Eletronorte SA – Lacen – Av. Tancredo Neves S/N – CEP 66077-530 – Belém – PAFone: 91 210-8230Fax: 91-210-8239E-mail: bramatti@eln.gov.br

GGH/015

21 a 26 de Outubro de 2001Campinas - São Paulo - Brasil

GRUPO I

GRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRÁULICA – GGH

MONITORAÇÃO REMOTA DE EQUIPAMENTOS

Norberto Bramatti* Wellington LimaEletronorte Eletronorte

Anderson Sena Roger da SilvaUFPA UFPA

RESUMO

O presente trabalho tem como finalidadeapresentar soluções de apoio à manutenção preditiva,de forma a possibilitar a monitoração contínua eremota de equipamentos, utilizando-se basicamentede microcomputadores, placas de aquisição de dados,condicionadores de sinal, sensores, programasaplicativos personalizados e da rede de computadoresda Eletronorte (Intranet).

PALAVRA-CHAVE

Confiabilidade – Qualidade – Manutenção – Preditiva– Monitoração

1.0 INTRODUÇÃO

Dentro do atual cenário do sistema elétriconacional, em que o consumo de energia elétricaaumenta dia a dia, necessitando-se de novos eurgentes investimentos em geração e transmissão,aumenta cada vez mais a importância da manutençãopreditiva (procedimentos que visam diminuir asparadas desnecessárias de máquinas geradoras deenergia elétrica e equipamentos de transmissão). Como objetivo de oferecer instrumentos de alta qualidade ede baixo custo, o Lacen investe em tecnologia e mãode obra implantando o pólo de Desenvolvimento deInstrumentação Virtual (DEIV), consolidando-se comocentro de referência na região norte.

Os projetos desenvolvidos atualmente peloDEIV destacam-se pela possibilidade de monitoraçãocontínua, visualização e análise remota dos sinaismonitorados localmente. Além destas vantagens sãoarmazenadas automaticamente em banco de dados as

informações relacionadas com eventos ocorridos nossistemas monitorados, sendo estas informaçõesdisponibilizadas para futuras análises. Todos osprogramas oferecidos pelo DEIV são amplamentediscutidos com o cliente, desta forma, adequando osoftware as suas necessidades locais, além depossibilitar a assistência dos especialistas daEletronorte e de outras empresas.

2.0 INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL

As inovações no desenvolvimento dosinstrumentos tecnológico tem tido avançossignificativos nos últimos anos. Os sistemas digitaistem propiciado recursos jamais imaginados no iníciodeste século, sendo atualmente possível transmitir ereceber imagens digitalizadas, monitorar e controlarprocessos antes realizados apenas pelo homem,assim como diversas outras vantagens. Omicrocomputador tem sido um bom exemplo daevolução dos instrumentos digitais, passando de uminstrumento concebido apenas às grandes empresaspara um instrumento domestico concebido a umgrande número da população. Atualmente, é usadojunto com outros periféricos para centralizarvirtualmente em um único instrumento digital diversosinstrumentos originalmente analógicos. Por exemplo,em um único computador é possível ter um gerador defunções, um multímetro, um osciloscópio, umanalisador de espectro e muitos outros instrumentos,além de poder executar todas as suas funçõeshabituais de microcomputador ao mesmo tempo.

O conceito de instrumentação virtual consisteem implementar instrumentos digitais utilizando ocomputador. Seus elementos básicos são:

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FIGURA 1 – Diagrama de instrumentação virtual remota

Sensores

SinalMonitorado

Condicionadores

Placa de aquisiçãode dados Computador

Rede de Computadores

! Sensores, que convertem grandezas de diversostipos, tais como vibração, deslocamento, pressão,temperatura, umidade, etc, em sinais elétricos;

! Condicionamento de sinal, utilizado paracompatibilizar o sinal monitorado pelo sensor àslimitações do sistema de aquisição de dados

! Placa de aquisição de dados! Computador;! Softwares de desenvolvimento;! Rede de computadores(ver Figura 1)

Utilizam-se atualmente nos laboratórios e naindústria computadores equipados com placas deaquisição que podem ser do tipo ISA, EISA, PCI, ePCMCIA, e as portas serial e paralela para fazermedições, monitorar e controlar diversos sistemas.Contudo, as placas de aquisição não são específicasapenas a aquisição de sinais. Algumas dessas podemgerar e transmitir sinais elétricos, o que permite aimplementação do controle de equipamentos.Especificamente em nosso trabalho, além dainstrumentação virtual, temos um grande aliado paraum melhor aproveitamento da monitoração, que é autilização de rede. Havendo um ponto de rede, épossivel fazer com que outro computador que fazparte da rede (cliente) receba as informações geradaspelo computador que está aquisitando os sinais(servidor).

Outra opção é a utilização de equipamentosde telecomunicações com o protocolo TCP/IP, como ocaso de rádios digitais ou internet.

Para isso, fazemos com que os sinaisaquisitados sejam passados através do programaservidor para programas clientes que estão instaladosremotamente recebendo as mesmas informações. Oprograma local funciona independentemente dosclientes e ainda pode possuir quantos clientes foremnecessários.

Com este recurso, ganha-se tempo eeconomiza-se recursos materiais e humanosreduzindo-se o deslocamento de pessoal até oequipamento para a coleta de dados. É possíveltambém que especialistas em diferentes pontos daEmpresa recebam as informações e contribuam paraum diagnóstico, utilizando, inclusive, recursos devideoconferência. Podemos também utilizar notebooks, utilizando placasde aquisição PCMCIA. Nesse caso, podemos terinstrumentos virtuais móveis, que na prática podemsubstituir os equipamentos de medição existentes.Trazendo as mesmas vantagens que estes possuem,fazer medições em pontos diferentes e em máquinasdiferentes, sem que haja a necessidade de sensoresinstalados permanentemente nas máquinas, existindoa vantagem de se poder ter vários instrumentosvirtuais instalados em um mesmo microcomputador.

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3.0 DESCRIÇÃO DOS PROJETOSDESENVOLVIDOS NO DEIV

Serão apresentados alguns aplicativosatualmente em fase de implantação pelo Lacen, taiscomo: monitoração de deslocamento do eixo atravésde sensores de proximidade em três planos e dapressão em usinas hidráulicas, a monitoração devibração em compensadores síncronos e asubstituição de antigos registradores de painel emcompensadores síncronos.

Todos os aplicativos são feitos utilizando-se alinguagem National Instruments LabVIEW e feitos naarquitetura Cliente/Servidor, possibilitando envio dosdados à distância.

3.1 Monitoração do eixo.

Monitoração do eixo de hidrogeradores emusinas hidráulicas. Este sistema tem por finalidademonitorar o deslocamento do eixo de gerador em trêsplanos e em duas posições a 90 graus. (mancal deescora, mancal de guia superior e inferior) e também apressão (na tampa da turbina e no tubo de sucção),ver Figura 2. Os dispositivos utilizados para obtençãodos sinais são sensores de proximidade (paradeslocamento de eixo) e sensores de pressão, placade aquisição de dados e um microcomputador. Após aaquisição dos dados, ele se encarrega de efetuar asmedidas para a monitoração preditiva.

As formas de onda geradas são mostradosem gráficos na tela. O usuário pode optar porvisualizar o sinal de deslocamento ou de pressão.Devido a uma disposição dos sensores em umdiferença de 90° (graus), é possível ver o passeio decada eixo do gerador através da utilização de umgráfico XY.

FIGURA 2: Pontos monitorados no gerador1- sensor de deslocamento2- sensor de pressão

FIGURA 3 - Tela do programa de Monitoração do eixo(domínio do tempo).

FIGURA 4 – Tela do programa de Monitoração do eixo(passeio do eixo).

3.2 Monitoração da vibração dos CS da SE Vilado Conde

FIGURA 5 – Compensador Síncrono

S P2

S D

S D

S.D1

S P

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Monitoração de vibração em compensadoressíncronos. Esse sistema monitora a freqüênciainicialmente em quatro pontos do compensadorsíncrono, utilizando acelerômetros e amplificadores decarga para enviar dados ao microcomputador, verFigura 6.

Após cada aquisição o sinal no domínio dotempo é mostrado juntamente com o gráfico deespectro de freqüência. Os sinais procedentes dasaída dos amplificadores são em aceleração. Contudo,através de procedimentos podem ser vistos tambémna escala de velocidade ou de deslocamento, semmanuseio do amplificador. Além disso, o programafornece a freqüência de pico e amplitude. O nome doprograma é VibroComp.

Como o custo desta instrumentação éelevado e o sistema encontra-se em faseexperimental, optou-se por se trabalhar comacelerômetros de carga e condicionadores de sinaldisponíveis no Lacen, sem prejuízo das medições.Com isso, poderíamos testar todo o desempenho detodo o sistema, isto é, o software aplicativo e atransmissão dos sinais para Belém através da rede decomputadores da Eletronorte. Uma vez testado osistema, serão feitas as especificações dosacelerômetros tipo ICP que serão instaladosdefinitivamente nos compensadores. Hoje, utiliza-seainda com amplificadores de sinais.

Escolheu-se o acelerômetro de carga de usogeral de fabricação Bruel & Kjaer modelo 4370, comas seguintes características básicas:

" Acelerômetro tipo DeltaShear, Uni-Gain comconector na extremidade superior.

" Sensibilidade: 10 pC/m/s2

" Freqüência de ressonância: 16 kHz" Freqüência de trabalho: 0,3 a 4800 Hz

O condicionador foi escolhido pelo fato daEletronorte já os disponibilizá-los e dessa formaabaixar os custos em sua fase de experiência. Vistoque a tendência é o uso de acelerômetros ICP que jádispõe em sua eletrônica mecanismos decondicionamento de sinais.

Então adotou-se o uso do o amplificador decarga de fabricação Bruel & Kjaer modelo 2635, quepossui modos de saída em aceleração, em velocidadee em deslocamento. Como os acelerômetrosdefinitivos terão apenas saída em aceleração, foiutilizada a saída de aceleração do 2635. Dessa forma,o aplicativo de software utiliza integradores.Características:

" Ajuste para a sensibilidade do acelerômetro:0,1 a 11 pC/m/s2

" Faixa de freqüência: 2Hz a 22 kHz

FIGURA 6 - pontos monitorados em um CS

O sinal de vibração está sendo monitoradoem quatro pontos, que foram escolhidos pelostécnicos e engenheiros responsáveis pela manutençãoda máquina, em virtude de se tratarem de pontos maiscríticos do compensador. Estes pontos sãomonitorados através de sensores de carga(acelerômetros) que enviam o sinal de aceleração,através de cabos que passam pelo amplificador decarga, levando o sinal em tensão até a placa deaquisição de dados localizada no microcomputador.

O Vibrocomp se divide em programa servidore programa cliente. Ambos são bastante parecidostanto em interface quanto em sua estrutura, adiferença básica é que a servidor faz a aquisição dossinais e os envia através da rede, que é apenas ummeio físico de transmissão, juntamente com outrasinformações de configuração do programa. Já o clienteapenas recebe os sinais do servidor, realizando apartir daí as mesmas funções executadas no servidor.

O programa faz a aquisição de no máximo 4canais analógicos, que pode ser expandida até 16canais, caso se queira realizar a monitoração de ummaior número de pontos, sendo necessário para issouma reprogramação do software. Estes 4 canaispodem ser habilitados ou desabilitados pelo usuário nomódulo de configuração dos canais, dependendo dadisponibilidade ou não destes canais, onde também éinserido a descrição de cada canal.

Os sinais aquisitados e transmitidos sãoexibidos em um display (gráfico) na tela docomputador, o sinal que pode ser escolhido dentro dasopções: aceleração, velocidade e deslocamento. Alémde ser mostrado ainda o espectro do sinalcorrespondente. Podendo apenas um canal sermostrado de cada vez. No programa há a presençaainda de:" Um controle para o modo de exibição das

grandezas que contém os seguintes valores:RMS, Pico e Pico a Pico;

" Um controle para o modo de exibição da janela doespectro, que dentre vários valores, é utilizadocomo padrão o Hanning;

Acelerômetros – Axial eHorizontal Acelerômetros –

Axial e Horizontal

sensores deTemperatura

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" Uma janela para entrada dos valores dosparâmetros do filtro: freqüências de corte superiore inferior, topologia e ordem;

" Os valores dos níveis globais de deslocamentoem cada canal;

" LED’s que indicam a ocorrência de eventos,podendo adquirir as cores: verde, amarelo evermelho.

As cores de cada LED são definidasbaseadas nos valores globais de deslocamento decada canal e também nos limites estabelecidos nomódulo de configuração do arquivo servidor. A corverde indica que os valores globais estão abaixo dolimite (o deslocamento do compensador está em umnível seguro); a cor amarela indica que os valoresglobais entraram na faixa dos 10% abaixo do limiteestando próximos dos valores críticos e a corvermelha indica que os valores globais ultrapassaramos valores limites e assim o deslocamento nocompensador é bastante crítico. A gravação dos sinaisem arquivo é feita quando os LED’s se tornamvermelhos.

Figura 7 – Tela do Vibrocomp - Monitoração davibração dos CS da SE Vila do Conde .

Figura 8 – Gravação de eventos

Todos estes arquivos podem ser visualizadosposteriormente através do módulo de leitura tambémdisponível no menu. Como os sinais são sempregravados em aceleração, no momento de sua leitura ousuário tem a opção de visualizar o mesmo sinal tantoem aceleração quanto em velocidade. Édisponibilizada uma lista com o nome dos arquivosque encontram-se no diretório, onde no nome de cadaarquivo pode ser visto o canal de onde foi gravado,bem como a data e a hora da gravação.

FIGURA 9 – Acelerômetros colocados no lado do anelcoletor

FIGURA 10 – Acelerômetros colocados no lado dabomba

FIGURA 13 – Condicionadores de sinal do protótipo.

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FIGURA 14 – Interface com o computador

FIGURA 15 – Computador colocado na sala do CS

3.3 Substituição dos registradores de temperaturados CS das Ses de Vila do Conde e Marabá.

Na aquisição dos CS foi instalado localmenteum sistema de monitoração de temperatura quemonitorava diversos pontos do mesmo Este sistemaregistrava os valores de temperatura utilizando-se depequenas penas que deslizavam sobre o papelregistrando seu valor. Com o passar do tempo estesistema foi ficando ultrapassado e sua manutençãocada vez mais difícil devido dificuldades de reposiçãode peças. O sistema proposto para sua substituição,aproveita os pontos de temperatura antes utilizadospelo antigo sistema de monitoração, registrando osvalores de temperatura e alertando as ocorrências desobre aquecimento do CS, sendo acionado alarmesvisuais e sonoros. O programa fornece a visualizaçãográfica de uma temperatura ou de mais de uma aomesmo tempo.

FIGURA 16 – Tela do programa de Monitoração daTemperatura dos CS da SE Vila do Conde

4.0 ESTADO ATUAL E RESULTADOS EALCANÇADOS:

Os instrumentos virtuais criados e apresentadosanteriormente estão sendo gradativamenteimplantados nas instalações. O sistema demonitoração da vibração dos CS da Subestação deVila do Conde foi instalado e está sendoacompanhado. Os sistemas de monitoração dehidrogeradores serão instalados na UHE Samuel eTucurui, O material para a substituição dosregistradores gráficos estão já foram comprados e noatualmente aguardam uma parada dos equipamentospara serem instalados.

5.0 CONCLUSÕES

As vantagens da utilização da instrumentaçãovirtual são enormes, permitindo um acompanhamentocontínuo do estado operativo dos equipamentos a umcusto relativamente baixo.

Toda informação que pode ser captada deatravés de sensores pode ser digitalizada, tratada,analisada, armazenada e transmitida, possibilitandoinúmeras oportunidades de melhorias emequipamentos e na operação dos mesmos. Istorepresenta uma grande ferramenta de apoio àimplantação da manutenção preditiva e na diminuiçãodo tempo de indisponibilidade de equipamentos.

6.0 BIBLIOGRAFIA

(1) JAMAL, R., PICHLIK, H. LabVIEW applications andsolutions. National Instruments. Estados Unidos(2) National Instruments. G programmingreference manual; Estados Unidos