Instruções Técnicas Virtuais de Manutenção e Operação em uma Subestação Elétrica

Igor S. M. Melo, Manoel R. Filho,Caio C. Moreira,Pebertli N. A. Barata

Programa de Pós-Graduação em Eng. Elétrica (PPGEE) Universidade Federal do Pará (UFPA)

Belém – PA– Brasil; email: ivoquimico; caioxmoreira; pebertli ; @gmail.com;

mrf@ufpa.br

Jefersson M. Cury, Sergio L. Zaghetto, Luiz O. S. Lima Eletrobras – Eletronorte

Belém – PA– Brasil email: Jefersson.cury; sergio.zaghetto ; luiz.sinimbu ;

@eletronorte.gov.br

Abstract Technical Instructions (TIs) are tools used to aid the

training of professionals where generally the description of

activities is presented in text format and 2D drawings, being

widely used for training of maintenance and operations in

Electrical Substations. This paper presents a virtual training

system, based on an authoring system, which were implemented

several improvements in the interaction, immersion, sound and

appearance. These improvements made the system more realistic

by increasing the gain in professionals' learning. The virtual

system presented is a virtual reality environment that represents an

electrical substation, where the user performs the TIs, interacting

with the environment, including use of avatars.

Virtual reality; transmission systems; instruções técnicas, treinamentos.

Resumo Instruções Técnicas (ITs) são ferramentas utilizadas no

auxilio do treinamento de profissionais onde geralmente a

descrição das atividades é apresentada em formato textual e

desenhos em 2D, sendo bastante utilizadas para treinamentos de

manutenções e operações em Subestações Elétricas. Este artigo

apresenta um sistema de treinamento virtual, baseado em um

sistema de autoria, em que foram implementadas diversas

melhorias quanto à interação, imersão, som e aparência. Essas

melhorias tornaram o sistema mais realístico, aumentando o

ganho no aprendizado dos profissionais.O sistema virtual

apresentado é uma ambiente de realidade virtual que representa

uma subestação elétrica, onde o usuário realiza as ITs,

interagindo com o ambiente, inclusive usando avatares.

Realidade virtual; sistemas de transmissão; instruções

técnicas, treinamentos.

I. INTRODUÇÃO

A Realidade Virtual (RV) se integra a outras áreas do conhecimento (como as engenharias, arquitetura, medicina) para produzir ambientes que contenham elementos com comportamento realista. O processamento em tempo real de interações dos usuários é um requisito obrigatório e um ou mais sentidos do usuário podem ser explorados em sistemas de RV. Em [1] é demonstrado o aspecto multidisciplinar dos sistemas de RV sendo destacada sua importância para o treinamento.

Este artigo apresenta dois sistemas de treinamento: um de operação e um de manutenção baseado nas instruções técnicas de uma subestação elétrica. As referencias [2] [3][4] apresentam um sistema de autoria para construção de instruções técnicas virtuais de operação e manutenção de

uma Usina Hidrelétrica (UHE). O presente artigo usou este sistema de autoria, com a implementação das seguintes melhorias: utilização de alarmes visuais e sonoros nos sistemas de operação, assim como narrativa, instruções, ruídos sonoros dos equipamentos por meio de áudio, e uso intensivo de ferramentas nos procedimentos de manutenção. A construção das IT’s de operação e manutenção em subestações elétricas, demonstram a generalidade do sistema de autoria para a construção de instruções técnicas. Para demonstrar a eficácia do sistema foram implementadas duas instruções técnicas virtuais, uma de manutenção e outra de operação, usando como referencia para o desenvolvimento a subestação elétrica de Vila do Conde no estado do Pará.

O artigo apresenta a seguinte disposição no item 2 serão mostrados trabalhos relacionados, no item 3 é feita uma breve apresentação do sistema de autoria, no item 4 Serão apresentados os resultados obtidos neste trabalho, no item 5 são feitas as conclusões referentes ao que será aqui apresentado e no final são apresentados os agradecimentos e as referências bibliográficas utilizadas.

II. TRABALHOS RELACIONADOS

O treinamento é uma forma específica de aquisição do conhecimento que, na maioria das vezes, é um processo caro e envolve riscos físicos aos aprendizes. Esta forma de aprendizado possibilita que o profissional repita a atividade e analise seu desenvolvimento, construindo uma base sólida de conhecimento [5]. Nesta sessão serão mostrados alguns trabalhos relacionados de treinamento de manutenção, operação e avaliação de tarefas pré-definidas.

Na área da engenharia, mais especificamente em subestações elétricas, o trabalho [6] apresenta uma metodologia que tem sido desenvolvida e implementada com sucesso na maneira de criar modelos virtuais completos para subestações. O autor descreve diferentes estágios no processo de modelagem, mostrando como tem enfrentado os problemas para representar objetos reais. Também expõe fatores necessários na construção dos modelos e mostra uma aplicação sobre a subestação de Xochimilco, no México. Essa subestação tem a intenção de ser expandida, mas há dúvidas sobre a viabilidade do projeto devido ao espaço disponível. Sendo este um dos motivos para ser construída virtualmente. Por fim, conclui que os modelos tridimensionais possibilitam uma melhor perspectiva sobre os projetos, até antes de serem executados, e dá a chance de testar várias possibilidades com alto grau de realismo.

Outro artigo da área, [7], mostra uma aplicação denominada PDA (Power Distribution Application), baseada em RV do tipo desktop, para treinamento de pessoas associadas à operação manual de equipamentos dessas subestações. O objetivo do PDA é melhorar o modo guiado do SGI Simulator, um sistema amplamente usado pela empresa espanhola de geração e distribuição de energia elétrica, IBERDROLA, para o treinamento de operadores na execução de manobras locais nas subestações onde não existe automação ou comando remoto, e um ambiente virtual com um conjunto de modelos tridimensionais de diferentes tipos de subestações.

O PDA é composto por dois sistemas independentes: um simulador de plantas (SGI Simulator) e o Assistente. Este último controla e supervisiona a execução dos exercícios do usuário de duas formas: reativa e pró-ativa. A reativa consiste na geração de explicações quando o usuário cometer um erro e a pró-ativa consiste em explicações sobre diferentes aspectos de manobras e equipamentos elétricos.

O sistema proposto possui três funções principais que

permitem que o operador aprenda: a aparência, topologia e localização física dos equipamentos elétricos, como operar, local e remotamente, disjuntores, interruptores e etc. e como operar a subestação e ver seus efeitos no SGI Simulator a fim de seguir corretamente os procedimentos de operação estabelecidos. O autor conclui que o desenvolvimento do PDA demonstrou ser viável para a empresa IBERDROLA devido ao seu baixo custo utilizando a arquitetura de RV do tipo desktop e enfatiza a capacidade de gerar automaticamente modelos tridimensionais de simples linhas de diagramas.

III. SISTEMA DE AUTORIA

O sistema de autoria foi desenvolvido totalmente utilizando software livre: a linguagem adotada foi o C++, auxiliada pelo motor gráfico OGRE3D [8], e pelo framework de interface Qt [9]. C++ é a linguagem mais popular em se tratando de desenvolvimento de aplicações 3D [10]. O Ogre3D trabalha manipulando outras bibliotecas gráficas de nível mais baixo (nível da GPU), como Direct3D e OpenGL, disponibilizando funções de nível mais alto sem a necessidade de programação no nível da GPU. Como o Ogre3D não oferece um bom suporte à interface para usuário, foi necessário o auxílio da biblioteca especializada Qt, que permitiu a construção da interface visual (por meio da GUI) como também não visual, por meio de teclado e mouse.

As Instruções Técnicas Virtuais definidas segundo [2] e [3], são o produto construído a partir do Sistema de Autoria. Estas Instruções Técnicas que podem ser de Manutenção ou de Operação utilizam modelos 3D da construção civil das usinas, Subestações, assim como, dos equipamentos (turbinas, geradores, Disjuntores, Transformadores, etc), para representar de forma realística os processos de manutenção e operação em uma subestação elétrica, esta semelhança com a realidade é obtida por meio do uso de técnicas de Realidade Virtual para simular os procedimentos, inclusive com a

utilização de avatares, para demonstrar a intervenção de mantenedores e operadores nas unidades virtuais.

A ideia principal de uma Instrução Técnica Virtual é transformar a descrição textual de uma ITM (instrução técnica de manutenção) ou ITO (Instrução técnica de operação) em aplicação visual e interativa do processo,tornando o aprendizado mais atraente. A construção de uma Instrução Técnica Virtual pode ser dividida em partes: A coleta de dados sobre todos os aspectos referentes a manutenção , ambiente onde será executada a manutenção, as ferramentas que serão utilizadas, as peças que serão manipuladas, quantidade de mantenedores e itens de segurança para o procedimento; A modelagem 3D (utilizando softwares para tal como: 3DS Max ou o Blender) de todas as peças, ferramentas, mantenedores, espaço físico itens de segurança, assim como a produção das texturas com editores de imagens profissionais para dar maior realismo a cena; e a construção da Instrução propriamente dita que consiste no carregamento de todos os modelos 3D que foram construídos para dentro do ambiente virtual e a partir daí montada passo a passo toda as condições e procedimentos necessários para realização de uma manutenção por exemplo,cada passo realizado tem uma linha de tempo de execução no sistema que marca o inicio e o final de uma ação.

Uma das melhorias acrescentadas ao sistema foi a inserção de áudio, dando agora um maior realismo e sensação de imersão ao treinamento, já que os sons são 3D (percebe-se direção que o som esta sendo emitido, também se nota um aumento da intensidade sonora a medida que se aproxima e uma diminuição nesta intensidade ao se afastar da fonte sonora). O áudio esta presente nas Instruções Técnicas Virtuais na forma de narrativas e apresentações ao longo da execução das Instruções, assim como aparece também como alertas sonoros de alarmes, sons que representam o funcionamento de motores, por exemplo, ou qualquer outra ferramenta que se queria acrescentar o seu ruído.

Juntamente com os alarmes sonoros também foi inserido um modulo de alarme visual para ser utilizado durante os procedimentos de simulação das manutenções e operações, estes alarmes visuais trazem ao treinamento situações que acontecem no ambiente real e assim enriquece ainda mais o procedimento de treinamento pois a partir destes alarmes o usuário que esta realizando treinamento é obrigado a realizar ações para solucionar os problemas que aparecerem ao decorrer do processo de treinamento.

IV. RESULTADOS

Nos resultados será apresentada a construção de duas Instruções Técnicas virtuais uma de manutenção e uma de operação respectivamente nesta ordem utilizando o sistema de autoria acima mencionado para as construções. A Instrução técnica de manutenção consiste na desmontagem e manutenção do Disjuntor Merlin Gerin ou Inebrasa a Gás SF6 modelo FA4 de 500KV com resistor, pertencente ao Sistema de extinção de arco do sistema de transmissão de uma Subestação Elétrica.

A Instrução Técnica de manutenção é iniciada com o Disjuntor no pátio da subestação, em seguida é removido para a oficina, na oficina ele fica sobre o carrinho ao qual é fixado para realização das manobras de manutenção já sem a Coluna Suporte, o Suporte do Pólo e o Acumulador, como mostra a Fig.1.

Figura 1. Conjunto do Disjuntor sem a coluna suporte, suporte do polo e

acumulador.

Com a utilização das ferramentas e os equipamentos como a Talha Elétrica, que serão necessários para a desmontagem do Disjuntor, inicia-se os procedimentos para a desmontagem do restante do conjunto do Disjuntor ao qual o usuário ira interagir diretamente nas operações virtuais de manutenção que estão sendo executadas. O conjunto é colocado na posição correta em relação à talha e é solicitado ao usuário que ele selecione a fita de amarração, então se segue a desmontagem do restante das partes do disjuntor com diversas interações dos usuários até o final do processo, obedecendo alguns pré-requisitos principalmente de segurança.

Os procedimentos de desmontagem seguem por etapas, após a separação do disjuntor em partes (dois capacitores, dois resistores, duas câmaras e um Carter), começa a desmontagem de cada uma destas partes, com exceção dos capacitores que não são desmontados apenas são feitas medições para verificar se ainda estão em bom estado para funcionamento. Na câmara existem os contatos Fixo e Móvel que são retirados para os procedimentos de manutenção.

Todos os equipamentos que são utilizados na construção da Instrução Técnica Virtual de Manutenção como o conjunto do Disjuntor, o carro, as ferramentas, o prédio da oficina a talha elétrica, foram modelados previamente utilizando o software 3D Studio Max, as texturas foram feitas utilizando GIMP, as técnicas presentes nesta fase estão presentes em [11] [12]. As instruções para os procedimentos de desmontagem e montagem bem como precondições foram fornecidas pelos engenheiros e técnicos responsáveis por auxiliar no fornecimento de material de apoio ao projeto.

A Instrução Técnica Virtual de Operação do disjuntor, começa com um passeio pelo pátio da subestação Vila do Conde, como mostra a Fig. 2 que foi modelada neste projeto junto com todos os equipamentos presentes nela como:

transformadores, para raios, seccionadoras, casa de relés, sala de serviço auxiliar, sala de comando, armários hidráulicos e elétricos, disjuntores, reatores, linhas de transmissão e etc. Também foram modelados avatares que representaram os mantenedores dentro da subestação.

Nas Instruções Técnicas Virtuais de Operação ficam bem mais evidentes as melhorias introduzidas e apresentadas neste trabalho, à apresentação do Pátio da Subestação é feita a partir da narração de uma locutora, nela é descrito as partes integrantes do sistema. Também é mostrada a sala de comando onde os operadores monitoram e interveem os equipamentos da subestação em computadores via o programa SAGE [13].

Figura 2. Avatar monitorando o estado de equipamentos da subestação.

A apresentação dos alarmes tanto visuais quanto sonoros presentes no Sistema SAGE obrigarão ao usuário tomar a ação correta para solução dos problemas apresentados durante a execução da Instrução Técnica Virtual de Operação. Para cada problema apresentado no sistema existe um som característico emitido, assim como uma tela de alarme visual correspondente ao problema, exemplificado na Fig. 3.

Figura 3. Tela de alarme do SAGE.

A seguir é necessario o usuario interagir com o sistema clicando no icone correspondente ao som, fazendo assim que o alarme sonoro pare de soar, como mostra a Fig.4 , depois de reconhecido o problema deve-se entra em contato

por meio de radio com o responsavel pela manutenção no patio para que seja realizado o procedimento necessário para a correção do problema, como mostra a Fig.5.

Figura 4. Tela para desativação do alarme sonoro.

Figura 5. Avatar acionando a manutenção por meio de radio.

V. CONCLUSÃO

O artigo apresenta nos resultados, a eficácia da utilização de Instruções Técnicas Virtuais de Manutenção e Operação e como estas facilitam no treinamento de profissionais de subestações elétricas. As melhorias propostas foram apresentadas no decorrer do trabalho e se mostraram bastantes eficazes no auxilio do aprendizado.

O sistema apresentado possui vantagens se comparado aos trabalhos [6] e [7]. Entre elas, a possibilidade de animação de avatares, som ambiente e som tridimensional específico, confere um maior grau de realismo. Uma outra vantagem é o modo de autoria, onde o usuário pode criar novos passos ou modificar os já existentes, assim os mantenedores e operadores podem se sentir confortáveis para consertar possíveis enganos ou atualizar novos procedimentos. Por fim, a aparência e o detalhamento das peças, que são modeladas seguindo uma linha organizada de procedimentos, possibilitam aos profissionais conhecer os componentes, ferramentas e os ambientes de trabalho de

maneira praticamente real, e então, ao se deparar com os mesmos em campo, já possuem certa familiaridade devido ao treinamento prévio com o sistema.

O resultado alcançado foi uma maior confiabilidade das intervenções por parte dos mantenedores e operadores, uma melhoria do capital intelectual e do treinamento gerencial. Obteve-se um retorno prático dos mantenedores e operadores da instalação quanto à facilidade e didática dos usuários no espaço virtual, através de treinamento da sua aplicação, visualizando, manipulando e explorando objetos e dados virtuais (com interações em tempo real), que representam objetos e dados reais manipulados pelos técnicos em seu dia-a-dia, conseguindo assim promover ações e soluções de melhorias, capazes de aumentar a disponibilidade de geração e maximizar os resultados definidos em conformidade com às práticas e padrões de trabalho de excelência da empresa.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Eletrobrás Eletronorte pelo financiamento dos projetos que resultaram nos sistemas e Instruções Técnicas Virtuais apresentados nesse artigo.

REFERÊNCIAS [1] L.S. Machado, and R.M. Moraes, “Intelligent Decision Making in

Training Based on Virtual Reality,” In: Da Ruan. (Org.) Computational Intelligence in Complex Decision Systems, Chapter 4. Atlantis Press, 9789078677277 , Paris.

[2] Junior, A. P.; Ribeiro filho, M.; Barata, P. N. A.; Nascimento, M. A.; Silva, F. N.; Moreira, P. I. C. Instruções Técnicas De Manutenção E Operação Virtuais De Uma Unidade Geradora Hidráulica. In: SNPTEE – SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, 20., 2009, Recife.

[3] Barata, P. , Nascimento, M., Filho, M.,Filho, M., Júnior, A.,Silva, F. e Moreira, P. (2009) “Virtual Technical Instructions of Maintenance and Operation of a Hydraulic Generating Unit”, SRV 2009, Brasil.

[4] Filho, M., Barata, P.,Nascimento, M., Júnior, A. (2012) “Laboratório de Realidade Virtual”, http://www.larv.ufpa.br/.

[5] Silva, E. Silva, J. Miranda, and M. Hounsell, “Diferenças entre Educação e Treinamento em Ambientes Virtuais 3D,” IX Symposium on Virtual and Augmented Reality (SVR 2007) – Petrópolis, RJ.

[6] J. Quintana, and E. Mendonza, "3D Virtual Models Applied in Power Substation Projects," Intelligent System Applications to Power Systems (ISAP 2009), Nov. 2009, pp. 8-12, doi: 10.1109/ISAP.2009.5352921.

[7] E.Arroyo, and L.L.J. Arcos, "SRV: A Virtual Reality Application to Electrical Substations Operation Training," Proc. IEEE Multimedia Computing and Systems (ICMCS 99), IEEE Press., Jul. 1999, pp. 835-839, doi: 10.1109/MMCS.1999.779309.

[8] G. Junker, “Pro Ogre 3D Programming,”, Apress, USA, 2006.

[9] J. Blanchette, and M. Summerfield, C++ GUI Programming with Qt 4, Prentice Hall, USA, 2006.

[10] H. Deitel, and P. Deitel, C++ How to Program, 6ª edição, Prentice Hall, USA, .

[11] K.L. Murdock (2007).3DS Max 9 Bible. Wiley Publishing.

[12] Y. Clinton, “Game Character Modeling and Animation with 3ds Max,” Focal Press, USA, 2007.

[13] S. P. Capella, and G. R. A. M. Moreira, “Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia- SAGE:uma ferramenta para Operação e Gestão Eficientes” 2007, Belo Horizonte/ MG.