inversor de frequência como dispositivo de condicionamento de potência (Alonso-Abella et al., 1998; Brito e Zilles, 2006).
Uma forma para determinar a curva de capacidade instantânea de motobombas é por meio de uma bancada de ensaios que simula poços de diferentes profundidades (Brito, 2006). Durante o ensaio, a motobomba a ser caracterizada tem sua potência de entrada controlada por meio de um inversor de frequência que é programado para variar a potência de entrada, lentamente, de zero até o valor nominal (W). Durante a caracterização da motobomba, a bancada de ensaios matem a altura manométrica constante, enquanto os parâmetros de interesse (corrente, tensão, vazão e irradiância) são armazenadas em um datalogger.
Os ensaios podem ser realizados utilizando uma fonte c.c. ou um gerador fotovoltaico. Finalizado o ensaio com fonte c.c., são coletados os dados de vazão instantânea e analisados em planilhas eletrônicas onde é obtida a equação matemática por meio de regressão logarítmica. Quando o ensaio é realizado com gerador fotovoltaico, são geradas diversas curvas de desempenho ao longo de um dia de bombeamento com os dados coletados (Fedrizzi et al., 2007).
Como se pode observar, o procedimento de realização do ensaio não permite que o técnico visualize as informações em tempo real e possa realizar uma análise imediata, tendo em vista descartar ensaios mal sucedidos, evitando assim o trabalho de analisar dados inválidos. Uma forma de solucionar este problema é integrando à bancada de ensaios um sistema de supervisão e aquisição de dados. Todavia, dificilmente se encontra no mercado um sistema que atenda a esta aplicação específica.
Dado o exposto, o trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um sistema de supervisão e aquisição de dados para as bancadas de ensaios de motobombas desenvolvidas por Brito (2006). Uma das bancadas encontra-se em funcionamento desde 2002 no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo e a outra no Laboratório de Hidrometeorologia e Energias Renováveis do Instituto de Pesquisas Científicas e Tecnológicas do Estado do Amapá – NHMET/IEPA. O sistema foi desenvolvido em linguagem LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench).
2. AMBIENTE LABVIEW
O LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica originária da National Instruments. Os principais campos de aplicação são a realização de medições e a automação. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para a supervisão e aquisição de dados, e para a sua manipulação. Os programas em LabVIEW são chamados de instrumentos virtuais ou, simplesmente, VIs, e são compostos pelo painel frontal, que contém a interface, e pelo diagrama de blocos, que contém o código gráfico do programa.
O LabVIEW permite o desenvolvimento de aplicações personalizadas de forma rápida, fácil e com excelente interface gráfica, além de incluir diversas VIs de análises (processamento de sinal para filtragem, transformadas, detecção de pico, análise de harmônicas, análise de espectro, etc). O LabVIEW pode adquirir dados utilizando os mais diversos dispositivos (GPIB, interface serial/USB, PCM/CA, etc.). Nesta aplicação o LabVIEW adquire os dados da bancada de ensaios assumindo o controle do datalogger (Agillent HP34970A) via interface serial RS 232. No datalogger são armazenados os sinais dos transdutores de tensão, corrente, vazão e pressão, conforme a Tab. 1.
Tabela 1. Descrição dos transdutores da bancada de ensaios de motobombas.
VARIÁVEL MONITORADA TIPO DE TRANSDUTOR FAIXA DE MEDIÇÃO
Tensão (ac) - entrada do inversor de
frequência que aciona a motobomba Transdutor de tensão 0-5 A 0-10 Vc.c.
Corrente (ac) – entrada do inversor de
frequência que aciona a motobomba Transdutor de corrente 0-300 V 0-10 Vc.c.
Pressão interna da bancada de ensaios Transdutor de pressão 0-10 bar 0-10 Vc.c.
Vazão da motobomba ensaiada Transdutor de vazão 0-32 m³/h 4 - 20mA
3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS COM FONTE c.c.
O sistema de supervisão e aquisição de dados foi desenvolvido conforme o diagrama de blocos apresentado na Fig. 1. Por meio do LabVIEW é ativado o processo de aquisição de dados onde estes são amostrados com uma taxa pré-definida pelo usuário. O processo é realizado continuamente sendo as variáveis enviadas para uma interface gráfica e visualizadas em tempo real. Ao final do ensaio os dados são interpolados. Na Fig. 2 é apresentado o código gráfico do sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido.
Figura 2 - Código gráfico do sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido.
4. OPERAÇÃO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS
Para validar o sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido, foi realizado um ensaio para obter a curva de capacidade instantânea de uma motobomba centrífuga de ½ CV trifásica. A bancada de ensaios, apresentada na Fig. 3, foi ajustada para simular um poço de 20 m de profundidade.
Figura 3 – Bancada de ensaios de motobombas do NHMET/IEPA.
Os resultados são apresentados na Fig. 4, onde é possível visualizar simultaneamente a realização do ensaio, a evolução dos parâmetros de interesse (potência, vazão e pressão) assim como a interpolação dos pontos e a obtenção da curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada.
Figura 4 – Ambiente virtual de supervisão e aquisição de dados.
A interface da Fig. 4 apresenta todos os gráficos, abas e subprogramas do sistema de supervisão e aquisição de dados, o funcionamento do programa ocorre da seguinte maneira, quando o mesmo é ativado inicia a coleta de dados e os gráficos da potência, vazão e pressão possibilitam a visualização em tempo real destes parâmetros, posteriormente, quando a motobomba entra em regime permanente (potência nominal) os valores de potência e vazão não se alteram, neste momento pressiona-se o botão interpolar e o LabVIEW retorna o gráfico da curva interpolada.
5. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS COM GERADOR FOTOVOLTAICO
Para a realização do ensaio de motobombas com gerador fotovoltaico são necessários vários dias de ensaio, o que gera alguns problemas como: falta de memória suficiente no datalogger, necessidade de supervisão local, etc.
Como não há um programa de computador específico para isso, uma boa solução é a criação de um sistema de supervisão e aquisição de dados feito sob demanda, o qual pode ser feito através da ferramenta LabVIEW.
Para a solução desses problemas foi criado um sistema de aquisição de dados e supervisão, em LabVIEW, capaz de armazenar os dados de vários dias e que não precisa de intervenção local para a realização dessas tarefas. A Fig. 5 mostra o diagrama de blocos do sistema desenvolvido.
Este sistema permite que um datalogger sem ou com pouca memória seja utilizado em um ensaio de vários dias, além de permitir que os dados sejam visualizados instantaneamente e de forma remota (via VNC) e que os dados de um dia inteiro de ensaio sejam enviados por email automaticamente ao término desse dia.
As Fig. 6, 7 e 8 mostram a interface do sistema de aquisição de dados e supervisão.
Figura 6 – Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de configuração.
Figura 7 – Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de visualização dos dados.
Figura 8 – Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de envio de email.
6. CONCLUSÕES
Os sistemas desenvolvidos em linguagem LabVIEW permitem a visualização de todos os parâmetros de interesse durante a realização dos ensaios de motobombas, sendo possível a análise imediata e o descarte de ensaios mal sucedidos. O sistema com fonte c.c. fornece como resultado a curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada, além de permitir melhor ajuste da bancada de ensaios. O sistema com gerador fotovoltaico permite a geração de diversas curvas de desempenho ao longo de um dia de bombeamento, armazenando de grande quantidade de dados, com o acesso remoto do programa e o envio dos dados via email de forma automática.
Agradecimentos
Os autores manifestam seus agradecimentos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de bolsa de Iniciação Científica ao primeiro autor, modalidades PIBIC/CNPq, e ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Energias Renováveis e Eficiência Energética da Amazônia (INCT-EREEA).
REFERÊNCIAS
Alonso-Abella, M.; Chenlo, F.; Blanco, J.; Manso, D., 1998. Use of Standard Frequency Convertes in PV Pumping Systems. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Viena, Austria, pp. 3254-3257. Brito, A. U., 2006. Otimização do acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de
conversores de frequência comerciais para acionar bombas centrífugas. Tese de doutorado apresentada no Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia da Universidade de São Paulo, São Paulo.
Brito, A. U.; Zilles, R., 2006 . Systematized procedure for parameter charactherization of a variable-speed drive used in photovoltaic pumping applications. Progress in Photovoltaics, Inglaterra, v. 14, pp. 249-260.
Brito, A.U., Fedrizzi, M.C., Zilles, R., 2007. PV Pumping Systems: A useful tool to check operational performance. Progress in Photovoltaics: Research and applications. pp. 41-49.
Fedrizzi, M. C., Brito. A. U., Zilles, R., 2004. Procedimento para averiguação operacional de sistemas fotovoltaicos de bombeamento. V Encontro de Energia no Meio Rural e Geração Distribuída AGRENER 2004, UNICAMP, Campinas.
Fedrizzi, M. C., Brito. A. U., Zilles, R., 2007. Procedimentos para realização de ensaios com sistemas de bombeamento fotovoltaico em bancada de teste. I Congresso Brasileiro de Energia Solar - ABENS, 2007, Fortaleza.
Vilela, O. C.; Fraidenraich, N., 2001. A Methodology for the Design of Photovoltaic Water Supply Systems. Progress in Photovoltaics, Inglaterra, v. 9, pp. 349-361.
DEVELOPING A SUPERVISORY AND DATA ACQUISITION SYSTEM FOR PUMP TEST BENCH USING LABVIEW
Abstract. The most careful methodology of photovoltaic pumping system sizing uses the pump instantaneous capacity
curve (W vs. m³/h), experimentally obtained, at the designed manometric height. Achieving this curve is not simple, since it requires the use of instrumentation capable of simulating wells of different depths. This paper uses a pumping test bench replica of the proposed by Brito (2006). Currently, the tests are performed and the variables of interest (power, flow, manometric height and frequency) are stored in a datalogger for posterior download and analysis in spreadsheets, where the instantaneous power curve of the tested pump is achieved. In order to speed-up the test procedure, this paper aims to developing a supervisory and data acquisition system for the pump test bench. The system was developed using LabVIEW and allows the real time data visualization. This feature provides more speed in conducting the tests, because it allows the user to dispose of immediately unsuccessful trials as well as adjust test bench equipment more effectively.
