EFFICIENCY ANALYSIS OF A LINE DISCHARGE PUMPING SYSTEM USING PID CONTROL METHOD IN COMPARISON TO TRADITIONAL ON/OFF SYSTEM.
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10269576
GOMES, Victor Manfrin1
MINHONI, Danilo Carlos Rossetto2
Resumo: Este estudo comparou o consumo de energia em um sistema de bombeamento ao longo de três dias, com e sem a implementação do controle PID. Os dados de tensão e corrente foram obtidos através do sistema SCADA e convertidos em potência por hora. A motobomba, com uma potência nominal de 40CV, opera em um sistema com uma elevação de 35 metros. Os resultados indicaram que, apesar de momentos de menor potência com o controle PID, a operação quase contínua da motobomba resultou em um consumo de energia maior em comparação ao sistema tradicional de liga/desliga. Portanto, sugere-se a implementação de uma configuração de hibernação para reduzir o consumo diário de energia.
Palavras-chave: Bombeamento. Controle PID. Energia. Recalque.
Abstract: This study compared energy consumption in a pumping system over three days, with and without the implementation of PID control. Voltage and current data were obtained through the SCADA system and converted into power per hour. The motor pump, with a nominal power of 40HP, operates in a system with a lift of 35 meters. The results indicated that, despite moments of lower power with PID control, the nearly continuous operation of the motor pump resulted in higher energy consumption compared to the traditional on/off system. Therefore, it is suggested to implement a hibernation setting to reduce daily energy consumption.
Key-words: Pumping. PID Control. Energy.
1 INTRODUÇÃO
A eficiência energética é uma preocupação cada vez mais premente em todo o mundo, à medida que as questões ambientais e econômicas se entrelaçam de forma mais complexa. No contexto da otimização do consumo de energia, a análise da eficiência energética em sistemas de bombeamento emerge como um tema de grande relevância. Isso se deve ao fato de que os sistemas de bombeamento desempenham um papel significativo no consumo de energia elétrica tanto em setores industriais quanto residenciais.
Diante desse panorama, destaca-se a técnica do controle PID (Proporcional, Integral e Derivativo) como um método amplamente empregado para o controle de processos. Seu objetivo é regular variáveis em um sistema, visando alcançar uma resposta desejada. Nesse sentido, a comparação entre sistemas de bombeamento com controle PID e sistemas liga/desliga tradicionais desperta interesse, pois pode fornecer informações valiosas sobre a eficiência energética desses sistemas e sua viabilidade em diferentes contextos.
Uma análise aprofundada nessa área pode contribuir para a identificação de estratégias que permitam economizar energia, reduzir custos e, por conseguinte, promover a sustentabilidade ambiental. É importante salientar que, nos últimos anos, o aumento da conscientização ambiental tem impulsionado empresas e organizações a buscar soluções mais sustentáveis para seus processos produtivos. Um dos maiores desafios nessa busca é justamente a eficiência energética, uma vez que o consumo de energia elétrica está diretamente associado a uma considerável parcela das emissões de gases de efeito estufa.
A análise da eficiência energética em sistemas de bombeamento é uma questão relevante, uma vez que esses sistemas são amplamente utilizados em diversos setores, como o de construção civil, indústria química e de petróleo e gás, entre outros. Essa porcentagem de consumo equivale a mais de 2 TW-ano de energia, superando a geração total de energia renovável em todo o mundo. Além disso, a maioria dessas bombas é mal projetada e ineficiente, sendo tratadas como produtos “prontos para uso” e raramente passando por análises detalhadas de design (FERGUSON, 2021).
Para melhorar a eficiência energética em sistemas de bombeamento, diversas técnicas têm sido desenvolvidas, como o controle de velocidade, o uso de motores de alta eficiência e a otimização da operação. O controle PID, fundamentado em ações proporcionais, integrais e derivativas, destaca-se como uma das técnicas preponderantes para o gerenciamento de processos. Ao comparar o sistema liga/desliga tradicional com o sistema de bombeamento
controlado por PID, almeja-se identificar a abordagem mais eficaz em termos de consumo energético, considerando medições de tensão e corrente no local.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta seção está organizada em subseções que constituem a base teórica deste trabalho e apresentam os modelos sistema de bombeamento, os conceitos de sistema SCADA e técnica de controle PID.
2.1 SISTEMA DE BOMBEAMENTO
De acordo com Gomes (2009, p.45) bomba constitui-se no dispositivo de transferência de energia de fluido mais antigo que se conhece.
O conjunto de bombeamento (motobomba) constitui-se de um motor elétrico e uma bomba para realizar a transferência de fluidos à custo de energia elétrica.
Em seu prefácio Gomes diz que, o consumo de energia nos processos de abastecimento de água e esgotamento sanitário, principalmente relacionado aos equipamentos motobomba das estações elevatórias, representa cerca de 90% do consumo total. Observa-se que uma parte significativa dessa energia é desperdiçada devido à ineficiência dos sistemas. Globalmente, estima-se que aproximadamente 25% da energia utilizada nesses sistemas seja desperdiçada devido à ineficiência energética. Essa ineficiência pode ser atribuída ao uso de equipamentos de bombeamento de baixo rendimento, como os obsoletos, antigos ou mal dimensionados, além do excesso de perda de carga hidráulica nas linhas adutoras e redes de abastecimento, a falta de manutenção adequada e as perdas reais de água, entre outros fatores (GOMES,2009, p. 5)
Ahonen et al. (2008), afirmam que as bombas utilizadas na indústria europeia, representam 15% do consumo de energia elétrica no setor industrial. Por isso, a importância de aumentar a eficiência das unidades de bombeamento estão ganhando notoriedade com o aumento dos custos de energia elétrica.
2.2 SISTEMA SCADA
Breve introdução ao sistema SCADA, no qual será utilizado para realizar a coleta de dados neste artigo.
Os sistemas SCADA – Sistemas de Supervisão, Controle e Aquisição de Dados (em inglês, Supervisory Control and Data Acquisition) permitem que sejam monitoradas e
rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e apresentadas aos técnicos. (GOMES,2009, p.205)
Os sistemas SCADA são usados na maior parte dos processos industriais, além do
setor de saneamento, pode-se citar como exemplo, a indústria do aço, papel, química, de produção e distribuição de energia (convencionais e nucleares). Estes têm feito progressos substanciais ao longo dos últimos anos e utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais. São responsáveis pela coleta de dados em ambientes complexos e dispersos geograficamente, apresentando as informações amigavelmente para o operador, inclusive com recursos gráficos. (GOMES,2009, p. 206)
2.3 CONTROLE DE PROCESSO
No atual mercado competitivo, as empresas são obrigadas a melhorar continuamente a produtividade das suas plantas industriais. Uma das áreas tecnológicas fundamentais para se aumentar a rentabilidade das unidades é a de controle, automação e otimização de processos. (CAMPOS E TEIXEIRA, 2010, p.3)
2.3.1 CONTROLE PID
Apesar do constante avanço da tecnologia e do conhecimento científico na área de controle, controladores proporcional-integral-derivativo, comumente conhecidos como PID, ainda são muito utilizados na indústria. Controladores PID são facilmente implementáveis, de baixo custo, robustos e versáteis, com a capacidade de fornecer comportamentos transitórios e de regime permanente satisfatórios para uma grande variedade de processos encontrados na indústria. (CAMPESTRINI,2006)
O controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é certamente o algoritmo de controle mais tradicional na indústria. Em uma pesquisa observou-se que de mais de 11.000 malhas de controle analisadas em diversas plantas (refinarias, plantas químicas, de papel etc.), cerca de 97% eram controladas com o PID (ÅSTRÖM; HAGGLUND, 1995).
Controladores PID apresentam importantes características que permitem atingir os objetivos de controle mais comuns (erro nulo em regime permanente e desempenho transitório adequado). São controladores de estrutura e implementação simples, porém suficientes para controlar diversos processos diferentes, o que faz com que sejam largamente utilizados. De fato, mais de 95% das malhas de controle de processos usam controladores PID, sendo que a maioria destes controladores são do tipo PI, ou seja, poderiam ser melhores sintonizados (ÅSTRÖM; HAGGLUND, 1995).
3. DESENVOLVIMENTO
Normalmente, ao utilizar técnicas de variação de velocidade nos motores elétricos, deve-se considerar o sobreaquecimento da mesma devido ao sistema de refrigeração não ser o suficiente, porém devido a motobomba a ser usada na comparação possuir sistema de resfriamento interno através do fluxo de água, como mostra a figura 1 não haverá necessidade de preocupações com esse detalhe.
Figura 1. Fluxo de bomba Higra Anfibia
Fonte: Higra Industrial Ltda.
Foi realizada a comparação do consumo energético em um sistema de bombeamento durante um período de três dias com a diferença de 1 mês entre eles utilizando dados de tensão e corrente coletados através do sistema SCADA existentes e realizada a conversão para potência por hora. A motobomba utilizada possui uma potência nominal de 40CV e rotação de 1750rpm, enquanto o sistema de bombeamento utilizado possui uma elevação de aproximadamente 35 metros de altura entre o ponto recalcado. Os instrumentos utilizados para coleta dos dados, se dão por um multimedidor de grandezas SENTRON PAC3100 de marca SIEMENS (Figura 2), onde foi utilizado para coleta de tensão e corrente do circuito trifásico utilizado no painel elétrico da motobomba, além da coleta da média de corrente da bomba que também foi coletado através do próprio inversor de frequência do circuito.
Figura 2. Multimedidor SIEMENS SENTRON PAC3100
Fonte: Autor(2023)
Para armazenamento dos dados, foi utilizado o software Master Scada, da empresa Vector Serviços Ltda., no qual utiliza de PLCs próprios para a coleta e armazenamento em tempo real dos valores controlados. O PLC utilizado no sistema, foi de modelo VS13 (Figura 3), onde os sinais são coletados diretamente através de entradas analógicas do tipo 4 a 20mA e enviados para um computador central, através de comunicação via rádio, onde armazena os dados para visualização e controle.
Figura 3. PLC modelo VS13
Fonte: Autor(2023)
Tem se com objetivo a redução no consumo de energia por parte da bomba controlada para comprovar a eficácia da implementação dos sistemas de controle PID no meio industrial, mais especificamente o saneamento básico, que está presente em quase toda sociedade humana.
3.1 SISTEMA
Para facilitar o entendimento do processo a Figura 4 é uma representação geográfica do sistema de abastecimento utilizado.
Figura 4. Representação gráfica do destino da água
Fonte: Autor (2023)
O sistema possui um poço profundo tubular, onde a água é retirada da bacia hidrográfica local e enviada para o reservatório de tipo apoiado, a água então é recalcada para o reservatório elevado, que realiza o tratamento e distribuição para o abastecimento ao público. A Figura 5 demonstra a tela do sistema SCADA referente ao reservatório apoiado, onde se encontra a motobomba que é o material de pesquisa neste estudo, no canto superior esquerdo é localizada as informações do multimedidor local, que realiza medições em tempo real dos valores de tensão e corrente por fase utilizados na estação. Na tubulação ao lado da motobomba se encontra os instrumentos de medição de corrente média na bomba e os instrumentos de medição hidráulica (vazão e pressão da rede de água) para funcionamento do processo. (Figura 6)
Figura 5. Tela do sistema SCADA do reservatório apoiado
Fonte: Vector Serviços Ltda.(2023)
Figura 6. Sistema analisado
Fonte: Autor (2023)
O sistema de controle PID, será controlado através do nível do reservatório elevado, mantendo a motobomba sempre ligada e o nível do reservatório em valor constante, realizando a variação na frequência no inversor da motobomba (Figura 7), de modelo FC-202 Acqua Drive de marca Danfoss.
Figura 7. Inversor de frequência da motobomba
Fonte: Autor (2023)
3.2 PROCEDIMENTOS
Como parâmetro de ponto de ajuste do controle PID, é utilizado uma sonda de nível hidrostático instalada no reservatório elevado, porém devido à distância e limitações do sistema, o valor do nível do reservatório elevado deve ser retransmitido para o reservatório apoiado, onde o controle do PID será feito através do próprio inversor de frequência da motobomba.
Utilizando um circuito com Arduino (Figura 8 e 9), conversores e rádios, o sinal foi convertido em um sinal de 0 a 10V e alimentando a entrada analógica do equipamento, onde ele foi configurado para funcionar com sistema de malha fechada com controle PID, no qual
foi sintonizado de acordo com as necessidades do sistema para manter um nível estável no reservatório de destino, como mostram as figuras 10 a 11.
Figura 8. Circuito Arduino simplificado – Receptor
Fonte: Autor(2023)
Figura 9.Circuito Arduino simplificado – Transmissor
Fonte: Autor (2023)
Figura 10. Nível do reservatório elevado no primeiro dia com PID.
Fonte: Autor(2023)
Figura 11. Nível do reservatório elevado no segundo dia com PID.
Fonte: Autor(2023)
Figura 12. Nível do reservatório elevado no terceiro dia com PID.
Fonte: Autor(2023)
Assim como demonstrado nas figuras 10 a 11, o sistema permaneceu estável durante todo o período do teste, não tendo grandes oscilações. Cada cor representa um dia realizado do teste. O sistema de telemetria SCADA no local, será responsável pela coleta das informações de minuto a minuto, onde a potência é calculada através da corrente e tensão dos equipamentos, e retirada uma média diária durante 3 dias.
4. RESULTADOS
Após coleta dos resultados as informações resumidas estão distribuídas nas tabelas 1 e 2 e comparadas no gráfico 1. A potência média foi calculada através dos dados coletados pelo sistema SCADA e resumidos pela média utilizando ferramentas do Microsoft Excel para resumo dos dados para as tabelas abaixo.
Tabela 1 – Resultados médios sem controle PID
Fonte: Autor (2023)
Tabela 2 – Resultados médios com controle PID
Fonte: Autor (2023)
As tabelas indicam a potência média calculada durante cada dia do experimento, sendo divididos em três dias para cada sistema, onde a tabela 1 se refere ao sistema sem controle PID instalado e a tabela 2 se refere ao sistema com o controle de PID instalado, tendo uma melhor representação no gráfico 1 para melhor análise dos dados.
As tabelas indicam a potência média calculada durante cada dia do experimento, sendo divididos em três dias para cada sistema, onde a tabela 1 se refere ao sistema sem controle PID instalado e a tabela 2 se refere ao sistema com o controle de PID instalado, tendo uma melhor representação no gráfico 1 para melhor análise dos dados.
Gráfico 1 – Gráfico de comparações dos sistemas
Analisando as informações, o tempo total da motobomba ligada de 52 horas e 18 minutos no sistema sem PID e um total de 70 horas e 2 minutos no sistema com PID.
5 CONCLUSÃO
Retratando a importância do tema de eficiência energética, essa pesquisa traz uma importante comprovação prática, sobre sistemas de controle implementados na indústria atualmente, tendo como base uma comparação analítica entre dois métodos de controle de bombeamento amplamente utilizados na indústria, é possível ter uma noção entre os diferentes aspectos de seus usos visto em relação à eficiência da energia elétrica.
Como pode ser observado nas tabelas 1 e 2, houve um aumento no consumo médio utilizando o sistema com controle PID, esse aumento pode ser explicado devido ao tempo em que o sistema se manteve ligado. Analisando os dados obtidos, os resultados não foram conforme o esperado devido as características do sistema, tendo uma eficiência energética maior no sistema tradicional de liga/desliga, tal resultado demonstra que ainda que haja menor potência em alguns momentos devido ao controle PID, a motobomba ligada durante quase todo o dia, acaba resultando em um consumo maior de energia que o sistema tradicional.
Utilizando uma configuração de hibernação em momentos de menor necessidade talvez a potência média consumida no dia seja menor já que é possível diminuir o tempo de trabalho da motobomba.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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GLOSSÁRIO
Arduino: Plataforma de hardware de código aberto que é utilizada para desenvolver dispositivos eletrônicos.
Inversor de frequência: Dispositivo eletrônico que controla a velocidade de motores elétricos, variando a frequência da corrente elétrica.
Motobomba: Equipamento que combina um motor elétrico com uma bomba, utilizado para mover fluidos.
PID: Proporcional-Integral-Derivativo, é um sistema de controle que utiliza três parâmetros (proporcional, integral e derivativo) para controlar um processo.
SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition, é um sistema de controle utilizado em indústrias para monitorar e controlar processos.
Software: Conjunto de programas, instruções e dados que permitem a execução de tarefas em um computador.
Telemetria: Processo de medição e transmissão de dados de um local remoto para um local central para monitoramento e análise.
TW-ano: Terawatt-ano, é uma unidade de medida de energia equivalente a um trilhão de watts consumidos ao longo de um ano. É comumente usada para quantificar a produção ou consumo de energia em grande escala.
OMES, Victor Manfrin1 – Graduando do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara – UNIARA. Araraquara- SP. E-mail vmgomes@uniara.edu.br1
MINHONI, Danilo Carlos Rossetto – Orientador. Docente Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara- UNIARA. Araraquara-SP. E-mail: dcrminhoni@uniara.edu.br2