SISTEMA BASEADO EM SOFTWARE LIVRE PARA AUTOMAÇÃO DE
SUBESTAÇÕES UTILIZANDO REDES DE SENSORES INTELIGENTES
P. S. Sausen, M. A. Spohn, A. C. Oliveira
F. Salvadori*, M. de Campos, E. L.
Padoin e R. Strieder
Universidade Federal de Campina Grande
- UFCG
Universidade Regional do Noroeste do
Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ
Brasil
RESUMO
Neste trabalho é apresentado um sistema para automação de subestações de energia elétrica. Para o
desenvolvimento deste sistema fez-se uso dos conceitos de Módulos de Sensores Inteligentes (MSInt)
estruturados numa Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) e em um conjunto de Unidades Remotas de
Aquisição de Dados (URADs). A comunicação da RSSF e das URADs com o Controlador
Supervisório (CS) pode ser realizada via rádio (Wi-Fi), RS232, RS485 ou através de redes com infraestrutura cabeada (e.g., ethernet). Todas as rotinas em software implementadas para os processos de
aquisição, tratamento das grandezas adquiridas, transmissão e apresentação dos dados (Interface
Homem Máquina – IHM) foram desenvolvidas utilizando ferramentas de software livre e com código
aberto. Esta estrutura apresenta características que, entre outras, mostraram-se interessantes:
mobilidade, robustez, versatilidade, confiabilidade.
PALAVRAS CHAVE
Sensor
Inteligente,
Padrão
IEEE
1451,
Redes
de
Sensores
,
Controle
Supervisório.
*Departamento de Tecnologia (DeTec) – Grupo de Automação Industrial e Controle – GAIC
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – Unijuí
Rua do Comércio, 3000 – Bairro Universitário – CEP 98.7000-000 – Ijuí – RS - Brasil.
Introdução
A automação de processos sempre esteve intimamente ligada a Instrumentação e Controle.
Usualmente, a estratégia convencional utilizada para a aquisição de grandezas no controle de um
processo é a de alocar sensores próximos à fonte da grandeza de interesse. Os dados coletados pelos
sensores são então transmitidos para o local de processamento através de uma estrutura cabeada de
comunicação de dados.
Com a evolução da tecnologia de sensores e das redes de comunicação, surge um novo conceito
através da introdução do uso dos sensores inteligentes que, agrupados, formam as Redes de Sensores
Sem Fio (RSSF). Estas permitem o processamento das grandezas adquiridas próximas ao local de
aquisição, transmitindo os resultados através do uso de sinais de rádio e, conseqüentemente,
eliminando a necessidade de cabeamento e dos problemas apresentados em decorrência da utilização
desta solução, como por exemplo, alto custo de instalação e manutenção, além de possibilitar sua
implementação em plantas já existentes.
Em decorrência do uso dessa nova estratégia de aquisição, onde os dados são pré-processados
localmente, otimiza-se o uso do canal de transmissão, além de permitir gerar informações mais
representativas dos dados coletados. Pode-se, por exemplo, enviar o valor RMS ou médio de uma
grandeza ao invés de todos os valores coletados.
Os sistemas mais recentes de automação de subestações utilizam meios de comunicação baseados em
fibra ótica e, na sua maioria, baseados em plataformas proprietárias (geralmente Microsoft
Windows®). Entre os sistemas proprietários mais conhecidos estão o da ABB® (Asea Brown Boveri)
que é modular em hardware e software denominado Substation Monitoring System SMS530®. Focado
em automação de subestações, a Siemens® possui o SICAM® uma evolução do sistema SIMATIC®.
Considerando os sistemas já instalados, muitos utilizam comunicação serial padrões RS232 e RS485,
que utilizam meios cabeados (com par trançado) para tráfego de dados e comandos.
A utilização de sistemas proprietários (hardware e software) também foi analisada por pesquisadores.
Em [1], apresenta-se um sistema de monitoramento que utiliza como padrão de comunicação a porta
serial RS232 e fibra ótica. Desenvolvido sobre a plataforma Windows NT® a comunicação da
subestação com a central de controle é realizada através de uma linha discada. Em [2], apresenta-se
um esquema de controle de segurança para uma subestação de 440kV aplicado à correção de
distúrbios. O esquema é baseado em Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), os quais possuem
um alto custo de implementação principalmente quando são utilizadas entradas analógicas, as quais
normalmente são multiplexadas.
Essas soluções são baseadas em sistemas dedicados e soluções proprietárias, que apresentam alto custo
de instalação e manutenção. Isto torna as alterações e adequações do projeto/sistema uma tarefa
trabalhosa e de alto custo financeiro, sobretudo devido ao cabeamento utilizado pelos sensores e pela
falta de flexibilidade dos sistemas proprietários. No que se refere ao software implementado em
sistemas de controle supervisório, algumas alternativas são apresentadas em [3], [4] e [5].
Uma nova abordagem para transmissão de dados em sistemas de automação é apresentada em [6],
onde é utilizado o conceito de transmissão sem fio (wireless) em conjunto com a adoção do conceito
de software livre tanto em nível da aplicação como em Sistema Operacional (SO).
Este trabalho estende a solução apresentada em [6] incorporando ao sistema módulos sensores
inteligentes de baixo custo. O sistema é desenvolvido para automação de subestação de energia
elétrica utilizando o conceito de sensores inteligentes estruturados numa RSSF [7]. O sistema de
supervisão foi totalmente desenvolvido sobre plataforma de software livre. Esta alternativa une, em
um mesmo sistema de supervisão, os conceitos dos sensores inteligentes (i.e., mobilidade) com o
conceito de software livre (i.e., baixo custo).
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Descrição do Sistema
Este sistema é resultado de dois projetos de P&D desenvolvidos em parceria com a CEEE-D/RS no
âmbito dos fundos setoriais. O primeiro deles, denominado Sistema para Automação de Subestações,
define as tecnologias adequadas, ou a adequar, para a aquisição dos sinais de interesse, processamento
e transmissão dos sinais de maneira a implementar um sistema de aquisição de dados e controle
supervisório, fundamentado basicamente em termos de custo e confiabilidade. Além disso,
desenvolver procedimentos, ferramentas de software e equipamentos que tornem mais barato o custo
de atualização das subestações já existentes, sem perda de confiabilidade, com tecnologia aberta e que
possibilite a inclusão de outros sistemas. Deste projeto resultou o sistema apresentado em [6] e que
passou, nos anos subseqüentes, por melhorias. O segundo projeto, denominado Projeto e
implementação de sensores inteligentes, implementa um módulo de transdução inteligente, totalmente
compatível com o Padrão IEEE 1451.2, em um microcontrolador dedicado de baixo custo. Portanto,
destes dois projetos resulta o sistema ora apresentado.
Entre as características do sistema podemos citar algumas que o diferenciam dos demais sistemas de
automação de subestações: (a) facilidade de implementação de sistemas microprocessados
(microcontroladores e/ou DSPs); (b) utilização de um sistema operacional, e plataforma de
desenvolvimento não proprietária e livre de licença; (c) baixo custo de implementação (hardware e
software); (d) portabilidade e mobilidade; (e) facilidade de implementação de múltiplas rotas de
comunicação (i.e., segurança); e, (f) possibilidade de utilização de estruturas de rede já existentes.
O sistema foi dividido em três subsistemas conforme apresentado na Figura 1:
•
Subsistema de Aquisição de Dados;
•
Subsistema Servidor Remoto (SR);
•
Subsistema Controlador Supervisório (CS).
Figura 1 – Arquitetura do Sistema.
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2.1.
Subsistema de Aquisição de Dados
Esse subsistema é formado pelos dispositivos responsáveis pela aquisição e pré-processamento dos
dados coletados. Dois dispositivos são utilizados para realizar essas funções. O primeiro deles é a
Unidade Remota de Aquisição de Dados (URAD) e o segundo dispositivo é o Módulo Sensor
Inteligente (MSInt).
A URAD (ver Figuras 2 e 3) é uma unidade de aquisição estática, projetada inicialmente para
aquisição de três tensões e três correntes da subestação de energia. A URAD pode se comunicar com
o Servidor Remoto (SR) via RS 232, RS 485 ou via rádio. No caso da utilização da RS 485 é
possibilitada a conexão de múltiplas URADs para cada SR. Neste momento o sistema opera ponto-aponto utilizando apenas RS232.
A Figura 3 apresenta o diagrama de blocos da URAD. Os transdutores de tensão e corrente são
responsáveis pela aquisição das grandezas elétricas. Os sinais de tensão e corrente no secundário dos
transformadores de medição são acessíveis em níveis muito menores do que no primário, mas, embora
isto facilite na medição, transientes na rede ainda são transmitidos ao secundário. Estes transientes
podem facilmente destruir circuitos que trabalham em baixas tensões e correntes, como os circuitos de
controle da URAD. De modo a evitar estes transientes, são utilizados transdutores de tensão LV20-P e
corrente LA25-NP da LEM® (sensor de efeito Hall).
Figura 2 – Unidade Remota de Aquisição de Dados (URAD): Sensores de Tensão (LV20) e Corrente
(LA20); Conector barramento de dados; Conector da alimentação; Saída RS 232; Saída RS 485; DSP
TMS320F2812; e, Transceiver TRW 2.4G®.
A URAD é controlada através de um Processador Digital de Sinal (DSP), modelo TMS320F2812.
Com 64 KB de memória para programas e 64 KB para dados. Opera na freqüência de 150 MHz e
utiliza linguagem C/C++ na sua programação. O conversor Analógico-Digital (A/D) é de 12 bits e
opera na freqüência de 25 Mhz com tempo de conversão de 80 ns. Os 16 canais de entrada (ou os 2
canais multiplexados de 8 entradas) podem ser configurados em modo seqüencial ou simultâneo.
A URAD além de possuir interface serial de comunicação (RS232 ou RS485) para comunicação com
o Servidor Remoto, também possui um módulo de comunicação por RF (modelo TRW 2.4G) utilizado
para realizar a comunicação com os dispositivos MSInt Gateway.
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Figura 3 – Representação da URAD em diagrama de blocos.
O segundo dispositivo, o MSInt, foi desenvolvido a partir de componentes de baixo custo. Utiliza
microcontrolador PIC18F4520 com encapsulamento SMD do tipo TQFP de 44 pinos e um transceiver
TRW 2.4G para se comunicar, via RF, com os demais MSInt. Desenvolvido pela Laipac®, utiliza o
nRF2401 da Nordic Semiconductor™ e modulação GFSK para a transmissão dos dados a uma taxa no
LINK RF que pode chegar a 1 Mbps.
Figura 4 – MSInt Sensor.
Foram desenvolvidas duas estruturas de MSInt: MSInt Sensor e o MSInt Gateway (Figuras 4 e 5,
respectivamente). A primeira é responsável pela aquisição, processamento e transmissão das
grandezas adquiridas. Por padrão, os MSInt Sensor vem equipados com um sensor de temperatura,
porém, novos sensores podem ser adicionados conforme a necessidade da aplicação através dos
conectores de uma das 12 entradas digitais ou 12 analógicas. O MSInt Sensor possui fonte de
alimentação externa composta por quatro pilhas recarregáveis do tipo AAA que propicia mobilidade e
autonomia ao nó sensor. A segunda categoria, o MSInt Gateway, é responsável pela comunicação
dos MSInt e da URAD com o CS via SR, ou diretamente com o CS bastando para isso conectá-lo
utilizando uma das portas de comunicação (RS 232 ou USB) (ver Figura 5). O software de
comunicação foi desenvolvido em C++ utilizando programação orientada a objeto.
Fig. 5 – MSInt Gateway (USB/RS232).
5
Subsistema Servidor Remoto – SR
Para desempenhar as funções de SR, utiliza-se uma Soekris modelo Net4521 (ver Figura 6).
Apropriada para trabalhar em lugares inóspitos sob severas condições de funcionamento, tem como
principais características: processador AMD 133 MHz, 64 MB SDRAM, socket CompactFlash tipo
I/II, duas interfaces FastEthernet, uma portal serial DB9, dois slots PC-Card/Cardbus, e alimentação
via fonte externa de 12V DC.
Figura 6 – Servidor Remoto (SR): (1) – Placa adaptadora PCMCIA Orinoco; (2) – Conexão SR com a
rede Ethernet; (3) – Conexão SR com a URAD ou com o MSInt Gateway; (4) – Alimentação do SR e
(5) – Cartão de memória.
O SO escolhido foi o Voyage Linux, uma distribuição Linux baseada em Debian e customizada para
trabalhar em plataformas voltadas para sistemas embarcados. A escolha por essa distribuição deve-se
ao fato de sua fácil instalação e pelo bom desempenho no hardware utilizado pelo projeto.
A comunicação entre o subsistema de Aquisição de Dados e o subsistema CS é função do SR, sendo
realizada por dois módulos, desenvolvidos em linguagem C: URADServer e o URADClient.
O módulo URADServer permanece residente nos SRs recebendo dados originários da(s) URAD(s) e
pela RSSF (ver Figura 1). A partir dos dados recebidos, o URADServer realiza ações de préprocessamento nos dados antes de transmiti-los para o CS. Essas ações são referentes ao cálculo, em
RMS, das potências aparente, ativa e reativa, e o fator de potência. O módulo URADServer realiza a
compactação dos dados e coloca-os em formato aceito pelo protocolo MODBUS. Essa última
funcionalidade permite que o sistema de aquisição de dados comunique-se com sistemas que utilizam
o padrão MODBUS (sistemas SCADA). Está em desenvolvimento o módulo de criptografia dos
dados transmitidos pelo módulo URADServer, objetivando-se maior segurança ao sistema.
O módulo URADClient permanece residente no CS. É responsável pela recepção dos dados enviados
pelo módulo(s) URADServer(s), descompactação e disponibilização para o módulo EletroPlot. Como
mencionado anteriormente, existe a possibilidade do módulo URADServer transmitir no padrão
MODBUS, neste caso o módulo URADClient disponibiliza um arquivo texto que pode ser lido por
qualquer sistema que utiliza padrão MODBUS.
O CS pode ser qualquer computador que possuir uma conexão com a Internet. No que se refere à rede
o SR desempenha o papel de gateway. Para desempenhar esta função foram incorporadas as seguintes
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opções de comunicação: porta serial (RS232/RS485), RF ou USB com possibilidades de entrada
convertendo para TCP/IP (sem fio e cabeada) utilizando ou não MODBUS (i.e., protocolo de
comunicação utilizado na automação industrial). Futuramente, pretende-se incorporar um modulo
GPRS (General Packet Radio Service) para facilitar a comunicação utilizando a estrutura GSM de
telefonia celular, em lugares inóspitos e de difícil acesso.
Esse conjunto de alternativas para transmissão dos dados, disponibilizada pelo SR, permite agregar
segurança ao sistema de automação. Qualquer falha numa forma de comunicação, imediatamente
outro módulo de comunicação pode ser ativado em tempo de execução.
Subsistema Controlador Supervisório - CS
O sistema pode ser gerenciado por qualquer computador que possuir o módulo supervisório (IHM)
instalado e tiver acesso a Internet. A IHM foi desenvolvida, inicialmente, para apresentar os dados
coletados em tempo real, restringindo-se em ser a Interface Gráfica para o Usuário final (Graphical
User Interface (GUI)) e, em uma versão futura, adicionar-se-á à parte de atuação (controle) do sistema.
O módulo supervisório denominado EletroPlot foi desenvolvido em linguagem C++ sobre a
plataforma Linux utilizando objetos da biblioteca gráfica QWT v. 5.0.
A Figura 7 apresenta as duas possibilidades de visualização dos dados, através de gráficos (à esquerda)
ou de tabelas (à direita). A visualização dos dados pode ser a partir de dados coletados em tempo real
ou armazenados em arquivos. Na opção on-line os dados são lidos diretamente do subsistema de
Aquisição de Dados numa periodicidade definida pelo usuário e apresentados na forma de gráficos,
tabelas ou de ambos a partir de parâmetros definidos pelo usuário.
A versão em desenvolvimento do EletroPlot integra o banco de dados MySQL. Nesta opção, o banco
de dados é alimentado pelos dados coletados do sistema de medições on-line a partir de parâmetros
estipulados pelo usuário. Com esta estrutura é possível, além da opção de visualização de intervalos
determinados, utilizar os dados armazenados para definição de estratégias de manutenção preditiva e
implementação de sistemas de diagnóstico e detecção de falhas.
Figura 7 – Módulo EletroPlot: gráficos (esquerda) e tabelas (direita).
Conclusão
Este trabalho apresenta os resultados obtidos no desenvolvimento de uma plataforma aplicada à
automação de subestações. O sistema apresenta como grandes diferenciais a utilização do conceito de
Módulos de Sensores Inteligentes e o fato de todas as rotinas de software (aquisição, processamento,
7
transmissão e IHM) terem sido desenvolvidas utilizando ferramentas de software livre e de código
aberto. Estes diferenciais conferem ao sistema: mobilidade, robustez, versatilidade, confiabilidade e
baixo custo (implantação e manutenção).
Os testes preliminares realizados demonstraram que, no que se refere às URADS e ao monitoramento
dos sinais de interesse, em um primeiro caso (i.e., correntes e tensões) o sistema atende aos requisitos
demandados pela Resolução 505 de 2001 da ANEEL (i.e., um número mínimo de 16 amostras/ciclo,
12 bits de conversão e 1% de precisão). Em relação ao MSInt, até o presente momento, sua
configuração básica de conversão é de 10 bits e a capacidade de processamento de 8 bits, o que não
permite sua utilização para o monitoramento de tensões e correntes, mas apenas para grandezas que
tenham alta constante de tempo (e.g., temperatura e umidade).
Novos testes estão sendo desenvolvidos buscando determinar pontos de estrangulamento do sistema
proposto, tais como: (i) distância para transmissão sem fio; (ii) perdas de pacotes; (iii) interferência
eletromagnética; e, (iv) máxima freqüência de transmissão (URADs e MSInt).
A principal contribuição deste trabalho é mostrar a possibilidade de desenvolver um sistema completo
utilizando componentes de baixo custo e software livre de código aberto.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro fornecido pela Companhia Estadual de Energia Elétrica do
Rio Grande do Sul (CEEE-RS).
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