Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2015-11-23T18:36:57Z No. of bitstreams: 1 Ricardo Machado Dias_.pdf: 9738672 bytes, checksum: 93b61d762b320f8c388034ac9d4ea82c (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-23T18:36:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ricardo Machado Dias_.pdf: 9738672 bytes, checksum: 93b61d762b320f8c388034ac9d4ea82c (MD5) Previous issue date: 2015-06-19 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho trata do desenvolvimento e do comissionamento de uma microrrede fotovoltaica de 1680 W pico conectada/isolada com estocagem para gerenciamento e controle de uma carga considerada crítica. Esta microrrede, empregando duas tecnologias de módulos, foi instalada no Laboratório de Energias Renováveis da Unisinos. A microrrede é composta de dois painéis de módulos, um de 1080 W de silício multicristalino, e um de 600 W de silício monocristalino. O primeiro é do sistema conectado à rede e o segundo é do sistema isolado, respectivamente. O sistema de gerenciamento e controle, chamado de supervisório, monitora e controla as duas redes através do sistema de aquisição de dados, que possui como tarefa o armazenamento dos dados em um cartão de memória além de mostrar em tempo real as variáveis envolvidas no processo através de um display de cristal líquido. São feitas análises dos valores de correntes e tensões, tanto alternada quanto contínua, para determinação das potências de entrada e de saída dos equipamentos envolvidos no processo, como também variáveis como temperatura ambiente e do painel FV e irradiância. A proposta deste estudo é demonstrar a disponibilidade do sistema para satisfazer uma carga que pode ser considerada como um processo crítico, a fim de entregar uma potência constante para a carga. Para isto, é necessário que a carga seja comutada entre os sistemas conectado à rede e isolado de acordo com as variáveis analisadas pelo sistema de aquisição de dados. As análises dos dados são divididas em duas partes: sistema FV conectado à rede e sistema isolado. Para cada sistema, foi analisado o comportamento da tensão, corrente e potência dos painéis fotovoltaicos, assim como o comportamento dos inversores e banco de estocagem de energia, considerando dias com céu claro e céu nublado. Para o dia de céu claro analisado, foi injetado na rede da concessionária 5,8 kWh de energia. A eficiência global, ηs deste sistema conectado ficou na ordem de 9 %. O sistema de aquisição de dados e controle da microrrede mostrou-se adequado com o propósito de alimentar a carga em permanência. Sempre que a rede da concessionária é desligada, a carga é automaticamente direcionada para o sistema isolado. Quando o banco de estocagem atinge 50 % de sua capacidade, a carga volta a ser alimentada pelo sistema conectado em paralelo com a rede da concessionária. / This work deals with the development and commissioning of a photovoltaic micro-grid 1680 W connected/alone with storage for management and control of a load considered critical. This micro-grid, employing two PV modules technologies, was installed on Renewable Energy Laboratory at Unisinos. The micro-grid panels is composed of two modules, a 1080 W multicrystalline silicon, and a 600 W of monocrystalline silicon. The first is a grid-connected system and the second is a stand-alone system, respectively. The management and control system, called supervisory, monitors and controls the two systems via data acquisition, which has the task of storing the data on a memory card in addition to showing real-time variables involved in the process through a liquid crystal display. Are made analysis of current values and voltages, AC and DC, to determine the input and output power of the equipment involved in the process, as well as variables such as ambient temperatures and PV module and irradiance. The purpose of this study is to prove availability of the system to meet a load that can be considered as a critical process, in order to maintain a constant power to the load. For this, it is necessary that the load is switched between systems connected to the grid and alone, according to the variables analyzed by the data acquisition system. The analyzes of the data are divided into two parts: PV grid-connected and alone system. For each system, the behavior of tension was analyzed, current and power of the PV panels, as well as the behavior of inverters and power storage bank, considering days with clear skies and overcast sky. For clear sky days analyzed, it was injected into the mains 5.8 kWh of energy. The overall efficiency of this system connected, ηs is 9 %. The data acquisition and control system micro-grid was adequate for the purpose of feeding a remaining charging. Whenever, the mains is switched off, the load is automatically directed to the alone system. When the storage capacity of the database reaches 50%, the load is once again powered by the connected system in parallel with the utility grid.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Motor generator sets are widely used to generate electricity in case of grid failure or to supply part of the demand for commercial and industrial consumers. The vast majority of motor generator sets work with constant speed proportional to the grid frequency or to the frequency that is imposed on the load. As a consequence, the motor operates at a speed that does not always correspond to the speed that provides the lowest fuel consumption and/or lower emissions. Aiming to promote degrees of freedom to optimize the performance of motor generator sets, this dissertation describes a control and supervision method for motor generator sets with variable speed where the internal combustion motor is not directly linked to grid frequency. For this, a method of control and supervision for the converters which are inserted between the generator and the grid is developed in details. Finally, simulation and experimental results are presented to demonstrate the performance of the proposed method. / Grupos motores geradores são largamente utilizados para a geração de energia elétrica em caso de falta na rede ou para suprir parte da demanda dos consumidores comerciais e industriais. Na sua grande maioria, grupos motores geradores trabalham com velocidade constante proporcional à frequência da rede ou à frequência que está sendo imposta à carga. Desta forma, o motor opera a uma velocidade que nem sempre corresponde à velocidade que proporciona o menor consumo de combustível e/ou menor emissões de gases poluentes. Visando promover graus de liberdade para otimizar o desempenho de grupos motores geradores, esta dissertação descreve um sistema de controle e supervisão para grupos motores geradores que operam em velocidade variável onde a rotação do motor de combustão interna não está diretamente vinculada com a frequência da rede. Para tanto, propõe-se a utilização e desenvolve-se em detalhes um método de controle e supervisão para os conversores que são inseridos entre o gerador e a rede. Por fim, são apresentados resultados de simulação e experimentais que comprovam o desempenho do método proposto.

Os Sistemas Supervisórios (SS) executam diversas funções vitais em um processo automatizado e também operam como interface homem-máquina. Os mesmos recebem informações de dispositivos como Controladores Lógicos Programáveis (CLP), inversores de freqüência, etc, e ao mesmo tempo enviam parâmetros de controle fornecidos pelos operadores do processo aos equipamentos de controle. Na operação de SS, a atuação correta e a experiência dos operadores humanos é portanto também vital no controle do processo automatizado. Em recente trabalho(Andrade-2001) de pesquisa na Escola Politécnica da USP foi desenvolvido um Sistema Especialista para operar em tempo real com Sistemas Supervisórios para auxiliar na tomada de decisão dos operadores do sistema. Ao longo do tempo de operação de uma planta automatizada ocorrem novas situações que passam a compor os novos cenários do sistema e também contribuem para o aumento do conhecimento e da experiência dos operadores humanos. Assim sendo, Sistemas Especialistas constantemente devem ser atualizados com novas regras para atender às novas demandas da planta automatizada. Este trabalho de pesquisa apresenta os resultados obtidos com o Sistema Especialista desenvolvido para operar em tempo real com Sistemas Supervisórios, como também o andamento das pesquisas no campo de aprendizado de máquina e mineração de dados com o objetivo de desenvolver e de habilitar Sistemas Especialistas que operam em tempo real com a capacidade de aprender conforme ocorrem eventos durante o funcionamento de uma planta industrial automatizada. / Supervision systems ( SS ) perform diverse vital functions in an automated process and also operate as a man machine interface. The SS receive informations from devices as programmable logical Controllers (PLC), frequency inverters , etc, and at the same time send parameters of control supplied by the process users to the control equipment. In the SS operation, the correct actions and the experience of the human users are therefore vital in the control of the automated process. In a recent research work(Andrade-2001) of the USP Polytechnic School an Expert System was developed to interact in real time with a SS aiming to help in the decision-making process of the system users. During the operation time of an automated plant new situations occur, which come to compose the new system settings and also contribute to the increasing of the human users\' knowledge and experience. Thus, Expert Systems should be constantly brought up to date with these new rules for attend the new demands of the automated plant. This research work shows the results obtained by the expert system, developed to operate in real time with the supervisory systems. It also shows the course of the researches in the fields of machine learning and data mining with the objective of developing and enabling Expert Systems that operate in real time with the capacity to learn events as they happen during the operation of an automated industrial plant.

Os Sistemas Supervisórios (SS) executam diversas funções vitais em um processo automatizado e também operam como interface homem-máquina. Os mesmos recebem informações de dispositivos como Controladores Lógicos Programáveis (CLP), inversores de freqüência, etc, e ao mesmo tempo enviam parâmetros de controle fornecidos pelos operadores do processo aos equipamentos de controle. Na operação de SS, a atuação correta e a experiência dos operadores humanos é portanto também vital no controle do processo automatizado. Em recente trabalho(Andrade-2001) de pesquisa na Escola Politécnica da USP foi desenvolvido um Sistema Especialista para operar em tempo real com Sistemas Supervisórios para auxiliar na tomada de decisão dos operadores do sistema. Ao longo do tempo de operação de uma planta automatizada ocorrem novas situações que passam a compor os novos cenários do sistema e também contribuem para o aumento do conhecimento e da experiência dos operadores humanos. Assim sendo, Sistemas Especialistas constantemente devem ser atualizados com novas regras para atender às novas demandas da planta automatizada. Este trabalho de pesquisa apresenta os resultados obtidos com o Sistema Especialista desenvolvido para operar em tempo real com Sistemas Supervisórios, como também o andamento das pesquisas no campo de aprendizado de máquina e mineração de dados com o objetivo de desenvolver e de habilitar Sistemas Especialistas que operam em tempo real com a capacidade de aprender conforme ocorrem eventos durante o funcionamento de uma planta industrial automatizada. / Supervision systems ( SS ) perform diverse vital functions in an automated process and also operate as a man machine interface. The SS receive informations from devices as programmable logical Controllers (PLC), frequency inverters , etc, and at the same time send parameters of control supplied by the process users to the control equipment. In the SS operation, the correct actions and the experience of the human users are therefore vital in the control of the automated process. In a recent research work(Andrade-2001) of the USP Polytechnic School an Expert System was developed to interact in real time with a SS aiming to help in the decision-making process of the system users. During the operation time of an automated plant new situations occur, which come to compose the new system settings and also contribute to the increasing of the human users\' knowledge and experience. Thus, Expert Systems should be constantly brought up to date with these new rules for attend the new demands of the automated plant. This research work shows the results obtained by the expert system, developed to operate in real time with the supervisory systems. It also shows the course of the researches in the fields of machine learning and data mining with the objective of developing and enabling Expert Systems that operate in real time with the capacity to learn events as they happen during the operation of an automated industrial plant.

Este trabalho tem por objetivo atualizar um Sistema Flexível de Manufatura, (SFM) didático, que devido às suas características construtivas apresentava inúmeras dificuldades de operação e manutenção, necessitando sempre de mão de obra altamente especializada. As dificuldades com a manutenção tornavam o SFM totalmente inoperante para a utilização nas aulas de uma das unidades da escola SENAI, o que prejudicava as atividades práticas, em laboratório, das disciplinas do curso técnico da área de produção. O projeto deste trabalho consistiu em uma reengenharia completa da parte elétrica de um Veículo Guiado Automaticamente (AGV) como também no desenvolvimento de um sistema supervisório, que comanda a comunicação entre os CNCs, AGV e computadores. Após as modificações efetuadas, os alunos das disciplinas da área de produção poderão interagir com o sistema, modificando a logística de produção conforme as necessidades didáticas a serem estudadas. Por outro lado os alunos de automação, por meio do acesso à documentação e à estrutura do sistema de manufatura, poderão desenvolver estudos e possíveis modificações, uma vez que o sistema se tornou mais didático e amigável. / This paper aims to update a didactic Flexible Manufacturing System (FMS) that due to their construction had numerous difficulties in operation and maintenance, and so constantly require manpower to operate and maintain highly specialized. The difficulties with maintaining the SFM became totally irrelevant, for use in the classroom of an unit school SENAI, would hinder the practical activities in the disciplines of laboratory technician course from the production area. The design of this work consisted in re-engineering of the complete electrical part of an Automatically Guided Vehicle (AGV) and development of a supervisory system and communication between the CNCs, AGV and computers. After the modifications to the students of the disciplines of production may interact with the system by modifying the production logistics as required didactic to be studied. Furthermore students automation through access to documentation and structure of the manufacturing system can develop studies and possible changes, since the system became more didactic and friendly.

Driven by intense competition, increasing operational cost and strict environmental regulations, the modern process and energy industry needs to find the best possible way to adapt to maintain profitability. Optimization of control and operation of the industrial systems is essential to satisfy the contradicting objectives of improving product quality and process efficiency while reducing production cost and plant downtime. Use of optimization not only improves the control and monitoring of assets but also offers better coordination among different assets. Thus, it can lead to considerable savings in energy and resource consumption, and consequently offer a reduction in operational costs, by offering better control, diagnostics and decision support. This is one of the main driving forces behind developing new methods, tools and frameworks that can be integrated with the existing industrial automation platforms to benefit from optimal control and operation. The main focus of this dissertation is the use of different process models, soft sensors and optimization techniques to improve the control, diagnostics and decision support for the process and energy industry. A generic architecture for an optimal control, diagnostics and decision support system, referred to here as a learning system, is proposed. The research is centred around an investigation of different components of the proposed learning system. Two very different case studies within the energy-intensive pulp and paper industry and the promising micro-combined heat and power (CHP) industry are selected to demonstrate the learning system. One of the main challenges in this research arises from the marked differences between the case studies in terms of size, functions, quantity and structure of the existing automation systems. Typically, only a few pulp digesters are found in a Kraft pulping mill, but there may be hundreds of units in a micro-CHP fleet. The main argument behind the selection of these two case studies is that if the proposed learning system architecture can be adapted for these significantly different cases, it can be adapted for many other energy and process industrial cases. Within the scope of this thesis, mathematical modelling, model adaptation, model predictive control and diagnostics methods are studied for continuous pulp digesters, whereas mathematical modelling, model adaptation and diagnostics techniques are explored for the micro-CHP fleet. / FUDIPO – FUture DIrections for Process industry Optimization

Com o advento da internet, a comunicação entre sistemas remotos foi amplamente facilitada, tornando viável a aplicação de sistemas supervisórios através dela, principalmente via protocolo TCP/IP. Embora esses sistemas já sejam empregados na indústria, principalmente utilizando como driver os controladores lógicos programáveis (CLP\'s), a implementação de qualquer sistema mais simples de supervisionamento teria um custo elevado, devido tanto ao preço do hardware quanto do software envolvido. Além disso, os programas supervisórios existentes fornecem um número limitado de recursos de visualização, que se restringem principalmente ao software. Assim, o que se propõe nesse trabalho é um sistema supervisório de baixo custo, via TCP/IP, aplicado em máquinas elétricas, mas que pode ser generalizado na supervisão de outros tipos de sistemas, onde o monitoramento remoto é necessário. Além da exibição convencional dos parâmetros supervisionados através de gráficos e labels, o sistema permite também que esses sejam exibidos através de painéis eletrônicos, fornecendo assim, uma nova interface visual ao usuário com o intuito de facilitar sua supervisão. / The advent of internet simplified the comunication between remote systems, allowing the application of supervisory systems through the internet, mainly using the TCP/IP protocol. Although these systems have already been employed in industry, using the Programmer Logic Controller (PLC\'s) as driver, the implementation of any simple supervisory system could have an expensive cost, due to the prices of hardware and software employed. Moreover, the existing supervisory systems provide limited visual resources, restricted to the used software. So, this work presents a low cost supervisory system, via TCP/IP, applied to electric machines but it can be generalized in the supervision of differents types of systems, where the remote monitoring is necessary. Besides the conventional displaying of the monitored parameters through graphics and labels, the developed system allows the exhibition of the supervisioned parameters using eletronic panels, providing an alternative visual interface to the user so that their supervision becomes easier.

La present tesi pretén recollir l'experiència viscuda en desenvolupar un sistema supervisor intel·ligent per a la millora de la gestió de plantes depuradores d'aigües residuals., implementar-lo en planta real (EDAR Granollers) i avaluar-ne el funcionament dia a dia amb situacions típiques de la planta. Aquest sistema supervisor combina i integra eines de control clàssic de les plantes depuradores (controlador automàtic del nivell d'oxigen dissolt al reactor biològic, ús de models descriptius del procés...) amb l'aplicació d'eines del camp de la intel·ligència artificial (sistemes basats en el coneixement, concretament sistemes experts i sistemes basats en casos, i xarxes neuronals).Aquest document s'estructura en 9 capítols diferents. Hi ha una primera part introductòria on es fa una revisió de l'estat actual del control de les EDARs i s'explica el perquè de la complexitat de la gestió d'aquests processos (capítol 1). Aquest capítol introductori juntament amb el capítol 2, on es pretén explicar els antecedents d'aquesta tesi, serveixen per establir els objectius d'aquest treball (capítol 3). A continuació, el capítol 4 descriu les peculiaritats i especificitats de la planta que s'ha escollit per implementar el sistema supervisor.Els capítols 5 i 6 del present document exposen el treball fet per a desenvolupar el sistema basat en regles o sistema expert (capítol 6) i el sistema basat en casos (capítol 7). El capítol 8 descriu la integració d'aquestes dues eines de raonament en una arquitectura multi nivell distribuïda. Finalment, hi ha una darrer capítol que correspon a la avaluació (verificació i validació), en primer lloc, de cadascuna de les eines per separat i, posteriorment, del sistema global en front de situacions reals que es donin a la depuradora / The present document wants to gather the experience obtained in the development of a Supervisory System for optimal WWTP management and control, its implementation in a real plant (Granollers WWTP) and its evaluation in the day-to-day operation with typical plant situations. This Supervisory System combines and integrates classical control of WWTP (automatic controller for maintaining a fixed dissolved oxygen level in the aeration tank, use of mathematical models to describe the process.) with the application of tools from the Artificial Intelligence field (knowledge-based systems, mainly expert systems and cased-based systems, and neural networks).This document has been structured into nine chapters. The first part is introductory with a review of the state-of-the-art in wastewater treatment control and supervision and the explanation of the complexity of WWTP management (chapter 1). This introductory chapter together with the second one, where the antecedents to the present thesis are reviewed, are good for the establishment of the objectives (chapter 3). Next, chapter 4 describes the peculiarities and specificities of the selected plant to implement the Supervisory System.Chapters 5 and 6 of the present document explain the work carried out to develop and build the knowledge base of the rule-based or expert system (chapter 6) and the case-based system (chapter 7). Chapter 8 illustrates the integration of these reasoning techniques into a distributed multi-layer architecture. Finally, there is a last chapter focused on the evaluation (verification and validation) of, first of all, each one of the techniques individually, and lately, of the overall Supervisory System when facing with real situations taking place in the wastewater treatment plant.

Com o advento da internet, a comunicação entre sistemas remotos foi amplamente facilitada, tornando viável a aplicação de sistemas supervisórios através dela, principalmente via protocolo TCP/IP. Embora esses sistemas já sejam empregados na indústria, principalmente utilizando como driver os controladores lógicos programáveis (CLP\'s), a implementação de qualquer sistema mais simples de supervisionamento teria um custo elevado, devido tanto ao preço do hardware quanto do software envolvido. Além disso, os programas supervisórios existentes fornecem um número limitado de recursos de visualização, que se restringem principalmente ao software. Assim, o que se propõe nesse trabalho é um sistema supervisório de baixo custo, via TCP/IP, aplicado em máquinas elétricas, mas que pode ser generalizado na supervisão de outros tipos de sistemas, onde o monitoramento remoto é necessário. Além da exibição convencional dos parâmetros supervisionados através de gráficos e labels, o sistema permite também que esses sejam exibidos através de painéis eletrônicos, fornecendo assim, uma nova interface visual ao usuário com o intuito de facilitar sua supervisão. / The advent of internet simplified the comunication between remote systems, allowing the application of supervisory systems through the internet, mainly using the TCP/IP protocol. Although these systems have already been employed in industry, using the Programmer Logic Controller (PLC\'s) as driver, the implementation of any simple supervisory system could have an expensive cost, due to the prices of hardware and software employed. Moreover, the existing supervisory systems provide limited visual resources, restricted to the used software. So, this work presents a low cost supervisory system, via TCP/IP, applied to electric machines but it can be generalized in the supervision of differents types of systems, where the remote monitoring is necessary. Besides the conventional displaying of the monitored parameters through graphics and labels, the developed system allows the exhibition of the supervisioned parameters using eletronic panels, providing an alternative visual interface to the user so that their supervision becomes easier.

The goal of this project is to develop a system of supervision, communication and control, implemented in a free supervisory software the SCADABR for installed wind farms and/or to be installed in Brazil, from the considerations and recommendations of IEC 61400 - 25. The construction of complete wind farms with full automation, has led entrepreneurs to focus their efforts not only on profit and productivity, but also in: human capital, concerned with the management system, technological mastery and communication at all levels. Information processing with communication, opened borders with new forms of relationship and growing trend in the industrial automation field, which favors different devices to communicate with others in a cooperative way. However, the largest manufacturers of wind generation plants still offer proprietary solutions "black boxes" for the networks field, which results in a variety of protocols of systems, causing the client the full dependence on these suppliers. Aiming interoperability and flexibility of operation, groups of researchers advocate standards of open model, as the solution of networks and protocols for all, leaving customers free. In this struggle, the best-known organization in the field of wind energy is IEC 61400-25, specifically for the monitoring system and free communication among different equipment vendors, nevertheless internal communication of the components of wind power plant is not within the standard. The application range of the standard covers the operation of this kind of wind farm, including wind turbine, meteorological measurement system, electrical system and management system, but does not include the relevant line of the substation feeding and information. Hence, the interaction with the supervisory system SCADABR developed in "open-source" model of free license. It is proposed the application of a multi-platform Java-based, from an application server, like Apache Tomcat the standard choice. Considering the requirements of the present communication model in IEC 61400-25-2 it is defined a model of information for monitoring and control of wind power plants, to this end, part-data simulator MatrikonOPC through customer / OPC DA server interaction (Object Linking and Embedding for Process Control Data Access), with ScadaBR software. / O objetivo da pesquisa é desenvolver um sistema de supervisão, comunicação e controle, implementado em um software de supervisão livre o ScadaBR, para parques eólicos instalados e/ou a serem instalados no Brasil, a partir das considerações e recomendações da norma IEC 61400-25. A construção de parques eólicos completos, com automação total, tem levado os empreendedores a focalizar seus esforços não só no lucro e produtividade, mas também no: capital humano, preocupando-se com o sistema de gestão, domínio tecnológico e comunicação em todos os níveis. O processamento da informação com a comunicação, abriu fronteiras com as novas formas de relacionamento e a crescente tendência na área de automação industrial, favorece que diferentes dispositivos comuniquem-se com outros de uma maneira cooperativa. No entanto, os maiores fabricantes de usinas de geração eólica ainda oferecem soluções proprietárias caixas pretas para as redes de campo, o que resulta numa diversidade de protocolos de sistemas, levando dependência desses fornecedores. Visando a interoperabilidade e flexibilidade de operação, grupos de pesquisadores defendem normas de padrão aberto, como a solução de redes e protocolos para todos, deixando os clientes livres. Nesta luta, a organização mais conhecida na área de energia eólica é a norma IEC 61400-25, especificamente para o sistema de monitoramento e comunicação livre entre diferentes fornecedores de equipamentos, porém a comunicação interna dos componentes da usina de energia eólica não está no âmbito desta norma. A faixa de aplicação da norma abrange parte da operação desse tipo de usina, incluindo turbina de vento, sistema de medição meteorológica, sistema elétrico e sistema de gestão, mas não inclui a linha relevante de alimentação e informação da subestação. Daí a interação com o sistema supervisório ScadaBR, desenvolvido em modelo open-source de licença gratuita. Propõe-se a aplicação de uma multi-plataforma baseada em Java, a partir de um servidor de aplicações, com o Apache Tomcat a escolha padrão. Considerando as exigências do modelo de comunicação presentes na Norma IEC 61400-25-2, define-se um modelo de informação para monitoramento e controle de usinas eólicas, para tal, parte-se do simulador de dados MatrikonOPC, por meio da interação cliente / servidor OPC DA (Object Linkingand Embedding for Process Control Data Access), com o software ScadaBR.