Sistema de registro de consumo via radiofrequência obtém patente

Já imaginou como deve ser difícil realizar medições de consumo de energia em vários sistemas dentro de uma indústria? Com os equipamentos de medição convencionais, muitos metros de fiação e cabeamentos seriam necessários para registrar o consumo em cada ponto de interesse. O professor do Departamento Acadêmico de Eletrônica (Daeln) do Câmpus Curitiba, Fernando Castaldo, desenvolveu o projeto “Sistema Registrador de Consumo para Avaliação de Eficiência Energética composto por redes de sensores cabeados, integradas por radiofrequência em ambientes com blindagem eletromagnética”, o qual utiliza links de radiofrequência em substituição aos sistemas cabeados convencionais. Recentemente, o projeto recebeu a carta patente de invenção do Instituto Nacional da Propriedade Intelectual (INPI), com o registro BR 10 2012 008461 9.

Segundo Fernando Castaldo, o projeto foi desenvolvido para atender a demanda de uma geradora termoelétrica que precisava medir o consumo de energia dos equipamentos internos da usina, para mensurar a eficiência da geração como um todo, projeto realizado em atendimento ao programa de P&D no âmbito da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Um dos requisitos era que o sistema de medição fosse minimamente invasivo, pois seria instalado após a construção da usina e não haveria espaço físico nem sistemas de tubulação para levar a fiação dos medidores para a central de controle. “Outra dificuldade era a de que a maioria dos equipamentos estavam em armários de aço, o que dificultava o deslocamento da fiação, bem como o acesso a eles, pois os armários estavam localizados em vários prédios distintos, separados por cerca de 200 metros cada”, explica.

A solução encontrada pelo pesquisador foi a utilização de links de radiofrequência (RF), que não utilizam fiação para conduzir as medições para a sala de controle por meio de protocolos específicos de gerenciamento de redes, considerando que dezenas de equipamentos deveriam ser monitorados com segurança e confiabilidade. “Restava ainda o fato de que os equipamentos se encontravam no interior de armários de aço, que causam grande interferência nos sinais de rádio impossibilitando a sua leitura na estação remota”, acrescenta Castaldo.

Para resolver essa questão, os sistemas de medição eram cabeados mediante um protocolo de rede específico que interconectava todos medidores presentes em um mesmo conjunto de armários de aço e a partir de um ponto de saída, os sinais agrupados eram transmitidos por links de RF até uma central de roteamento que encaminhava os pacotes de dados para a estação de monitoramento da usina, também por links de RF controlados.

De acordo com o professor, instrumentos convencionais de medição de corrente elétrica apresentam altos custos e considerável complexidade para gerenciamento de dados, tornando-se impróprios quando é necessário instalar um grande número destes dispositivos e monitorar múltiplos pontos de forma contínua e simultânea. Esta inconveniência pode ser contornada a partir da utilização de medidores de baixo custo com capacidade de monitoramento remoto, viabilizando assim o uso em larga escala do sistema de medição. Tais sistemas fornecem leituras em intervalos de tempo que permitem levantar os dados necessários, como por exemplo, o perfil de consumo diário de uma instalação elétrica. Porém, na aquisição de dados sem fio é comum utilizar um transceptor de radiofrequência ligado a cada circuito de aquisição para leitura do valor da tensão, corrente ou potência de um determinado setor da instalação, ramal ou aparelho.

“Assim, são necessários muitos dispositivos transceptores para monitorar todos os possíveis pontos de medição dispersos de uma instalação, aumentando o custo do sistema e as chances de haver colisão de dados e perda de pacotes”, explica.

Além disso, no sistema convencional, a eficiência de transmissão de dados pela rede tem seu potencial reduzido, além de aumentar a poluição eletromagnética do ambiente pelo aumento de dispositivos transmissores de radiofrequência. Assim, a arquitetura do sistema híbrido desenvolvido, contemplando parte cabeada (para ler as informações de interesse a partir do interior dos armários de aço) e transmissão destas informações através de links de radiofrequência constituiu-se na inovação pleiteada ao INPI.

Inovação

No sistema proposto, a medição setorizada e contínua do valor eficaz (RMS, ou Root Mean Square) da corrente consumida por setor de interesse é realizada por meio de elementos sensores, conectados a ramais alocados em quadros de energia ou em outros locais externos, cujos dados  medidos são transferidos localmente por meio de um barramento que provê vias de controle, alimentação e comunicação por meio de protocolo de comunicação digital I2C. Na sequência, as informações são enviados para um banco de dados por meio de uma rede de comunicação em radiofrequência operando sob o protocolo de comunicação MiWi para posterior  visualização e publicação dos dados. Esta arquitetura pode ser replicada e ampliada para outros setores, otimizando o custo por KWh monitorado.

O sistema é modular e composto por 3 camadas. Na primeira camada encontram-se os módulos sensores que realizam as leituras de forma não-invasiva em cada ponto medidor de interesse e as transferem por um barramento digital para o módulo gerente. Na segunda camada, o módulo gerente agrupa os dados em forma de um vetor para o módulo coordenador via comunicação em radiofrequência. Na terceira camada, o módulo coordenador recebe os vetores de dados provenientes dos vários módulos gerentes e os repassa ao servidor de banco de dados através do aplicativo AGREE (Assistente de Gerenciamento Remoto de Energia Elétrica).

O sistema registrador de consumo provê leituras sincronizadas em intervalos programáveis pelo aplicativo, controle do fluxo de dados, reconhecimento de dispositivos na rede por número identificador de bits, sistema de cadastramento de dispositivos por código de barras e sistema de calibração automática dos transdutores de corrente. O banco de dados e o sistema registrador de consumo são integrados pelo aplicativo AGREE que permite ao usuário visualizar o histórico de todos os valores de corrente lidos pelos sensores.

Segundo o pesquisador, além das aplicações para medição de consumo de energia em instalações industriais, o sistema pode ser utilizado para mensuração de outras variáveis, bastando a adaptação do transdutor de interesse na ponta do sistema (Camada 1). Pode ser aplicado em estações de tratamento de água, resíduos, aterros, silos, fazendas, granjas entre outras. A validade da patente é de 20 anos.

Patentes 2021

Em 2021, a UTFPR recebeu outras duas cartas patentes de invenção do INPI. Elas também são de pesquisadores e egressos do Câmpus Curitiba na área de Eletrônica.

Uma é um processo para medição passiva de transdutores remotos via acoplamento indutivo, do professor Paulo Abatti e do egresso da graduação e da pós-graduação stricto sensu Marcos Hara. A validade da patente é de 10 anos.

A outra é um sistema de gerenciamento remoto de energia com o docente Luciano Scandelari, os egressos da graduação Eduardo Lippmann, Henrique Gubert e Lucas de Lara. A validade da patente é de 20 anos.