Controle preditivo de bombas hidráulicas em sistemas de distribuição de água por otimização de modelos dinâmicos

• Processo: 15/08665-7
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas - PIPE
• Vigência: 01 de junho de 2016 - 31 de maio de 2018
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Sanitária - Recursos Hídricos
• Convênio/Acordo: FINEP - PIPE/PAPPE Subvenção
• Pesquisador responsável: Ronaldo Antônio da Silva
• Beneficiário: Ronaldo Antônio da Silva
• Empresa Sede: ISystems Automação Industrial S/A
• Município: Campinas
• Bolsa(s) vinculada(s): 16/05665-9 - Bolsista técnico para modelagem e aplicação, BP.TT; 16/05646-4 - Bolsista para desenvolvimento de software, BP.TT; 16/06385-0 - Bolsista para otimização computacional, BP.TT
• Assunto(s): Controle preditivo Distribuição de água Energia hidráulica Bombas hidráulicas Sistemas dinâmicos Desenvolvimento de software
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Bombas hidraúlicas | Controle Preditivo | distribuição de água | Modelos Dinâmicos | Otimização de Modelos | Controle de Equipamentos

Resumo

O projeto propõe a criação de um software para o controle de bombas em sistemas de distribuição de água a partir da otimização de modelos dinâmicos, com estimação de parâmetros (off-line) e de estados (on-line). A otimização levará em conta o modelo hidráulico, as restrições operacionais, a curva de demanda de água dos usuários da rede e os custos de energia para encontrar os melhores sinais de controle por todo um horizonte temporal, planejando ações com base na predição do estado futuro do sistema. Os objetivos principais deste controle serão a redução de pressão na rede, o que diminui os vazamentos e as perdas de água, e a redução dos custos de energia elétrica. O modelo completo possui vários componentes. O mais importante é a hidráulica da rede, cuja arquitetura depende do sistema real a ser controlado e cujos parâmetros serão estimados por um otimização off-line, que pode ser feita com a mesma tecnologia da otimização para o controle. O modelo também deve incluir uma curva de demanda de água dos usuários da rede, que pode ser extraída a partir de dados históricos ou mesmo estimada em tempo real a partir de predição de séries temporais. As restrições operacionais são definidas pelo usuário (ex. operador) e permitem que a otimização só considere soluções que sejam viáveis de serem implementadas. Por fim, o modelo necessita dos custos de energia elétrica e das eficiências das bombas. Os produtos existentes no mercado e os trabalhos acadêmicos na área de distribuição de água focam no escalonamento das bombas com o uso de modelos estacionários e não no controle em tempo real. Apesar da otimização de modelos dinâmicos ser mais difícil que a de modelos estáticos, a primeira engloba a segunda, portanto o problema de escalonamento é apenas um subproblema do caso mais geral. Um controle em tempo real a partir de um modelo dinâmico, por outro lado, consegue lidar com variações rápidas e rejeitar distúrbios, que podem ser calculados a partir da estimação de estados (problema complementar ao de controle). Um dos focos da pesquisa será a investigação de maneiras de resolver o problema dinâmico em tempo hábil, seja com técnicas tradicionais de otimização (ex. programação convexa) ou com meta-heurísticas (ex. algoritmos genéticos). O problema de controle, estimação de estados e estimação de parâmetros são resolvidos com otimização, cujo tipo (ex. linear, convexo, inteira, etc.) depende do modelo hidráulico. Uma bomba sem inversor de frequência, por exemplo, só pode ser ligada ou desligada, gerando um problema combinatório binário. Devem ser investigadas maneiras de resolver cada problema possível de surgir a partir dos modelos contemplados. A arquitetura do modelo, as restrições operacionais (ex. mínimos e máximos, objetivos, etc.) e o resultado do controle serão configurados e exibidos por uma interface gráfica. O software irá se comunicar com o sistema real via um sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) que já deve estar instalado e configurado para controlar a rede. A comunicação com o SCADA será feita partir do protocolo de comunicação para processos industriais OPC. O software será testado no benchmark da rede Van Zyl, o único problema padrão na literatura de controle e distribuição de água. (AU)