IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO
DE DADOS PARA BANCADA DE ENSAIOS DE MOTOBOMBAS
UTILIZANDO LABVIEW
Luiz Eduardo Moreira de Jesus – [email protected]
Alaan Ubaiara Brito – [email protected]
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 – [email protected]
Aimé Pinto – [email protected]
Roberto Zilles – [email protected]
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).
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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
Tensão (ac) - entrada do inversor de
frequência que aciona a motobomba
Corrente (ac) – entrada do inversor de
frequência que aciona a motobomba
Pressão interna da bancada de ensaios
Vazão da motobomba ensaiada
3.
TIPO DE TRANSDUTOR
FAIXA DE MEDIÇÃO
Transdutor de tensão
0-5 A 0-10 Vc.c.
Transdutor de corrente
0-300 V
Transdutor de pressão
Transdutor de vazão
0-10 bar
0-32 m³/h
0-10 Vc.c.
0-10 Vc.c.
4 - 20mA
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 prédefinida 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 1- Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados com fonte c.c.
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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.
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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.
Figura 5 – Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico.
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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.
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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.
IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012
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.
Key words: Solar Pumpig, LabVIEW, Data Acquisition.