Controle de Nível Automatizado Através da Pressão no Recalque em
Elevatórias com Reservatório Superior.
Tema 1: Abastecimento de Água
Autores:
Jean Carlos Esser, técnico em eletrônica pelo CEDUP-Blumenau, técnico em
informática industrial pelo SENAI-Blumenau e formando do curso de tecnologia em
processos
industriais,
modalidade
eletromecânica
pela
FURB-Blumenau,
trabalhando desde 27 de março 1998 no SAMAE-Blumenau e hoje exerce a função
de Técnico em Automação.
Cristiano Bittencourt Gularte *, técnico em eletromecânica pela Escola Técnica
Federal de Pelotas – RS, engenheiro eletricista pela FURB de Blumenau-SC e
mestre em metrologia científica e industrial pela UFSC-Florianópolis/SC. Atuando
desde 1997 no SAMAE-Blumenau na seção de manutenção elétrica e mecânica e
atualmente exercendo a função de técnico eletricista.
* Fará a apresentação oral
1. Descrição do Objetivo
1.1.
Sistema Atual
Atualmente o sistema de controle de nível em reservatórios superiores é feito por
cabos de comando (cabo paralelo) instalados em poste da concessionária de
energia, terrenos e residências particulares. A figura 1 mostra o sistema atual.
6
7
4
5
3
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Reservatório Inferior
Conjunto Moto-bomba
Painel Elétrico de Acionamento e Controle
Cabo de Comando
Tubulação de Abastecimento
Chave Bóia
Reservatório Superior
1
2
FIGURA 1 – SISTEMA ATUAL DE CONTROLE DE NÍVEL EM
ELEVATÓRIAS
Este sistema apresenta um índice muito alto de manutenção, pois seu rompimento é
muito comum, assim como falha em sua isolação. Diante ao exposto observa-se à
necessidade de uma melhoria deste sistema de forma que os custos de manutenção
possam ser minimizados e também que o abastecimento das residências no local
melhorem.
O acionamento (painel elétrico) é composto de painel metálico, fusíveis, disjuntores,
rele-térmico, contatores, fios e bornes com as seguintes funções:
•
Acionamento: partida estrela-triângulo, compensadora ou direta;
•
Proteção: disjuntores, fusíveis e rele-térmico;
•
Comando: contator auxiliar que recebe o sinal das chaves-bóia inferior e
superior.
Para interligação do painel com as chaves bóias são usados cabo paralelo, cabo
telefônico tipo drop ou fio rígido. O comprimento depende do local onde será
instalado. Sua função é transmitir a informação para o painel elétrico de que o
reservatório superior está em seu nível máximo e o inferior no nível mínimo,
desligando o conjunto motobomba. É instalado nos postes da concessionária ou
particulares e é responsável por 60% dos problemas com abastecimento de água
tratada em sistemas elevatórios, por isso a necessidade de eliminá-lo.
O funcionamento do sistema elevatório consiste em uma caixa inferior que é
abastecida pela rede de distribuição de água, a qual serve como reservatório para o
conjunto motobomba cuja função é elevar a água às regiões de grande altura
manométrica. O conjunto motobomba abastece os moradores que estão ligados à
tubulação de recalque, sendo que a caixa superior só começa a reservar água
quando todos os moradores estiverem abastecidos, o chamado sistema por
compensação. Ao encher a caixa superior, a chave de nível abre o contato e informa
através do cabo de comando que o conjunto de motobomba deve ser desligado.
Como o curso da chave de nível da caixa superior é pequeno, na maioria dos casos
não é usada de forma eficiente toda a capacidade da caixa superior, ou seja, o
conjunto de motobomba liga e desliga em pequenos intervalos provocando um
aumento no consumo de energia elétrica.
A chave de nível inferior tem a função de não deixar o conjunto de motobomba ligar
se a caixa inferior estiver vazia. Existem casos em que esta caixa não existe, e o
monitoramento da pressão da rede de entrada do conjunto de motobomba é feito por
pressostato, que ao detectar uma pressão abaixo da determinada, não permite que
o conjunto de motobomba ligue.
O problemas mais freqüentes neste sistema são:
•
Cabo de comando com oxidação nos contatos e emendas e ressecamento da
isolação;
•
Rompimentos por fenômenos da natureza como ventos fortes, chuva de granizo,
quedas de galhos e árvores;
•
Corte do cabo devido ao desconhecimento por parte de outras prestadoras de
serviços que também utilizam o sistema de postes da concessionária de energia
elétrica;
•
Chave bóia com a oxidação em sua conexão ao cabo de comando e nos
contatos internos;
•
Infiltração de água tratada na bóia ocasionando que a chave bóia não desligue o
conjunto motobomba, transbordando o nível da caixa superior e desperdiçando
água tratada.
Como os locais de instalação de novas elevatórias são em regiões montanhosas a
instalação de um novo cabo de comando torna-se demorada, pois é necessária a
instalação em cada poste de um suporte para o cabo (armação secundária).
Como em muitos casos os cabos de comando podem ter de alguns metros a vários
quilômetros, é muito difícil descobrir onde estará um possível curto-circuito.
1.2.
Novo Sistema
Em função da manutenção ser demorada e cara e também devido ao fato das
regiões próximas e acima da caixa superior poderem ser habitadas depois do
sistema implantado. A idéia é criar um controlador e monitorar a pressão no recalque
do sistema desligando o conjunto motobomba quando todos os moradores, mesmo
os que estão acima da altura manométrica da caixa superior, estiverem abastecidos.
A figura 2 mostra como deverá ser o novo sistema para controle de nível nas
elevatórias.
10
8
6
5
2PRESSOSTATO
9
4
3
1
7
2
1
Reservatório Inferior
2
Conjunto moto-bomba
3
Painel Elétrico de Comando
4
Transmissor de Pressão
5
Pressostato
6
Central Eletrônica de Comando
7
IHM
8
Tubulação de Abastecimento
9
Reservatório Superior
10
Torneira Bóia
FIGURA 2 – SISTEMA PROPOSTO PARA CONTROLE DE NÍVEL EM ELEVATÓRIAS
Através de uma torneira bóia colocada na caixa superior, conforme figura 3, quando
a caixa superior estiver cheia a torneira bóia fechará a entrada de água na caixa, e
com isto, aumentará a pressão no recalque, desta forma será possível monitorar
com maior precisão a pressão e então desligar o sistema.
FIGURA 3 – TORNEIRA BÓIA
É necessária uma mudança na entrada da água no reservatório, ou seja, deverá
entrar pela parte superior do reservatório e sair pela parte inferior do reservatório,
afim de que ao estar cheio, a torneira bóia feche a entrada de água e aumente a
pressão do recalque. A figura 4 mostra o detalhe desta mudança.
FIGURA 4 – DETALHES DA MUDANÇA NO RESERVATÓRIO SUPERIOR
O monitoramento da pressão da rede de distribuição, recalque, será feito através de
um transmissor de pressão a dois fios, alimentação 24Vcc e sinal de saída de (4 a
20) mA.
FIGURA 5 – TRANSMISSOR DE PRESSÃO FIXADO NA TUBULAÇÃO DO RECALQUE
Este sinal de corrente que é proporcional a pressão do recalque, será convertido em
tensão contínua de (1 a 5) V e será enviado para uma entrada analógica de um
microcontrolador, que pode ser visto na figura 6. Este irá ler, monitorar e interpretar,
de acordo com parâmetros determinados, o momento em que deverá ligar e desligar
o conjunto de motobomba.
FIGURA 6 – PLACA DE CONTROLE DE PRESSÃO
No sistema elevatório a ser instalado o controlador, deverá ser feito à medição da
altura manométrica para sabermos qual deverá ser a pressão máxima para que
todos os moradores e caixa superior estejam abastecidos. De posse destes dados,
pode-se determinar qual a pressão máxima em que deve ser desligada a
motobomba. Portanto, quando a pressão no recalque atingir a pressão máxima
determinada pelos dados coletados, o transmissor de pressão irá ler esta informação
e mandar para o controlador para o comando de desligamento da motobomba.
O sistema deverá ser ligado no momento em que a caixa superior estiver vazia, ou
em um ponto que possa ser considerada vazia, ou seja, quando o controlador
identificar um valor igual ao valor programado para que seja ligado o conjunto
motobomba. Ao ligar o sistema, a pressão do recalque fica instável, portanto será
feito o monitoramento da pressão somente depois que a pressão de recalque estiver
estabilizada, aproximadamente 15 minutos após ligar a motobomba.
Ao ser instalado o controlador, o cabo de comando perde sua função, ou seja, não
será mais preciso a troca do cabo em caso de rompimento ou falha na isolação.
Todo o controle será feito dentro da casa de bombas e tornará o sistema mais
seguro também contra vandalismo.
Como o sistema será ligado em intervalos maiores do que são ligados hoje, a
manutenção tanto do quadro de energia e quanto da motobomba será reduzida e
aumentada a vida útil destes componentes.
Com o novo sistema proposto, o painel de comando elétrico fica inalterado, ou seja,
não é necessário fazer nenhum tipo de mudança em sua instalação, visto que um
contato seco de um relé irá fazer a mesma função que o contato seco da chave bóia
faz no sistema atual. Agilizando a instalação e também a manutenção.
A concepção deste controlador se deu para que ele seja o mais simples e fácil
possível de operar e instalar. Ele possui uma IHM (Interface Homem Máquina) para
que se possa visualizar a pressão do sistema e também a pressão máxima e
mínima, que será o range de funcionamento para ligar e desligar o sistema. Também
possui três botões com a função de programar a pressão máxima, de programar a
pressão mínima e um botão que serve para entrar no modo de programação e
confirmar os valores determinados com mínimo e máximo. A figura 7 mostra os
botões e a IHM.
O transmissor de pressão envia um sinal de corrente de 4 à 20 mA, proporcional ao
range de pressão do sensor.
Como o microcontrolador usado possui entrada analógica de tensão e não de
corrente, necessita-se fazer um circuito para converter o sinal de corrente em um
sinal de tensão. Para isso foi utilizado um resistor de 250 ohms e 1 % de tolerância,
afim de se ter uma queda de tensão em cima deste resistor e ser possível a leitura
da pressão da linha de recalque.
FIGURA 7 – DISPLAY DA IHM E BOTÕES DE PROGRAMAÇÃO
Como este sinal pode ter uma instabilidade, foi colocado um amplificador
operacional, configurado como buffer, entre o sinal medido no resistor e a entrada
analógica do microcontrolador. O controlador possui duas entradas digitais isoladas
através de optoacopladores 4N25 para que seja ligado um pressostato para
monitorar a falta de pressão na entrada do conjunto de motobomba, evitando que a
bomba trabalhe sem água. A outra entrada digital está disponível para servir como
um botão de emergência ou outra finalidade qualquer que tenha a função de desligar
o conjunto motobomba. Possui também uma saída digital que tem a função
exclusiva de acionar o conjunto de motobomba. Como o microcontrolador não
possui capacidade de acionar um contator, foi usado uma etapa de amplificação
deste sinal, ou seja, um transistor NPN (BC337) é acionado e por sua vez, este
aciona um relé com um contato NA e um contato NF. O microcontrolador usado é
um PIC16F873 com capacidade de memória de 8K programado em linguagem C
com o compilador da CCS.
Como os componentes eletrônicos são alimentados com tensão contínua, foi
projetada uma fonte com duas saídas, uma de 24 Vcc usada por um regulador de
tensão LM7824 com capacidade de fornecer até 1A de corrente para alimentar o
transmissor de pressão e uma fonte de 5 V, usada por um regulador de tensão
LM7805 que também tem capacidade de fornecer 1 A de corrente. Para proteger o
sistema contra sobrecargas foi utilizado um fusível na entrada dos reguladores de
1A.
REFERÊNCIAS
MALVINO, Paul Malvino, Ph. D. Eletrônica - Volume 1 1 ed. São Paulo: McGrawHill, 1987. 520 p.
SOUZA, David José de.
Desbravando o PIC: ampliado e atualizado para
PIC16F628A 6 ed. São Paulo: Érica,2003. 268 p.
SOUZA, David José de., LAVINIA, Nicolas César. Conectando o PIC – Recursos
Avançados 1 ed. São Paulo: Érica,2003. 380 p.
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores PIC – Técnicas Avançadas 1 ed. São
Paulo: Érica,2002. 358 p.
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores PIC – Programação em C 2 ed. São Paulo:
Érica,2003. 358 p.
IDOETA, Ivan V., CAPUANO, Francisco G. Elementos da Eletrônica Digital 6 ed.
São Paulo: Érica,1984. 504 p.
Microchip: Fabricante dos Microcontroladores PIC www.microchip.com
DANFOSS: Fabricante de sensores de pressão www.danfos.com.br