UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Carlos Waldecir de Souza Identificao Automtica de Itens no Conformes na Caixa de Vedao do Eixo na Tampa de Turbinas Hidrulicas.

rea de Concentrao: Automao e Sistemas Eltricos Industriais Orientador: Prof. Dr. Luiz Edival de Souza

Co-orientador: Prof. Dr. Leonardo de Mello Honrio Maro de 2009

Itajub MG

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia Eltrica.

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ii

DEDICATRIA

Dedico este trabalho minha famlia pelo apoio,

incentivo e motivao incondicional ao meu retorno vida

acadmica.

Tantas vezes pensamos ter chegado... Tantas vezes

preciso ir alm.

(Fernando Pessoa)

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iii

AGRADECIMENTOS

. A DEUS por ter me concedido a oportunidade, sade e coragem para realizar

este trabalho.

. Ao meu orientador, Prof. Dr. Luiz Edival de Souza, pela dedicao,

competncia, seriedade e orientao na realizao deste trabalho e tambm pelo apoio e

incentivo ao meu retorno vida acadmica.

. Ao Prof. Dr. Leonardo de Mello Honrio por toda ajuda e co-orientao durante

a realizao deste trabalho.

. A Manaus Energia S.A pela recepo e apoio recebido dos colaboradores da

Gerncia da Administrao e aos amigos da Manuteno e Operao.

. A SMAR Equipamentos Industriais pelo apoio e assessoramento no

desenvolvimento desse trabalho.

. Aos membros e professores que fazem parte do Centro de Referncia de

Tecnologias da Informao (CRTI).

. A todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram para que este trabalho

fosse concludo.

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iv

SUMRIO DEDICATRIA.........................................................................................................................ii AGRADECIMENTOS ..............................................................................................................iii SUMRIO.................................................................................................................................iv RESUMO ...................................................................................................................................v ABSTRACT ..............................................................................................................................vi NDICE DE FIGURAS ............................................................................................................vii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS. ..............................................................................ix

1. INTRODUO....................................................................................................................10 1.1 Aspectos Gerais. .................................................................................................................10 1.2 Objetivo. .............................................................................................................................10 1.3 Justificativa.........................................................................................................................11 1.4 Estrutura do Trabalho. ........................................................................................................11

2. REVISO BIBLIOGRFICA.............................................................................................12 2.1 Manuteno ........................................................................................................................13 2.2 Automao..........................................................................................................................16 2.3 A Tecnologia OPC .............................................................................................................22 2.4 Sistema de Diagnstico Automtico (SDA).......................................................................27 2.5 Estatstica Aplicada a Engenharia ......................................................................................32 2.6 Usina hidreltrica................................................................................................................40

3. VEDAO do EIXO na TAMPA de TURBINAS HIDRULICAS KAPLAN ................47 3.1 Definio: Identificao do Sistema de Vedao...............................................................49 3.2 Medio: Aquisio de Dados............................................................................................61 3.3 Anlise: Anlise dos Dados................................................................................................68 3.4 Implementao: Identificao Automtica de Itens no Conforme ...................................77 3.5 Controle: Melhoria contnua...............................................................................................97

4. CONCLUSO......................................................................................................................98 4.1 Concluso ...........................................................................................................................98 4.2 Recomendaes para Futuros Trabalhos ............................................................................99

Referncias Bibliogrficas......................................................................................................100

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v

RESUMO

A turbina hidrulica tipo Kaplan possui um sistema de vedao junto ao eixo da

mquina e prximo parte superior do rotor da turbina que tem por finalidade evitar que a

gua da caixa espiral passe para fora da tampa da turbina. Se isso vier a ocorrer provocar

grandes transtornos a Usina, por ser uma regio onde se tem instalados equipamentos de

medio, proteo e ainda se encontra o mancal guia inferior da turbina no qual se a gua

penetrar preciso realizar a troca de todo o leo lubrificante. Pouco se sabe sobre esse

sistema, so poucas as informaes e documentos disponveis, o que se sabe que ao longo

dos anos esse sistema de vedao do eixo tem sido um ponto vulnervel, com alto ndice de

falhas, levando a indisponibilidade da mquina por um longo perodo de tempo. Nesta

dissertao proposto um sistema de auxilio e melhoria qualidade de manuteno, onde

atravs de monitoramento de variveis e do conceito de Variabilidade faz se o uso da

ferramenta de Grfico de Controle para identificar o desempenho estatstico do processo

atravs da aplicao das regras de Western Electric. Um software elaborado para em tempo

real e de forma automtica identificar um defeito em um de seus equipamentos e gerar uma

mensagem de alerta, podendo-se assim evitar o desgaste prematuro de materiais e

equipamentos reduzindo o ndice de falha do mesmo. Esse trabalho foi elaborado atravs de

uma experincia prtica, realizada nas instalaes de uma usina hidreltrica, sendo o seu

desenvolvimento executado atravs da adaptao e utilizao da ferramenta DMAIC, uma

ferramenta utilizada na implantao de melhorias na qualidade de um processo.

Palavras chaves: Vedao do eixo na tampa de turbinas hidrulicas Kaplan,

Manuteno, Automao, Grficos de Controle e Regras de Western Eletric.

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vi

ABSTRACT

The Kaplan type hydraulic turbine has a system of fencing along the axis of the

machine and near the top of the turbine rotor which aims to prevent the water from the box

spiral pass out of the lid of the turbine. If this were to occur will cause major disruptions to

plant, to be a region where they have installed equipment for measurement, protection, and is

still the bottom of the turbine guide bearing which penetrate the water must be undertaken to

return the entire lubricating oil. Little is known about this system; there are few information

and documents available, which we know is that over the years that the shaft sealing system

has been a vulnerable point, with high rate of failures, leading to unavailability of the machine

by a long period of time. This thesis is proposed a system of aid and improves the quality of

maintenance, where through monitoring of variables and the concept of variability is the use

of the tool of the Control Chart to identify the statistical performance of the process through

the application of Western Electric. Software is developed for real time and automatically

identify a defect in one of its equipment and create an alert, it can prevent premature wear of

materials and equipment by reducing the rate of failure of it. This work was developed

through practical experience, held at the premises of a hydroelectric power plant, being

implemented through the development of adaptation and use of DMAIC tool, a tool used in

the implementation of improvements in the quality of a process.

Keywords: Shaft seal on the cover of hydraulic turbines Kaplan, Maintenance, Automation, Control Charts and Rules for Western Electric.

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vii

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Arquitetura de uma rede fieldbus 19

Figura 2.2 - Representao de um grfico de controle tpico 35

Figura 2.3 - Pontos fora dos limites de controle 35

Figura 2.4 - Seqncia de pontos consecutivos 36

Figura 2.5 - Periodicidade de pontos 36

Figura 2.6 - Tendncias de ponto 37

Figura 2.7 Limites de controle de 3 desvios padro 38

Figura 2.8 Ilustrao de uma Usina Hidreltrica 40

Figura 2.9 Princpios de funcionamento em turbinas hidrulicas 41

Figura 2.10 Turbina Pelton 43

Figura 2.11- Corte Transversal unidade geradora com turbina Bulbo 44

Figura 2.12- Exemplo de turbina tipo Francis 45

Figura 2.13 - Exemplo de uma turbina tipo Kaplan 46

Figura 3.1 Viso geral de um rotor tipo Kaplan 49

Figura 3.2 Vedador de eixo tipo Labirinto 50

Figura 3.3 Vedador de eixo tipo Gaxeta 50

Figura 3.4 - Pista Deslizante (anel de desgaste) 51

Figura 3.5 Segmento dos Anis de carvo 52

Figura 3.6 - Motobombas AK e AL 54

Figura 3.7 - Diagrama do circuito de gua de Selagem da Usina Hidreltrica de Balbina 55

Figura 3.8 - Elementos da caixa de vedao 56

Figura 3.9 - Arquitetura simples de uma rede para aquisio de dados 61

Figura 3.10 - DFI 302 (fabricante Smar Equipamentos Industriais) 62

Figura 3.11 - Transmissores conectados na mquina. (a) Transmissor superior de temperatura

da gua do poo de drenagem da turbina. (b) Transmissor inferior: presso diferencial 65

Figura 3.12 - Sonda de temperatura a ser instalada na mquina 65

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viii

Figura 3.13 Transmissores conectados na mquina. (a) Transmissor da direita: presso gua

de vedao. (b) Transmissor esquerda: nvel de gua no poo de drenagem da turbina 66

Figura 3.14 Sensor de nvel instalado no poo de drenagem da turbina 67

Figura 3.15 Tampa superior de poo da turbina 77

Figura 3.16 Tela da funo monitora4 80

Figura 3.17 Tela da funomonitoraPAV 81

Figura 3.18 Tela da funo monitoraTAPT 82

Figura 3.19 Tela da funomonitoraNAPT 83

Figura 3.20 Telas de alarmes desenvolvidas para teste 84

Figura 3.21 Amostragem realizada para um tempo de 15 minutos 86

Figura 3.22 Grfico de controle obtido para pav em 15 minutos 87

Figura 3.23 Grfico de controle obtido para tapt em 15 minutos 88

Figura 3.24 Tela visualizando mensagem de alerta 89

Figura 3.25 Grfico de controle obtido para napt em 15 minutos 90

Figura 3.26 Grficos para os valores amostrados em 1 hora 91

Figura 3.27 Valores obtidos para pav em uma amostragem de 1 hora 91

Figura 3.28 Valores obtidos para tapt em uma amostragem de 1 hora 92

Figura 3.29 Valores obtidos para napt em uma amostragem de 1 hora 92

Figura 3.30 Grficos obtidos para a amostragem de 3 horas 93

Figura 3.31 Valores obtidos para pav em uma amostragem de 3 horas 94

Figura 3.32 Valores obtidos para tapt em uma amostragem de 3 horas 95

Figura 3.33 Valores obtidos para napt em uma amostragem de 3 horas 96

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ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS.

Controle Estatstico de Processo (CEP)

Controlador Lgico Programvel (CLP)

Distributed Component Object Model (DCOM)

High Speed Ethernet (HSE)

Identificao do Dispositivo (ID)

Internet Protocol (IP)

Agendador do Link Ativo (LAS)

Linha Central (LC)

Limite Inferior de Controle (LIC)

Limite Superior de Controle (LSC)

Object Linking and Embedding (OLE)

Ol for Process Control (OPC)

Interconexo de Sistemas Abertos (OSI, Open Systems Interconnection)

Sistemas para Diagnstico Automtico (SDA)

Sistema Distribudo de Controle (SDC)

Transmission Control Protocol (TCP)

Tecnologia de Informao (TI)

1. INTRODUO

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10

1. INTRODUO

1.1 Aspectos Gerais.

Toda atividade humana de uma forma ou de outra voltada para a sua prpria

sobrevivncia, e nas empresas no acontece diferente. Nos dias de hoje, a atividade de

manuteno exige um trabalho de equipe, o assessoramento de especialistas, o registro de

informaes e a gesto de todo esse processo.

De um modo geral, o desenvolvimento de estudos relativos ao desgaste de

mquinas e equipamentos, a motivao e qualificao de pessoal, o desenvolvimento de

ferramentas de apoio a tomadas de decises vem enriquecendo as tcnicas de gesto da

manuteno. Porm preciso enfatizar que os sistemas falham. No existe um nico modo de

operao e manuteno que previna ou elimine todas as falhas em um processo.

Fundamentado nestas idias um processo de desenvolvimento de uma melhoria na

qualidade de manuteno iniciado na usina hidreltrica de Balbina (AM), que comea a

modernizar seus equipamentos em busca de maior qualidade, disponibilidade e confiabilidade

de seus equipamentos.

A usina possui turbinas hidrulicas tipo Kaplan as quais possuem um sistema de

vedao junto ao eixo da mquina e prximo parte superior do rotor da turbina que tem por

finalidade evitar que a gua da caixa espiral passe para fora da tampa da turbina. Esse sistema

de vedao do eixo tem sido um ponto vulnervel, com alto ndice de falhas, provocando o

alagamento do poo da turbina. Isto ocorrendo provoca uma srie de transtornos indesejveis

por ser uma rea onde se localizam vrios instrumentos de medio e proteo. Ainda se

ocorrer a entrada de gua no mancal guia inferior da turbina preciso parar a mquina por um

longo perodo e realizar a troca do leo causando grande prejuzo econmico.

1.2 Objetivo.

O objetivo deste trabalho desenvolver um sistema de identificao automtico

de itens no conforme na caixa de vedao do eixo na tampa da turbina hidrulica na usina

hidreltrica de Balbina. Para isto foram instalados modernos equipamentos digitais para a

aquisio e monitorao de dados das principais variveis do processo. A partir de uma base

de dados e aps uma anlise dos dados foi possvel obter informaes da dinmica do

1. INTRODUO

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11

processo. Atravs da implementao de um software para realizar testes em tempo real e de

forma automtica foi desenvolvido um sistema que faz o uso da ferramenta de Grficos de

Controle para identificar o desempenho estatstico do processo, atravs da aplicao das

regras de Western Eletric.

1.3 Justificativa.

O sistema de vedao do eixo na tampa de uma turbina hidrulica uma constante

fonte de gerao de problemas de manuteno em uma usina hidreltrica, sendo de suma

importncia para o bom desempenho do trabalho da turbina, envolvendo em suas

manutenes, elevado valor econmico e longo perodo de parada de mquina provocando um

alto ndice de indisponibilidade de mquina.

Pouco se conhece sobre esse processo, sobre sua dinmica e praticamente no se

tem nenhuma manuteno at que o mesmo venha a falhar. Tambm so poucas as referncias

bibliogrficas disponveis para pesquisa e estudo. Assim esse trabalho visa a colaborar com o

desenvolvimento e qualificao de pessoal na implantao de novas tecnologias e elaborao

de planos de manuteno mais detalhados para o Sistema de Vedao, buscando sempre a

elevao do grau de disponibilidade e confiabilidade desse sistema.

1.4 Estrutura do Trabalho.

Este trabalho est organizado da seguinte forma: o captulo 2 introduz uma

reviso sobre conceitos e definies bsicas utilizados neste trabalho nas reas de

Manuteno, Automao, Sistema de Comunicao OPC, Estatstica, Sistema de Diagnstico

Automtico e apresenta um breve resumo de uma Usina Hidreltrica; o captulo 3 descreve o

processo de vedao do eixo na tampa de uma turbina hidrulica tipo Kaplan, sendo realizado

um estudo e desenvolvimento da implementao de uma melhoria em sua manuteno na

usina hidreltrica de Balbina (AM); o captulo 4 apresenta a concluso dos resultados obtidos

e as propostas para realizao de futuros trabalhos.

2. REVISO BIBLIOGRFICA

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12

2. REVISO BIBLIOGRFICA A reviso bibliogrfica tem a finalidade de apresentar trabalhos correlatos de outros

pesquisadores que possam contribuir com a dissertao em questo, porm no foi possvel

encontrar trabalhos que abordassem assuntos diretamente relacionados com esta dissertao.

Para servir de apoio para o desenvolvimento desta, alguns tpicos essenciais encontrados em

trabalhos de pesquisa e uma breve abordagem sobre conceitos e definies encontrados na

literatura sobre diversas reas de estudo sero mostrados.

Trabalho de Pesquisa

Maru (2003) apresenta um trabalho onde se trata de um estudo experimental das

respostas de desgaste e de atrito em um sistema deslizante lubrificado. A presena de

lubrificante na interface de contato em camadas com espessura at mesmo de ordem

molecular capaz de alterar as respostas tribolgicas do sistema e o atrito no deslizamento

um dos problemas de grande importncia prtica. No estudo tribolgico de sistemas

deslizantes lubrificados, as variveis, sejam elas materiais, operacionais ou sistmicas, devem

provocar alteraes no desempenho da lubrificao na interface de contato, o que,

consequentemente, influencia as respostas de desgaste e atrito. Entre tais variveis, podem ser

citados:

. O carregamento mecnico (carga, velocidade, temperatura, dinmica do movimento).

. As propriedades dos materiais, o acabamento superficial do par e as caractersticas do

lubrificante.

Conceitos e Definies

Na realizao deste trabalho alguns conceitos e definies foram fundamentais

para o desenvolvimento do mesmo e podem ser encontrados e aplicados em diversas reas de

estudo como: Manuteno, Automao, Comunicao OPC, Sistema de Diagnstico

Automtico e Estatstica. A seguir feito uma breve reviso desses conceitos e definies

encontrados na literatura e tambm uma descrio resumida de uma Usina Hidreltrica.

2.1 MANUTENO

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13

2.1 Manuteno

De forma mais abrangente, o termo manuteno engloba os conceitos de preveno

(manter) e correo (restabelecer). Manuteno pode ser definida como o conjunto de

conhecimentos, tcnicas e habilidades, cuja aplicao tem por objetivo nico garantir o bom

desempenho e disponibilidade de sistemas ao longo de toda a sua vida til planejada.

Segundo GCOI-SCM (1998), as seguintes definies bsicas para a diferenciao

entre falha e defeito em manuteno de equipamentos em relao a sua funo requerida, ou

seja, o conjunto de condies de funcionamento para o qual o equipamento foi projetado,

fabricado ou instalado, ser mostrado a seguir:

FALHA toda alterao fsica ou qumica no estado de funcionamento de um

equipamento que impede o desempenho de sua funo requerida e o leva invariavelmente

indisponibilidade.

DEFEITO toda alterao fsica ou qumica no estado de funcionamento de um

equipamento que no o impede de desempenhar sua funo requerida, podendo o mesmo

operar com restries.

Por vezes verifica-se que, entre o pessoal de manuteno, ainda existe alguma

confuso quanto nomenclatura utilizada para definir os tipos de manuteno. Os nomes

podem at variar, mas o conceito deve estar bem compreendido. A firme conceituao

permite a escolha do tipo mais conveniente de manuteno para um determinado

equipamento, instalao ou sistema. Considera-se bastante adequada a seguinte classificao

em funo dos tipos de manuteno praticada: Corretiva, Preventiva, Preditiva e a

Detectiva.

Manuteno Corretiva

Baseia-se na atuao em um determinado equipamento para correo de falha ou

quando o mesmo no apresenta o rendimento esperado. Neste tipo de manuteno as

mquinas e outros equipamentos da planta industrial no so revisados e no so feitos

grandes reparos at que o equipamento falhe em sua operao.

A manuteno corretiva pode ser dividida em duas classes:

2.1 MANUTENO

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14

1. Manuteno Corretiva No Planejada: correo da falha de maneira aleatria, ou

seja, a correo da falha ou desempenho menor que o esperado aps a ocorrncia do fato.

Esse tipo de manuteno implica em altos custos, pois causa perdas de produo e a extenso

dos danos aos equipamentos maior.

2. Manuteno Corretiva Planejada: a correo que se faz em funo de um

acompanhamento preditivo, detectivo ou at pela deciso gerencial de se operar at a falha.

Manuteno Preventiva

Os programas de manuteno preventiva so gerenciados pelo tempo de operao de

uma determinada mquina/equipamento obedecendo a um planejamento baseado em

intervalos definidos de tempo e na estatstica de falhas da mquina. Uma mquina nova tem

uma alta probabilidade de falha no momento em que vai iniciar sua operao devido a

problemas de instalao e durante as primeiras semanas de operao. Aps este perodo

inicial a probabilidade de falha relativamente baixa por um perodo prolongado de tempo.

Aps este perodo normal de vida da mquina, a probabilidade de falha aumenta

abruptamente com o tempo transcorrido, em funo dos desgastes normais de sua operao.

Um dos segredos de uma boa preveno est na determinao dos intervalos de tempo. Se os

intervalos forem menores que o necessrio, implica em paradas e troca de peas

desnecessrias. Conforme Almeida (2008) a manuteno preventiva tem grande aplicao em

instalaes ou equipamentos, cuja falha pode provocar catstrofes ou riscos ao meio

ambiente, em sistemas complexos e/ou de operao contnua em locais onde no possvel

fazer inspeo preditiva/detectiva.

Manuteno Preditiva

um conjunto de atividades de acompanhamento das variveis ou parmetros que

indicam o desempenho dos equipamentos, de modo sistemtico, visando definir a necessidade

ou no de interveno. Permite que os equipamentos operem por mais tempo e a interveno

ocorra com base em dados e informaes. De acordo com Almeida (2008), em programas de

manuteno preditiva, o modo especfico de falha pode ser identificado antes da falha.

Portanto, as peas corretas para reparo, ferramentas e habilidades da mo-de-obra podem estar

disponveis para corrigir o problema da mquina antes da ocorrncia de falha catastrfica. Na

2.1 MANUTENO

__________________________________________________

15

manuteno preditiva pode-se programar a realizao do reparo para o momento de menor

impacto sobre a produo.

Manuteno Detectiva

a atuao efetuada em sistemas de proteo ou comando buscando detectar falha

oculta ou no perceptvel ao pessoal de operao e manuteno. Um exemplo clssico o

circuito que comanda a entrada de um gerador em um hospital. Se houver falta de energia e o

circuito tiver uma falha, o gerador no entra. Por isso, este circuito testado/acionado de

tempos em tempos, para verificar sua funcionalidade. medida que aumenta a utilidade de

instrumentao de comando, controle e automao nas indstrias, maior a necessidade de

manuteno detectiva, para garantir a confiabilidade dos sistemas e da planta. Esse tipo de

manuteno relativamente novo e, por isso mesmo, muito pouco mencionado no Brasil.

2.2 AUTOMAO

__________________________________________________

16

2.2 Automao

Com a evoluo da tecnologia da informao onde cada vez mais os componentes

possuem maiores poderes de armazenamento e processamento, aliado com uma reduo de

custo sobre os equipamentos, tem-se hoje em dia uma forte presena de dados e informaes

no comrcio, nos bancos, nos meios de transporte, em nossas prprias residncias e

principalmente nas indstrias. Com esta grande diversificao de informaes e aplicaes,

atualmente os fornecedores de tecnologias esto se adaptando a novas normas e padres

visando buscar uma maior relao entre eles e seus clientes obtendo um ganho comum a

todos. Nas indstrias, no segmento de controle de processos, a instalao e manuteno de

sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos de projeto e equipamento, alm de

custos com os cabos de conexo destes equipamentos unidade central de controle. De forma

a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicao introduziu-se o

conceito de rede para interligar os vrios equipamentos de uma aplicao. A utilizao de

redes em aplicaes industriais prev um significativo avano nas seguintes reas:

1. Custos de instalao

2. Procedimentos de manuteno

3. Opes de upgrades

4. Informao de controle de qualidade

A opo pelo uso de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para

determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens ao usurio final, que deve

buscar uma plataforma de aplicao compatvel com o maior nmero de equipamentos

possveis. Surge da a opo pela utilizao de arquiteturas de sistemas abertos permitindo ao

usurio encontrar mais de um fabricante para a soluo de seus problemas. Redes industriais

so padronizadas sobre trs nveis de hierarquias cada qual responsvel pela conexo de

diferentes tipos de equipamentos com suas prprias caractersticas de informao. O nvel

mais alto, nvel de informao da rede, destinado a um computador central que processa o

escalonamento da produo da planta e permite operaes de monitoramento estatstico da

planta sendo implementado, geralmente, por softwares gerenciais. O padro Ethernet

operando com o protocolo Transmission Control Protocol (TCP) e Internet Protocol (IP) o

mais comumente utilizado neste nvel. O nvel intermedirio, nvel de controle da rede, a

rede central localizada na planta incorporando Controlador Lgico Programvel (CLP),

2.2 AUTOMAO

__________________________________________________

17

Sistema Distribudo de Controle (SDC) e computadores. A informao deve trafegar neste

nvel em tempo real para garantir a atualizao dos dados nos softwares que realizam a

superviso da aplicao. O nvel mais baixo, nvel de controle discreto, se refere geralmente

s ligaes fsicas da rede ou o nvel de entrada e sadas (I/O). Este nvel de rede conecta os

equipamentos de baixo nvel entre as partes fsicas e de controle. Neste nvel encontram-se os

sensores discretos, contatores e blocos de I/O.

As redes de equipamentos so classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas

e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes

com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condies

liga/desliga (ON/OFF). As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de

informaes discretas e/ou analgicas e as redes com dados em formato de bloco so capazes

de transmitir pacotes de informao de tamanhos variveis. Assim, classificam-se as redes

quanto ao tipo de equipamento e os dados que ela transporta como:

1. Rede sensorbus - dados no formato de bits

2. Rede devicebus - dados no formato de bytes

3. Rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente rede. Os

equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicao rpida em nveis discretos e so

tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes no almejam cobrir grandes

distncias, sua principal preocupao manter os custos de conexo to baixos quanto for

possvel.

A rede devicebus preenche o espao entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir

distncias de at 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede tero mais pontos discretos,

alguns dados analgicos ou uma mistura de ambos. Esta rede tem os mesmos requisitos de

transferncia rpida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais

equipamentos e dados.

A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir

distncias maiores. Os equipamentos acoplados rede possuem inteligncia para

desempenhar funes especficas de controle, controle de fluxo de informaes e processos. A

rede deve ser capaz de comunicar-se por vrios tipos de dados (discreto, analgico,

parmetros, programas e informaes do usurio).

2.2 AUTOMAO

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18

Para este trabalho focaremos a seguir em informaes bsicas para que um

engenheiro/projetista possa detalhar um projeto com a tecnologia FOUNDATION

FIELDBUS, desde o desenho da arquitetura do sistema de controle at a sua conexo com os

softwares de informao de processo.

Segundo Berge (2002) a tecnologia Foundation Fieldbus consiste em um protocolo de

comunicao serial digital bidirecional onde equipamentos conectados a rede desempenham a

funo de emissor e receptor de dados realizando funes de controle e monitorao de

processo e estaes de operao atravs de softwares supervisores. Os dispositivos de campo

(transmissores, posicionadores, etc...) agora com processadores embarcados desempenham

funes de controle resultando assim em um controle distribudo. Ento basicamente

Foundation Fieldbus uma rede local para automao e instrumentao de controle de

processos com a capacidade de distribuir o controle no campo. um protocolo complexo,

porm o conhecimento completo de como a tecnologia funciona internamente no

fundamental para o seu uso, a sua aplicao ocorre de tal forma a ser transparente aos

usurios, entretanto, no desenvolvimento de projetos que utilizam essa tecnologia exige

treinamento por parte dos projetistas para sua configurao e aplicao.

Ao contrrio dos protocolos de rede proprietrias o Fieldbus no pertence a nenhuma

empresa, controlada pela FIELDBUS FOUNDATION que uma organizao no lucrativa

que consiste em mais de 100 dos principais fornecedores e usurios de controle e

instrumentao do mundo.

Uma rede fieldbus admite dois nveis fsicos em sua arquitetura. O nvel H1 e o nvel

High Speed Ethernet (HSE). O primeiro opera com velocidade de 31,25 Kbit/s e efetua a

conexo entre os equipamentos encontrados no cho de fbrica (atuadores, sensores e

dispositivos de entrada e sada I/O). O nvel superior ao H1, conhecido como HSE, opera a

uma taxa de 100 Mbits/s, e quem liga o nvel H1 s estaes de operao, aos controladores

mais rpidos como Controlador Lgico Programvel (CLP) alm de permitir a conexo entre

diferentes nveis H1. H um dispositivo responsvel pela ligao entre os dois nveis H1 e

HSE que conhecido como Linking Device e desempenha o papel de ponte entre os mesmos.

A figura 2.1 mostra a arquitetura de uma rede fieldbus.

2.2 AUTOMAO

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19

Figura 2.1 - Arquitetura de uma rede fieldbus

Em uma rede fieldbus, Blocos Funcionais representam as funes de automao

bsicas, que sero executadas em aplicaes de automao. Cada bloco funcional processa

parmetros de entrada, de acordo com um algoritmo especfico e um conjunto interno de

parmetros de controle. Eles produzem parmetros de sada, que esto disponveis para uso

dentro da mesma aplicao de bloco funcional, ou em outras aplicaes de bloco funcional.

So fundamentais para implementar a distribuio das funes de controle ao longo dos

equipamentos em campo, como por exemplo, um integrador, uma entrada ou sada analgica,

uma entrada ou sada discreta, etc. Por essa razo a tecnologia tambm chamada de

tecnologia orientada a blocos.

A Foundation Fieldbus definiu um conjunto bsico de parmetros usados por qualquer

bloco, chamados parmetros universais e definidas tambm como classes de blocos, por

exemplo, blocos de entrada, de sada, de controle e de clculo, sendo que cada uma destas

classes tem um grupo de parmetros padro. Assim, atualmente existe uma srie de blocos

2.2 AUTOMAO

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20

dentro da biblioteca padro da tecnologia tornando possvel que fabricantes adicionem

funcionalidades aos blocos j existentes ou mesmo desenvolvam novos blocos. Estas opes

esto previstas em norma.

A configurao de uma rede objetivando a criao do sistema de controle de um

processo feita com o uso de um programa configurador. Este programa geralmente

instalado na estao de operao do sistema. O programa se comunica com os equipamentos

do nvel H1 da rede atravs de uma interface Foundation Fieldbus ou de um Linking Device.

No programa configurador, o usurio deve configurar a rede assim como a estratgia de

controle e os dispositivos presentes na rede. Esta ferramenta permite a criao de estratgias

em modo off-line, ou seja, as informaes so armazenadas em uma base de dados e no nos

instrumentos. A idia que, em um momento inicial, o estgio de desenvolvimento de uma

soluo de controle para um processo e a configurao seja off-line para que, depois de

pronta, seja carregada em um procedimento conhecido como Download, onde as informaes

sero armazenadas nos instrumentos. A partir da, a ferramenta tambm permite fazer

alteraes em modo on-line. Por razes de segurana, somente algumas alteraes podem ser

realizadas em modo on-line como mudanas de parmetros. Alteraes mais considerveis s

podem ser realizadas off-line e depois carregadas novamente.

Para finalizar vamos ver algumas vantagens presentes na tecnologia de redes

Foundation Fieldbus, para os sistemas de controle da atualidade. Entre os principais, temos:

Reduo de Hardware: As funes de controle dos sistemas so desempenhadas pelos

blocos funcionais dentro de cada dispositivo. Isto reduz o nmero de componentes como:

entradas e sadas, elementos de controle como cartes, gabinetes, etc.

Qualidade e Quantidade de Informao: Estas redes possuem formato que permite que

os equipamentos possam ser conectados a um barramento compartilhado onde a informao

transmitida de forma digital. Isto reduz os custos de cabeamento das aplicaes tradicionais,

onde se faz necessrio um cabo para cada varivel transmitida e permite maior quantidade de

dados a serem transmitidos. Alm disso, as caractersticas da comunicao digital possibilitam

uma maior qualidade das informaes contidas na rede.

Interoperabilidade: O Foundation Fieldbus um protocolo aberto, todos os fabricantes

certificados pela Fieldbus Foundation podem fornecer equipamentos que sero capazes de se

comunicar com qualquer outro dentro de uma rede desta mesma tecnologia.

2.2 AUTOMAO

__________________________________________________

21

Controle distribudo: Devido eletrnica embarcada nos equipamentos, as tarefas

podem ser divididas tornando os sistemas mais simples e eficiente.

Diagnstico: A inteligncia de cada instrumento Foundation Fieldbus aumenta a

disponibilidade e a segurana operacional reduzindo os custos de manuteno da rede.

Redundncia: A rede proporciona imunidade a falhas que possam ocorrer com alguns

de seus equipamentos ou em sua estrutura. Isto possvel, pois a rede pode ser instalada de

modo a operar com redundncia de equipamentos, cabeamento, etc.

2.3 A TECNOLOGIA OPC

__________________________________________________

22

2.3 A Tecnologia OPC

A comunicao entre os dispositivos de cho de fbrica e os sistemas de automao e

informao utiliza o padro OLE for Process Control (OPC) sendo este um padro de

comunicao baseado em tecnologia Object Linking and Embedding (OLE) / Distribuited

Component Object Model (DCOM) da Microsoft para acessos aos dados de tempo real. A

seguir temos um resumo das tecnologias OLE e DCOM:

OLE : A tecnologia OLE foi desenvolvida pela Microsoft em meados de 1990, para

suprir a necessidade de se integrar diferentes aplicaes dentro da plataforma Windows, de

forma a solucionar os problemas de desempenho e confiabilidade do at ento utilizado

padro Dynamic Data Exchange (DDE).

DCOM : Como uma continuao da tecnologia OLE, o DCOM surgiu junto com o

sistema operacional Windows NT e foi logo aceito pela indstria. Basicamente, o DCOM

um conjunto de definies para permitir a implementao de aplicaes distribudas em uma

arquitetura cliente-servidor. Desta forma, um cliente pode acessar diferentes servidores ao

mesmo tempo e um servidor pode disponibilizar suas funcionalidades para diferentes clientes

ao mesmo tempo. Atravs da definio de interfaces, o DCOM permite que objetos sejam

instanciados de forma distribuda e seus servios e mtodos (funes) sejam acessveis por

diferentes programas.

Um grupo de empresas sem fins lucrativos foi formado com o objetivo de

desenvolver esse padro sendo gerenciado pela organizao OPC Foundation, a qual possui

um site na internet (www.opcfoundation.org). Basicamente o padro OPC estabelece as regras

para que sejam desenvolvidos sistemas com interfaces padres para comunicao dos

dispositivos de campo (CLP, sensores, balanas, etc...) com sistemas de monitorao,

superviso e gerenciamento.

O principal objetivo do grupo foi a de atender as necessidades da indstria, atravs do

aprimoramento e ampliao da especificao OPC. Estas especificaes esto em constantes

desenvolvimento e atualizao, sendo que as ltimas verses podem ser obtidas atravs do

site da OPC Foundation. Estas especificaes tm a finalidade de orientar os desenvolvedores

para a implementao das aplicaes cliente e servidor. Em principio, os usurios finais no

precisam conhecer a fundo as especificaes, sendo suficiente conhecer os aspectos prticos

para a utilizao do padro, o que veremos a seguir.

2.3 A TECNOLOGIA OPC

__________________________________________________

23

1. Plataforma Windows ou no?

Basicamente, o padro OPC nativo da plataforma Windows. Dentro desta

plataforma, existem variaes para as verses do Windows (CE, 9X, NT, 2000 e XP), mas

para todas estas possvel a comunicao OPC. A especificao OPC para XML facilita a

integrao de plataformas no-Windows para a comunicao OPC.

2. Cliente ou Servidor OPC?

As aplicaes e produtos existentes no mercado pode ser somente um cliente, um

servidor ou ambos, isto varia de caso a caso. Normalmente, os produtos para monitorao de

dados (sistemas supervisrios, etc...) so clientes OPC. J os produtos que fazem

comunicao direta com os dispositivos de campo utilizando protocolos proprietrios so

servidores OPC. Cada produto pode incorporar as duas funcionalidades, sendo o mais comum

que uma aplicao normalmente cliente possa ser servidor, e no o contrrio.

3. Nmero de Clientes x Nmero de Servidores

O nmero de servidores OPC necessrios para uma determinada aplicao ir

depender do produto a ser utilizado. Normalmente, os fabricantes de dispositivos de campo

(CLP, dispositivos inteligentes, etc...) fornecem um servidor OPC capaz de comunicar com

todos os protocolos dos seus produtos de linha. Este servidor um software para o ambiente

Windows que executado em um microcomputador. Ou seja, um servidor OPC de um

fabricante permite que diversos drivers de comunicao sejam configurados para diversas

redes de acordo com o produto. Neste caso, o servidor funciona como um nico servidor

OPC, capaz de comunicar com diversos clientes OPC sendo executados na mesma mquina

ou em mquinas remotas. Existem servidores OPC de terceiros que permitem que sejam

configurados drivers de comunicao para diversas redes e protocolos de diferentes

fabricantes, ou seja, um nico produto poder servir dados de diferentes fabricantes.

Cada cliente OPC pode conectar-se a diferentes servidores, os quais podem estar

processando na mesma mquina ou remotamente em mquinas diferentes. Portanto, qualquer

produto que funcione como cliente OPC poder se comunicar com qualquer servidor OPC de

qualquer fabricante.

4. Formato de Dados OPC (Time Stamp e Qualidade)

Pela especificao do padro, todo servidor de dados deve enviar o dado OPC no

formato apresentado a seguir:

2.3 A TECNOLOGIA OPC

__________________________________________________

24

- Valor do dado: Todos os tipos de dados definidos pela interface DCOM so

suportados.

- Time Stamp: Esta informao fornecida pelo servidor atravs da leitura do time

stamp dos dispositivos de campo ou por gerao interna.

- Informao de estado: So reservados 2 bytes para codificao do estado do dado

fornecido pelo servidor. Por enquanto, apenas o uso do byte menos significativo foi definido.

Dois bits definem a qualidade do dado que pode ser:

Good Dado vlido;

Bad No caso de perda do link de comunicao com o dispositivo de campo, por

exemplo;

Uncertain No caso de existir o link de comunicao, mas o dispositivo de

campo estiver fora de operao.

5. Configurao dos dados OPC no Cliente

Considerando o caso mais comum que consiste nos servidores de dados OPC os

clientes podem definir basicamente as seguintes configuraes:

5.1 Criao de grupos e itens OPC

Basicamente, todos os dados OPC so chamados de itens. Cada item pode ser de um

tipo diferente de dado compatvel com a especificao OPC. Os diversos itens so

organizados em grupos OPC, os quais definem as principais caractersticas de leitura dos itens

(Taxa de Atualizao, Estado Ativo/Inativo, Banda Morta, Leitura Sncrona/Assncrona).

5.2 Leitura Sncrona ou Assncrona:

Para um determinado grupo OPC pode ser definido se a leitura dos dados feita de

forma sncrona, a qual depende de uma confirmao de execuo antes de uma nova leitura,

ou assncrona, a qual no depende da confirmao. Normalmente utilizada a leitura

assncrona, a qual garante um melhor desempenho.

5.3 Leitura de dados direto do dispositivo:

A partir da verso 2.0 da especificao para servidor de dados, possvel fazer a

seleo no cliente OPC para leitura dos dados da memria do servidor ou diretamente do

dispositivo de campo.

2.3 A TECNOLOGIA OPC

__________________________________________________

25

5.4 Estado Ativo/Inativo:

Cada item ou grupo pode ter o seu estado alterado pelo cliente para Ativo, habilitando

a comunicao do mesmo, ou Inativo.

5.5 Leitura Cclica ou por Mudana de Estado:

O cliente OPC pode definir se os dados do servidor sero lidos de forma cclica ou

por mudana (transio) de estado. Na leitura cclica, o cliente faz a requisio de leitura

regularmente, independentemente se os dados sofreram alterao de valor ou no. No caso de

leitura por mudana de estado, o servidor fica responsvel por enviar para os clientes os itens

que sofrerem alterao de seu estado (qualidade do dado) ou quando o valor do item de um

determinado grupo ultrapassar o valor da banda morta.

5.6 Banda Morta:

utilizado para definir os valores limites de transio para os itens de um

determinado grupo, para os quais o servidor far o envio para os clientes quando a alterao

dos valores dos itens estiver fora da banda especificada.

6. Escrita de dados OPC

A escrita de dados OPC funciona de forma independente da leitura. Assim como na

leitura, a escrita pode ser sncrona ou assncrona. Entretanto, os comandos de escrita so

executados imediatamente pelo servidor, sendo enviados diretamente para os dispositivos de

campo.

7. Comunicao de Blocos de Dados

O padro OPC permite a comunicao de blocos de dados (vetores) entre o servidor e

os clientes. Isto representa uma grande otimizao, pois as informaes de time stamp e

estado do dado so tratados e fornecidos apenas uma vez para um conjunto de dados, neste

caso, cada item configurado como um bloco de dados.

8. Redundncia com OPC

As especificaes do padro OPC no fazem meno utilizao de servidores

redundantes. Entretanto, cada cliente OPC pode implementar facilmente um mecanismo para

conexo simultnea em mais de um servidor, verificao do estado do servidor e

ativao/desativao dos grupos para o servidor que estiver funcionando. Esta soluo

encontrada apenas em alguns produtos, no sendo regra geral a disponibilizao deste recurso

para a maioria dos produtos de mercado.

2.3 A TECNOLOGIA OPC

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26

9. Desempenho da comunicao OPC

Em linhas gerais, o desempenho da comunicao OPC se aproxima do desempenho

apresentado por sistemas que utilizam drivers de comunicao especfico e otimizado.

Normalmente, os drivers especficos possuem um timo desempenho aps serem

devidamente depurados e aperfeioados. Como um servidor OPC nada mais do que uma

camada de software a mais para implementar as interfaces padres e os mecanismos de

comunicao com o cliente, de se esperar que o desempenho do mesmo s seja afetado em

relao a comunicao com o cliente e no com o dispositivo de campo. No caso da

comunicao com o dispositivo de campo, cada fornecedor pode implementar o driver e o

protocolo que melhor se ajuste necessidade do dispositivo e da rede de comunicao. Desta

forma, o desempenho do servidor OPC est mais relacionado capacidade dos recursos de

hardware da mquina que executa a aplicao do servidor do que propriamente do driver

especfico, como os recursos de hardware esto cada vez mais poderosos em relao

capacidade de processamento e memria isto no tem se mostrado como um problema real.

Os dados necessrios para animaes de telas sinpticas, janelas de operao de

equipamentos, relatrios, etc, normalmente podem ser lidos sob demanda, de forma que

somente quando o objeto estiver selecionado, ser ativado o grupo OPC no servidor para

leitura dos dados. Quando o objeto no estiver selecionado, o grupo OPC ficar desativado,

fazendo com os dados no sejam lidos e melhorando o desempenho da comunicao.

2.4 SISTEMAS de DIAGNSTICO AUTOMTICO (SDA)

__________________________________________________

27

2.4 Sistemas de Diagnstico Automtico (SDA)

De acordo com (Azevedo, 2005; Souza, 2005; Martins, 2005) visando garantir altos

ndices de disponibilidade e confiabilidade de equipamentos, atravs da reduo do nmero de

falhas e o gerenciamento de suas severidades, os profissionais de manuteno contam

basicamente com trs estratgias para determinar a melhor oportunidade de realizar uma

interveno de manuteno, j bem conhecidas: corretiva, preventiva e preditiva.

Dentre as trs estratgias citadas anteriormente, destaca-se a manuteno preditiva,

que consiste na medio freqente de grandezas fsicas, consideradas representativas do

comportamento do equipamento, para atravs da anlise dessas, emitir um laudo sobre a sua

condio operacional, sugerindo a melhor oportunidade para realizar a interveno no

equipamento ou grupo de equipamentos. Para facilitar o entendimento, pode-se afirmar que o

processo de emisso desse laudo compreende basicamente quatro etapas:

1. Identificaes do modo de falha que esto ocorrendo;

2. Localizao da falha;

3. Avaliao da sua extenso;

4. Estimativa da vida til remanescente do equipamento ou componente.

Nos processos tradicionais de manuteno preditiva, todas essas etapas so realizadas

manualmente. De forma alternativa, sistemas que automatizam esse processo (totalmente ou

em parte) so chamados de Sistemas para Diagnstico Automtico (SDA). A seleo,

implantao, operao e manuteno de um SDA no tarefa simples, exigindo em cada

etapa, cuidados para que o resultado fornecido pelo sistema, aps a sua implantao, esteja

dentro do especificado inicialmente. Para isso necessrio utilizar ferramentas e estratgias

apropriadas, em cada etapa, de forma a maximizar o sucesso na execuo de cada uma delas.

O sistema de monitorao uma das ferramentas bsicas para a implantao de

estratgias preditiva de manuteno e esse sistema deve prover informaes das grandezas

fsicas, medidas nas vrias condies de operao dos equipamentos ou processo, sem

interferir no seu funcionamento, podendo ser classificado sob a tica do tipo de instalao dos

sensores (permanente ou mvel), ou ainda ser classificado pela estratgia de aquisio de

dados a que so submetidos (contnua/on-line ou peridica/off-line).

Atualmente, os sistemas de monitorao de aplicao contnua/on-line

freqentemente trabalham de forma integrada com os sistemas de superviso e controle, ou

2.4 SISTEMAS de DIAGNSTICO AUTOMTICO (SDA)

__________________________________________________

28

Sistemas Supervisrios das plantas industriais, tendo, individualmente, requisitos para

aquisio de dados e funes totalmente distintas um do outro. O principal objetivo que se

deseja atingir com essa integrao a obteno contnua de dados de operao e das

grandezas de variao lenta, normalmente disponvel nos Sistemas Supervisrios

(temperaturas, nveis, valores de posio, presses estticas, etc.).

Tais sistemas, mais avanados, recebem as informaes do Sistema de Monitorao e

atravs da utilizao de softwares inteligentes, podem gerenciar um Banco de

Conhecimentos, onde as informaes obtidas a partir de vrios parmetros fsicos so

cruzadas e integradas, de onde sair um resultado mais prximo daquele que se deseja.

Algumas vezes, conceitos como Conhecimento, Informao e Dado so usados

indistintamente, sendo necessrio diferenci-los para evitar possveis mal entendidos. As

definies abaixo foram propostas por Wurman (1989) e Markkula (1999):

Dados so fatos que no tem significado prprio formam um conjunto discreto,

objetivo sobre determinados eventos. No dizem nada sobre sua prpria importncia ou

irrelevncia, mas constituem um material importante para a criao de Informao.

Informao um dado ao qual se atribuiu ou adicionou um significado. Pode ser

descrita como uma mensagem, usualmente na forma de um documento ou alguma forma

audvel ou visvel de comunicao. Informao tem o poder de mudar a forma de como se

percebe algo, de interferir no seu julgamento e comportamento.

Conhecimento algo que as pessoas podem aplicar em suas vidas, Informao

combinada com experincia, contexto, interpretao e reflexo. uma forma altamente

valiosa de Informao e que est pronta para ser aplicada em decises e aes.

O objetivo primrio da utilizao desses sistemas est na deteco automtica de

falhas incipientes, ou seja, deteco precoce de falhas, sua identificao, localizao e

estimativa do grau de severidade. Portanto, o sistema cujo funcionamento precisa,

necessariamente, de interao com o usurio, atravs de perguntas ou outro tipo de

interveno que necessite da presena local ou remota do mesmo, tambm no considerado

como pertencente classe do SDA.

A principal caracterstica de um SDA poder tratar grandes quantidades de dados

gerados pelos sistemas de monitorao, de formas sistemticas, freqentes e automticas,

alm de otimizar o processo de armazenamento de dados/informaes durante longos

2.4 SISTEMAS de DIAGNSTICO AUTOMTICO (SDA)

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29

perodos de operao (meses ou anos). Outra caracterstica importantssima embutida na

concepo desses sistemas sua caracterstica intrnseca de ao longo do tempo de utilizao

cada vez precisar menos da interferncia do usurio. Isso se d pelo fato de existirem

ferramentas e mecanismos de reteno e aprimoramento do conhecimento registrado nesses

sistemas. Assim utilizando as ferramentas de gerenciamento de conhecimento os membros da

equipe de manuteno podem corrigir, inserir, retirar e refinar o contedo existente no seu

Banco de Conhecimentos. Com o aumento da experincia inserida no sistema, seus

resultados (sadas) vo se tornando mais e mais confiveis ao longo do tempo, necessitando

cada vez menos da interferncia do corpo tcnico da empresa.

A caracterstica de limitao desse tipo de sistema, assim como de qualquer tipo de

sistema de monitorao tradicionalmente utilizado, se apresenta quando lidamos com falhas

de evoluo instantnea ou catastrfica. Para isso, os Sistemas de Proteo, com limites de

alarme fixos e bem estabelecidos, devem ser considerados como principal opo. Os

princpios de operao, assim como caractersticas tcnicas necessrias relativas aquisio,

comunicao e processamento dos dados de cada um desses sistemas so fundamentalmente

diferentes e no devem ser confundidos. Basicamente, o SDA tem a funo de informar a

ocorrncia de falhas, quando essas ainda esto em seu incio de formao, enquanto que os

sistemas de proteo devem agir no momento em que uma situao inaceitvel de operao

ocorre.

A implantao de um SDA deve considerar, principalmente, os seguintes fatores para

maximizar o sucesso de sua aplicao:

1. Instalaes fsicas existentes na planta:

Devero ser avaliadas as condies de evoluo tecnolgica dos sistemas e instalaes

existentes, de forma a minimizar os custos de instalao do sistema. No s os aspectos de

infra-estrutura de hardware local devero ser avaliados, mas tambm a infra-estrutura da

empresa, como um todo. Plantas industriais onde seus Sistemas de Superviso, Controle e

Proteo sejam digitais apresentaro melhores condies de integrao com o SDA.

2. Estrutura de Gesto de Dados e Informaes da empresa:

Uma infra-estrutura de Gesto de Dados e Informaes seja ela da prpria empresa ou

de servios terceirizados, dever ser planejada nos casos em que no existir. Depois de

instalado o sistema, seus benefcios s aparecero se o seu refinamento for sistematizado e

2.4 SISTEMAS de DIAGNSTICO AUTOMTICO (SDA)

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30

freqente, principalmente nos primeiros 06 (seis) meses aps sua instalao. Profissionais,

com conhecimento suficiente sobre a operao e manuteno dos equipamentos, so

elementos importantssimos para a acelerao do retorno dos benefcios. A atualizao do

Banco de Conhecimento do sistema, atravs de informaes realimentadas do campo

(manutenes executadas, ocorrncias verificadas, etc.) fundamental para seu sucesso em

longo prazo.

3. Interao entre fornecedor e cliente:

A existncia, na empresa proprietria ou concessionria da Instalao Industrial onde

vai ser instalado o sistema, do conhecimento sobre os equipamentos de suma importncia

durante o perodo de customizao do sistema, normalmente executada, em conjunto, pelo

fornecedor do SDA e o cliente. O fator Conhecimento sempre decisivo para a reduo dos

custos e do tempo de instalao.

4. Metodologia para aquisio do conhecimento:

Dever ser selecionada, previamente ao incio dos trabalhos de instalao, uma

metodologia para modelagem e aquisio do Conhecimento que ser adicionado ao sistema,

visando aplicao especfica. A aquisio de Conhecimento uma tarefa que exige

esforo e tempo da equipe, mas dela depender a qualidade dos diagnsticos executados

durante a operao do sistema.

5. Definio das grandezas monitoradas:

A definio das grandezas a serem monitoradas, assim como a utilizao e

aproveitamento das que j o so, dever ser executada tendo em vista critrios de atendimento

no somente tcnicos, mas econmicos. Uma forma de abordagem que apresenta bons

resultados utilizar o critrio de monitorar minimamente as grandezas fsicas que so

indicativas dos problemas mais importantes que ocorrem naquele equipamento. A importncia

do problema poder estar baseada em um critrio de gravidade da falha, importncia para o

processo produtivo, custo do reparo do equipamento ou segurana pura e simplesmente.

Normalmente uma combinao de um ou mais desses fatores utilizada. importante

englobar na definio dos parmetros que sero monitorados, alguns parmetros de

equipamentos que compem os sistemas auxiliares. A partir dessa escolha inicial, com a

utilizao do Sistema, outras necessidades iro certamente surgir, e podero ser adicionadas

posteriormente.

2.4 SISTEMAS de DIAGNSTICO AUTOMTICO (SDA)

__________________________________________________

31

6. Cuidados com o desempenho dos Sistemas:

Desnecessrio se faz reforar a importncia dos cuidados com a especificao dos

sensores e suas fixaes, sistemas de condicionamento e aquisio de dados, assim como

adequao dos sistemas de comunicao e interfaces com os demais sistemas da planta

industrial e com o usurio final. Deles depender o desempenho operacional do SDA e seu

sucesso como ferramenta de apoio manuteno

7. Implicaes inerentes deteco precoce:

A funo de detectar, de forma precoce, a existncia de falhas nos equipamentos

requer alguns cuidados no estabelecimento dos valores que devero ser utilizados como

referncia (equipamento em bom estado), assim como a definio dos limites de deteco

(mximos e mnimos), onde so necessrios valores especficos para as vrias condies de

operao dos equipamentos (pontos de operao). importante, nesse ponto, diferenciar as

grandezas que tm valores de normalidade dependente da condio de operao do

equipamento (grandezas de limites relativos), daquelas cuja variao no tem uma relao

direta com o ponto de operao do mesmo (grandezas de limites absolutos). O

estabelecimento desses limites, durante a parametrizao dos sistemas dever ser

compatibilizado com os limites fixos de alarme existente no Sistema de Superviso, Controle

e Proteo da instalao industrial. Inadequaes ou incoerncias no estabelecimento de tais

valores podero gerar incmodos tais como excesso de eventos ou alarmes falsos e eventos

no detectados.

Alguns aspectos relativos poltica de Tecnologia de Informao (TI) da empresa

devem ser observados, tais como: segurana de acesso rede corporativa da empresa, ou

mesmo o uso indevido do microcomputador para outras funes menos nobres, entre outros.

Para isso, a implantao do sistema dever seguir as diretrizes traadas pela rea de TI de

cada empresa. No que se refere segurana intrnseca necessria ao seu uso, os sistemas

incorporam controle de nveis de acesso ao usurio, com senhas, permitindo acesso local e

remoto, desde que autorizado, para as equipes de engenharia de manuteno, operao e

equipe de manuteno em campo.

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

32

2.5 Estatstica Aplicada a Engenharia

Em muitas indstrias modernas em que se pratica a manuteno preditiva um

especialista utiliza-se de uma pr-anlise para determinar se um determinado equipamento

necessita de uma interveno para a reparao de algum item no conforme, esta pr-analise

normalmente definida por valores limites. Esses valores limites so divididos em duas

categorias:

1. Alerta (quando um equipamento est em uma condio anormal).

2. Alarme (quando o equipamento inicia um processo de falha terminal).

As definies para esses valores podem variar de equipamento para equipamento,

devendo ser definido a partir de uma condio de operao tomada como referncia, no

apenas em cada inicio de operao, mas tambm, a comparao deste ltimo com o histrico

total do equipamento. Portanto, em equipamentos onde no existe um histrico de dados para

realizar uma anlise de comportamento ou tendncia preciso primeiramente obter essa base

de dados para cada equipamento. preciso coletar, analisar e interpretar os dados de uma

forma a relacion-los com o objetivo de estudo proposto. Para a utilizao de qualquer

mtodo necessrio e imprescindvel que as decises sejam baseadas em fatos. Assim, para

se converter dados em fatos utilizam-se os conceitos da rea de estatstica para o

gerenciamento de processos tanto em sua operao como manuteno. De acordo com

(Montgomery, 2003; Douglas, 2003) o campo da estatstica lida com a coleta, apresentao,

anlise e o uso de dados para tomar decises e resolver problemas. Mtodos estatsticos so

usados para nos ajudar a entender a variabilidade. Por variabilidade, queremos dizer que

sucessivas observaes de um sistema ou fenmeno no produzem exatamente o mesmo

resultado. O julgamento estatstico pode nos dar uma maneira til para incorporar essa

variabilidade em nossos processos de tomada de deciso. Podemos descrever numericamente

as caractersticas dos dados, podendo caracterizar a localizao ou tendncia central dos dados

atravs da mdia aritmtica comum. Quase sempre pensamos em nossos dados como sendo

uma amostra, referir-nos-emos mdia aritmtica como a mdia da amostra. Se as n

observaes em uma amostra forem denotadas por x1, x2,..., xn, ento, a mdia da amostra

ser dada por:

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

33

Equao 2.1 Mdia de um conjunto de amostras.

Embora a mdia da amostra seja til, ela no transmite toda a informao acerca de

uma amostra de dados. A variabilidade nos dados pode ser descrita pela varincia ou o desvio

padro da amostra. Se x1, x2,..., xn for uma amostra de n observaes, ento desvio padro da

amostra ser dada por:

Equao 2.2 Desvio Padro de um conjunto de amostras.

Um processo de produo tem de ser estvel e capaz de operar com pouca

variabilidade ao redor de sua dimenso nominal. O Controle Estatstico de Processo (CEP)

em tempo real um mtodo poderoso para encontrar a estabilidade de um processo atravs da

reduo de sua variabilidade sendo um conjunto de ferramentas para resolver problemas, e

que podem ser aplicadas a qualquer processo. As ferramentas mais importantes de CEP so:

Histograma

Grfico de Pareto

Diagrama de causa e efeito

Diagrama de defeito-concentrao

Diagrama de disperso

Folha de verificao

Grfico de controle

O grfico de controle a mais poderosa das ferramentas de CEP, e por ser utilizado

neste trabalho, a seguir veremos alguns conceitos.

De acordo com (Montgomery, 2003; Douglas, 2003) em qualquer processo de

produo, independente de to bem projetado ou cuidadosamente mantido ele seja, certa

quantidade de variabilidade inerente ou natural sempre existir. Essa variabilidade natural ou

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

34

rudo de fundo o efeito cumulativo de muitas causas pequenas, essencialmente

inevitveis. No mbito de controle estatstico, essa variabilidade natural frequentemente

chamada de um sistema estvel de causas casuais. Um processo que esteja operando somente

com causas casuais de variao presente dito estar sob controle estatstico. Outros tipos de

variabilidade podem estar presentes na sada de um processo. Tal variabilidade geralmente

grande quando comparada com o rudo de fundo, representando um nvel inaceitvel de

desempenho de processo. Referimo-nos a essas fontes de variabilidade como causas

atribudas. Um processo que esteja operando na presena de causas atribudas dito estar

fora de controle estatstico. O grfico de controle uma tcnica de monitorao on-line do

processo usada para detectar a ocorrncia de causas atribudas de modo que uma investigao

do processo e uma ao corretiva possam vir a ser empreendida. Tambm podem ser usados

para estimar parmetros de um processo de produo e atravs desta informao determinar a

capacidade do processo atingir as especificaes. Finalmente, lembre-se que o objetivo final

de CEP a eliminao ou reduo tanto quanto possvel da variabilidade no processo. Um

grfico tpico de controle uma disposio grfica de uma caracterstica da qualidade ou de

uma varivel de processo que foi medida ou calculada a partir de uma amostra selecionada em

intervalos peridicos.

O grfico contm uma linha central (LC) , que representa o valor mdio da

caracterstica da qualidade ou varivel correspondendo ao estado sob controle. Duas outras

linhas horizontais, chamadas de limite superior de controle (LSC) e de limite inferior de

controle (LIC), so tambm mostradas no grfico. Esses limites de controle so escolhidos de

modo que, se o processo estiver sob controle, aproximadamente todo o ponto da amostra

cairo entre eles. A figura 2.2 representa um grfico de controle tpico.

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

35

Figura 2.2 - Representao de um grfico de controle tpico.

Entretanto um ponto que caia fora dos limites de controle interpretado como

evidncia de que o processo est fora de controle, necessitando-se de investigao e ao

corretiva para encontrar e eliminar a causa atribuda ou causas responsveis para esse

comportamento. Mesmo que todos os pontos estejam dentro dos limites de controle, se eles se

comportarem de maneira sistemtica ou no aleatria, ento isso uma indicao de que o

processo est fora de controle. Mtodos planejados para encontrar seqncias ou padres no

aleatrios podem ser aplicados aos grficos de controle como uma ajuda na deteco de

condies fora de controle. Encontrar os pontos fora dos limites de controle uma tarefa fcil,

mas identificar configuraes no-aleatrias uma tarefa que gera muitas dvidas. Padres de

referncia relativos s configuraes no-aleatrias foram estabelecidos para facilitar a

deteco de variaes relativas a causas atribudas. Esses padres foram elaborados atravs de

regras estatsticas relativamente simples. Exemplos:

1. Pontos fora dos limites de controle

Figura 2.3 - Pontos fora dos limites de controle

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

36

uma das formas mais evidentes da falta de controle estatstico de um processo.

Neste caso, as causas especiais podem estar relacionadas a dados gerados por procedimentos

incorretos de coleta de dados ou equipamentos descalibrados.

2. Seqncia

Figura 2.4 - Seqncia de pontos consecutivos

O principal padro de seqncia quando 7 ou mais pontos consecutivos aparecem

em apenas um dos lados, abaixo ou acima, da linha mdia. Geralmente, as seqncias esto

relacionadas a mudanas significativas no processo, causadas por matria-prima, mudanas de

equipamentos, alteraes de procedimentos operacionais, etc.

3. Periodicidade

Figura 2.5 - Periodicidade de pontos

A periodicidade uma configurao detectvel em longo prazo. Os pontos so

distribudos no grfico como uma curva que apresenta uma tendncia alternada para cima e

para baixo. Essa variao pode ser associada, por exemplo, rotatividade de operadores.

2.5 ESTATSTICA

__________________________________________________

37

4. Tendncias

Figura 2.6 - Tendncias de ponto

Uma tendncia pode ser detectada por 7 ou mais pontos, ascendentes ou descendentes.

Algumas causas dessa configurao so: desgaste de ferramentas, mudana nas condies

ambientais (temperatura, umidade, presso, etc).

Outro ponto a ser observado que esses padres no sero regras para todos os

processos, pois, em um determinado processo, 7 pontos consecutivos podem ser considerados

normais.

De acordo com (Montgomery, 2003; Douglas, 2003) pode-se ter um modelo geral

para um grfico de controle. Faa W ser uma estatstica da amostra que mede alguma

caracterstica da qualidade de interesse, e suponha que a mdia de W seja mi () e o desvio

padro de W seja sigma (). Ento a LC, o LSC e o LIC se tornam:

LSC = + k

LC =

LIC = - k

Onde k a distncia dos limites de controle a partir da linha central, expressa em

unidades de desvio-padro. Uma escolha comum k = 3. Essa teoria geral de grficos de

controle foi primeiro proposto pelo Dr. Walter A. Shewhart e os grficos de controle

desenvolvidos de acordo com esses princpios so frequentemente chamados de grficos de

controle de Shewhart.

Se a caracterstica tiver uma distribuio normal, ento 99,73% das observaes

estaro entre + 3 e - 3 , ou seja, a probabilidade de um ponto cair fora dos limites de

controle igual a 0,27%, conforme ilustra a figura 2.14.

2.5 ESTATSTICA

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Figura 2.7 - Limites de controle de 3 desvios padro

Em muitas aplicaes o grfico de controle usado para monitorao on-line de

processo, ou seja, dados da amostra so coletados e usados para construir o grfico de

controle, porem devemos lembrar que a maioria dos processos no opera em um estado de

controle estatstico, portanto, o uso rotineiro e cauteloso dos grficos de controle identificar

causa atribudas. Ainda de acordo com (Montgomery, 2003; Douglas, 2003) h no mnimo,

cinco razes para a popularidade dos grficos de controle.

1. Grficos de controle so uma tcnica comprovada para melhoria da

produtividade. Reduz a perda ou o retrabalho, que so os principais destruidores da

produtividade em qualquer operao.

2. Grficos de controle so efetivos na preveno de defeitos. Ajuda a manter o

processo sob controle desde o inicio evitando produo de unidades com defeitos.

3. Grficos de controle previnem ajustes desnecessrios no processo. Distino

entre rudo de fundo e variao anormal.

4. Grficos de controle fornecem informao sobre diagnstico. Frequentemente, o

padro de comportamento dos pontos em um grfico de controle conter informao que tem

um valor de diagnstico para um engenheiro ou operador experiente.

5. Grficos de controle fornecem informao sobre a capacidade de processo.

Fornece informao sobre o valor de importantes parmetros de processo e sua estabilidade ao

longo do tempo.

Um grfico de controle pode indicar uma condio de fora de controle quando um ou

mais pontos carem alem dos limites de controle, ou quando os pontos plotados exibirem

2.5 ESTATSTICA

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39

algum padro no aleatrio de comportamento, o problema reconhecer esse padro de

comportamento. A habilidade para interpretar um padro particular de comportamento em

termos de causas atribudas requer experincia e conhecimento do processo. Ou seja, temos

no somente de conhecer os princpios estatsticos de grficos de controle, mas tambm temos

de ter um bom conhecimento do processo.

De acordo com (Montgomery, 2003; Douglas, 2003), o Western Eletric Handbook

(1956) sugere um conjunto de regras de deciso para detectar padres no aleatrios de

comportamentos nos grficos de controle. Especialmente, as regras Western Eletric

concluiriam que o processo estaria fora de controle se:

1. Um ponto cair fora dos limites de 3 sigmas.

2. Dois de trs pontos consecutivos carem alm do limite de 2 sigmas.

3. Quatro de cinco pontos consecutivos carem a uma distncia de 1 sigma ou

alm da linha central.

4. Oito pontos consecutivos carem em um lado da linha central.

Na pratica, essas regras so muitas efetivas para aumentar a sensibilidade dos grficos

de controle. As regras 2 e 3 se aplicam a um lado da linha central de cada vez. Ou seja, um

ponto acima do limite superior de 2 sigmas, seguido imediatamente por um ponto abaixo do

limite inferior de 2 sigmas no sinalizariam um alarme de fora de controle.

2.6 USINA HIDRELTRICA

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2.6 Usina hidreltrica

Uma usina hidreltrica um agrupamento de equipamentos e componentes que tem a

funo de transformar a energia potencial hidrulica de um rio ou uma represa, em energia

eltrica. Segundo (Schreiber, 1978; Souza, 1983) composta de (ver figura 2.8):

Barragem (reservatrio): onde represada a gua do rio para promover principalmente a

queda dgua;

Tomada Dgua (Canal): onde faz a distribuio da gua para as diversas mquinas;

Conduto: que direciona a gua at a Turbina;

Casa de Mquina ou Casa de Fora onde ficam:

- Turbina: que transforma a energia cintica de movimento da gua em energia

mecnica de rotao para acionar o Gerador;

- Gerador: transforma a energia mecnica proveniente da turbina em energia eltrica;

- Outros componentes como regulador de velocidade, regulador de tenso, servios

auxiliares e outros;

Canal de Restituio de gua;

Cada uma destas estruturas ou componentes acima, por sua vez, so compostos de vrios

equipamentos e perifricos para o funcionamento global da usina.

2.8 Figura Ilustrao do perfil de uma Usina Hidreltrica

2.6 USINA HIDRELTRICA

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TURBINAS HIDRULICAS

As turbinas hidrulicas so projetadas para transformar a energia cintica de um

fluxo de gua, em energia mecnica. So acopladas a um gerador eltrico, o qual conectado

rede de energia. As turbinas hidrulicas dividem-se em diversos tipos, sendo quatro tipos

principais: Pelton, Bulbo, Francis, Kaplan. Cada um destes tipos adaptado para funcionar

em usinas com uma determinada faixa de altura de queda e vazo de gua. Em todos os tipos

h alguns princpios de funcionamento comuns. Veja o esquema mostrado na figura 2.9.

Figura 2.9 Princpios de funcionamento em turbinas hidrulicas.

A gua entra pela tomada de gua montante da usina hidreltrica que est a um

nvel mais elevado e levada atravs de um conduto forado at a entrada da turbina

passando por um sistema de palhetas guias mveis que controlam a vazo volumtrica

fornecida turbina. Para aumentar a potncia, as palhetas se abrem e para diminuir se fecham.

Aps passar por este mecanismo a gua chega ao rotor da turbina, ao deixar o rotor um duto

chamado tubo de suco conduz a gua at a parte de jusante da casa de fora (no nvel mais

baixo). As turbinas Pelton tm um princpio um pouco diferente (impulso), pois

primeiramente a presso transformada em energia cintica, em um bocal, onde o fluxo de

gua acelerado at uma alta velocidade e em seguida choca-se com as ps da turbina

imprimindo-lhe rotao e torque. As turbinas hidrulicas podem ser montadas com o eixo no

sentido vertical ou horizontal. Os esforos oriundos do peso prprio e da operao da mquina

2.6 USINA HIDRELTRICA

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so suportados axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais

de guia, sendo que o arranjo e quantidade de mancais podem variar em cada projeto.

O projeto de uma turbina hidrulica especfico para cada usina hidreltrica. Isto se

deve ao fato de que a seleo de uma turbina hidrulica baseada na queda e vazo disponvel

no local onde a turbina ser instalada, o que resultar em mquinas com rotaes, dimetros e

potncias diferentes, resultando em projetos quase que exclusivos para cada Usina.

Uma turbina constituda basicamente por seis partes: caixa espiral, pr-distribuidor,

distribuidor, tampa da turbina, rotor/eixo e tubo de suco.

1. Caixa espiral

uma tubulao de forma toroidal que envolve a regio do rotor. Esta parte fica

integrada estrutura civil da usina, no sendo possvel ser removida ou modificada. O

objetivo distribuir a gua igualmente na entrada da turbina. fabricada com chapas de ao

carbono soldadas em segmentos. A caixa espiral conecta-se ao conduto forado na seco de

entrada, e ao pr-distribuidor na seco de sada.

2. Pr-distribuidor

A finalidade do pr-distribuidor direcionar a gua para a entrada do distribuidor.

composta de dois anis superiores, entre os quais montado um conjunto de palhetas fixas,

com perfil hidrodinmico de baixo arrasto, otimizando sua influncia na perda de carga e

turbulncia no escoamento. uma parte sem movimento, soldada caixa espiral e fabricada

com chapas ou placas de ao carbono.

3. Distribuidor

O distribuidor composto de uma srie de palhetas mveis, acionadas por um

mecanismo hidrulico montado na tampa da turbina (sem contato com a gua). Todas as

palhetas tm o seu movimento conjugado, isto , todas se movem ao mesmo tempo e de

maneira igual. O distribuidor controla a potncia da turbina, pois regula a vazo da gua.

um sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automtico, tornando o controle

da turbina praticamente isento de interferncia do operador.

2.6 USINA HIDRELTRICA

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4. Tampa da Turbina

Tampa de turbina o elemento atravessado pelo eixo, que suporta os elementos

de vedao e protege o rotor pela parte superior (superior vertical), ou anterior (turbina

horizontal). Depois dos conjuntos rotor/eixo e pr-distribuidor / caixa espiral, a tampa da

turbina constitui a pea mais importante da turbina, seja em sua funo, seja em custo.

5. Rotor e eixo

O rotor da turbina onde ocorre a converso da potncia hidrulica em potncia

mecnica no eixo da turbina.

6. Tubo de suco

Duto de sada da gua, geralmente com dimetro final maior que o inicial, desacelera

o fluxo da gua aps esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio na jusante.

Turbina Pelton

So adequadas para operar entre quedas de 350 m at 1100 m, sendo por isto muito

mais comum em pases montanhosos. Este modelo de turbina opera com velocidades de

rotao maiores que os outros, e tem o rotor de caracterstica bastante distinta. Os jatos de

gua ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso.

Dependendo da potncia que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais

simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc... O nmero normal de bocais varia de dois a

seis, igualmente espaados angularmente para garantir um balanceamento dinmico do rotor.

Um dos maiores problemas destas turbinas, devido alta velocidade com que a gua se choca

com o rotor, a eroso provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a gua, comum

em rios de montanhas. A turbina pelton, devido a possibilidade de acionamento independente

nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficincia plana, que lhe garante boa

performance em diversas condies de operao. A figura 2.10 ilustra uma turbina Pelton.

Figura 2.10 Turbina Pelton.

2.6 USINA HIDRELTRICA

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Turbina Bulbo

A unidade geradora tipo Bulbo composta por uma turbina hidrulica Kaplan de eixo

horizontal acoplada a um gerador sncrono tambm horizontal que se encontra dentro de uma

cpsula metlica estanque (bulbo) totalmente imersa no fluxo hidrulico. Operam em quedas

abaixo de 20 metros. Como o fluxo axial, ou seja, paralelo ao eixo, as passagens hidrulicas

das unidades Bulbo so mais simples e o comprimento da passagem hidrulica mais curto

do que as das unidades de eixo vertical. Tais caractersticas so importantes em usinas de

baixa queda, pois minimizam as perdas de energia. Outra vantagem das unidades Bulbo a

sua capacidade de operar como descarregador de vazo (vertedouro de fundo), operando sem

carga e permitindo um escoamento de at 70% da vazo nominal, obtendo-se maior segurana

passagem da cheia de projeto, bem como possibilitando o escoamento de sedimentos

depositados prximos tomada dgua. Apesar de requerer dispositivos especiais, na

montagem das unidades Bulbo, possvel obter maior rapidez de montagem em relao s

unidades de eixo vertical. A montagem se desenvolve de modo independente entre turbina e

gerador, podendo seguir em paralelo durante grande parte do tempo, devido ao acesso

independente para o recinto do gerador e o recinto da turbina, logo a jusante. A figura 2.11

ilustra o tipo de uma turbina Bulbo.

Figura 2.11 - Corte transversal unidade geradora utilizando turbina Bulbo.

2.6 USINA HIDRELTRICA

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Turbina Francis

So turbinas de reao porque o escoamento na zona da roda se processa a uma

presso inferior presso atmosfrica. Esta turbina caracterizada por ter uma roda formada

por uma coroa de aletas fixas, as quais constituem uma srie de canais hidrulicos que

recebem a gua radialmente e a orientam para a sada do rotor numa direo axial. A entrada

na turbina ocorre simultaneamente por mltiplas comportas de admisso dispostas ao redor da

roda, e o trabalho exerce-se sobre todas as aletas ao mesmo tempo para fazer rodar a turbina e

o gerador. Os outros componentes desta turbina so os cmaras de entrada, a qual pode ser

aberta ou fechada com uma forma espiral, o distribuidor constitudo por uma roda de aletas

fixa ou mveis que regulam o caudal e o tubo de sada da gua. Esta turbina utiliza-se em

quedas teis de 40 metros at 400 metros, e possuem uma grande adaptabilidade a diferentes

quedas. A figura 2.12 ilustra uma turbina Francis.

Figura 2.12 Exemplo de uma turbina tipo Francis

2.6 USINA HIDRELTRICA

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Turbina Kaplan

So turbinas de reao adequadas para operar entre quedas at 60 m. A nica

diferena entre as turbinas Kaplan e a Francis o rotor. Este se assemelha a um propulsor de

navio (similar a uma hlice). Se as ps so fixas diz-se que a turbina do tipo Hlice. Se as

ps so mveis os que permite variar o ngulo de ataque por meio de um mecanismo de

orientao que controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina do tipo Kaplan.

Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, responsvel pela variao

do ngulo de inclinao das ps. O leo injetado por um sistema de bombeamento

localizado fora da turbina, e conduzido at o rotor por um conjunto de tubulaes rotativas

que passam por dentro do eixo. O acionamento das ps conjugado ao das palhetas do

distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um

determinado valor de inclinao das ps do rotor lhes confere uma grande capacidade de

regulao. As Kaplan tambm apresentam bom rendimento em uma ampla faixa de operao.

A figura 2.13 ilustra uma turbina Kaplan.

Figura 2.13 Exemplo de uma turbina Kaplan

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3. VEDAO do EIXO na TAMPA de TURBINAS

HIDRULICAS KAPLAN

Este trabalho teve a sua parte prtica desenvolvida na empresa Manaus Energia

S.A. sendo esta responsvel pela gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica para o

atendimento cidade de Manaus, capital do estado do Amazonas. Dentro de seu parque

gerador est a usina hidreltrica de Balbina situada no rio Uatum no municpio de Presidente

Figueiredo a 200 km de Manaus, com uma potncia nominal instalada de 250 mega watts com

cinco unidades geradoras de 50 mega watts cada.

As turbinas hidrulicas so projetadas para transformar a energia hidrulica em

energia mecnica e sua eficincia medida pela frao da energia total da fonte primria (no

caso a gua) que convertida em energia til (no caso potncia de eixo). As principais causas

da "perda" de energia nas turbinas so:

1. Perdas hidrulicas: a gua tem que deixar a turbina com certa velocidade e esta

quantidade de energia cintica no pode ser aproveitada pela turbina.

2. Perdas mecnicas: so originadas por atrito nas partes mveis da turbina e calor

perdido pelo aquecimento dos mancais.

Uma das grandes preocupaes em turbinas hidrulicas reduzir ao mximo a

fuga de gua entre o eixo e a tampa da turbina evitando perda de rendimento hidrulico e

invaso de gua bruta no poo de drenagem da turbin