Microprocessor Based Automation of Central-Pivot Irrigation

Microprocessor Based Automation of Central-Pivot IrrigationSystems
Flávio Cendes
[email protected]
Universidade Federal de Goiás – UFG
Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
SENAI-GO
José W. L. Nerys
[email protected]
Antônio M. de Oliveira
[email protected]
Enes G. Marra
[email protected]
Escola de Engenharia Elétrica e de Computação – EEEC
Universidade Federal de Goiás – UFG
CAIXA POSTAL 131 – CEP 74001-970 – GOIÂNIA - GO
Abstract — This article presents a proposal for automation of
central-pivot irrigation systems based in 8051-microprocessor
architecture. The aim of the proposed system is to achieve
efficient use of electric power and satisfactory system
performance. The proposed methodology is based on the
control of the pressure in the extremities of the irrigation line
by adjusting the rotation of the pump-motor set driven by
frequency converter. Thus the pressures at the sprinklers in the
extremities of the irrigation line are controlled variables and
the pump rotation is the control variable. A proportional
closed-loop control is used to adjust the pump rotation to a
suitable value so that the lowest pressure along the irrigation
line is kept at the rated value. This strategy is able to avoid
energy waste as well as unsuitable operation of the irrigation
system. Some experimental results, collected at an experimental
farm, are presented in this text. The results show the automatic
system is able to control the irrigation plant in order to achieve
energy savings and appropriate performance.
sempre a minimização de consumo de energia elétrica e
água.
Em [5] e [6] é apresentada uma proposta de controle de
um conversor de freqüência, usado para variar a velocidade
do motor principal de um sistema de irrigação a pivô central,
de um modo tal que o ponto de menor pressão da linha
lateral seja sempre mantida em seu valor mínimo, ou seja, a
pressão de projeto. Dessa forma, garante-se que a vazão nos
aspersores permaneça dentro do limite estabelecido, sem
qualquer pressão excedente o que resulta em economia de
energia elétrica. Pressão abaixo da nominal resultaria numa
lâmina d´água menor que a prevista.
Index Terms — Automation, central-pivot, energy efficiency,
frequency converter, irrigation system.
Considerando-se as pressões ao longo da linha aérea do
pivô, os piores casos serão, na maioria das vezes, as pressões
nas extremidades, ou seja, primeiro e último aspersor.
Portanto, a proposta deste trabalho consiste na
implementação de um controlador que atue com o objetivo
de manter a pressão o mais próximo da pressão do regulador
que estiver no pior caso, garantindo uma distribuição
uniforme da lâmina d’água aplicada em toda área, e
resultando na economia de energia elétrica nos pontos de
menor altura manométrica.
A economia de potência obtida com a redução da pressão
manométrica da bomba adutora é determinada por (1).
I. INTRODUÇÃO
A
possibilidade real de uma crise de abastecimento de
água e energia elétrica no futuro aponta para ações
urgentes no sentido de um melhor aproveitamento dos
recursos existentes. Essas ações devem ser não apenas por
parte de consumidores, mas principalmente por parte das
empresas fornecedoras de energia elétrica. Às instituições de
pesquisa cabe a tarefa de apontar soluções viáveis e eficazes.
Sendo um Estado predominantemente agrícola, Goiás tem
um número significativo de grandes consumidores de água e
energia elétrica voltados para irrigação. Em sua grande
maioria, esses sistemas de irrigação utilizam motores de
indução sem controle de velocidade, o que torna o controle
de vazão dependente da ação dos reguladores de pressão
para a obtenção do nível mais adequado de vazão para cada
ponto de uma área irrigada. A falta do controle de velocidade
para atender cada situação de carga de forma otimizada,
resulta no desperdício de água e energia elétrica, além de
uma irrigação sem um controle adequado de umidade do
solo.
A bibliografia básica no assunto [1]-[4] trata
principalmente de resultados advindos de simulação
computacional e de sistemas que simulam um sistema real.
Além de ter como um dos objetivos a implementação em um
sistema em escala real de pivô central, o atual projeto
apresenta proposta de monitoramento do sistema visando
II. METODOLOGIA PROPOSTA PARA AUTOMAÇÃO
DE SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO COM PIVÔ CENTRAL
∆P =
10.Q.∆h
η
(1)
Sendo:
∆P: a potência em kW, economizada com a redução de
pressão manométrica ∆h na saída bomba adutora;
∆h: a redução de pressão manométrica em m.c.a, na saída
bomba adutora;
Q: a vazão da bomba adutora em m3/s;
η: o rendimento do conjunto motor-bomba da estação
adutora do sistema de irrigação.
Desta maneira, o controlador deverá manter a pressão de
saída da bomba no menor valor possível, capaz de assegurar
o funcionamento adequado do sistema de irrigação, evitando
a desnecessária dissipação de pressão ∆P nas válvulas
reguladoras de vazão da linha de irrigação do sistema. Ao
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longo do tempo, a redução da potência consumida pelo
conjunto motor-bomba, propiciada pela redução da pressão
manométrica, acarreta uma significativa economia na energia
consumida pelo sistema.
Um ponto a ser observado é a pressão no extremo da
tubulação na parte de maior desnível, pois esta deverá estar
acima do valor mínimo da pressão em que deve ser aplicado
para o bom funcionamento do regulador de pressão [7],
indicado pelo fabricante e respeitando a norma ISO 105221993. Neste momento, conforme demonstra a Fig. 1, vale
ressaltar que a pressão na entrada do regulador deve ser
superior a 1,5 vezes a pressão nominal de trabalho, para
garantir uma vazão constante.
As variáveis controladas serão, portanto, a pressão inicial
(Ai) e pressão final (Af), e a variável de controle, será a
rotação do conjunto moto-bomba, variada com o auxílio do
conversor de freqüência, através de sinal analógico (0-10V
ou 4-20mA), determinado por um sistema de controle digital
microprocessado baseado no microcontrolador 8051 da Intel.
Em sistemas de irrigação a pivô central, as variáveis
controladas, em regime permanente, apresentam variações
lentas de um ponto ao outro do terreno, mesmo quando
considerada sua velocidade máxima. Um ciclo completo,
dependendo do raio do pivô, pode durar mais que 24 horas.
Desta forma, um sistema de controle do tipo proporcional ou
controle proporcional integral atende satisfatoriamente os
requisitos dinâmicos das variáveis controladas, mantendo o
sistema estável.
bps e 2330 bps, conforme ilustra a Fig. 2. A transmissão dos
sinais medidos é realizada através de transmissores e
receptores operando na faixa de FM em 173,225 MHz e
433,92MHz.
Fig. 2. Diagrama funcional do sistema de monitoração, controle e automação
de um sistema de irrigação com pivô central.
Uma vez recebidos os sinais e verificados os erros na
transmissão, a CPU seleciona o valor de menor pressão e
compara com o valor de referência gerando o erro ek+1, e
fornecendo o sinal de controle uk+1, formando um
controlador proporcional.
A taxa de amostragem não é constante, pois ela é gerada
pela própria varredura do programa fonte do controlador e
pelo sincronismo na transmissão dos dados, entre os módulos
transmissores e receptores, portanto o valor do período de
amostragem pode variar entre 0,32 a 2,00 segundos, que é
satisfatório para o comportamento dinâmico do sistema.
A. Sistema de Controle Digital
Fig. 1. Comportamento de um regulador de 14 mca de pressão nominal para
uma vazão constante de 2,3 m3/h.
III. IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE
MICROPROCESSADO
O sistema de controle é formado basicamente por três
blocos que se comunicam serialmente em modo simplex e
com taxas de transmissão não convencionais de 37 bps, 1165
A Fig. 2 apresenta o diagrama de blocos do sistema de
controle digital proposto que é constituído por:
a) Transmissor-1 – Este módulo (TX-1) é responsável
pela leitura da pressão final (Af). O valor da pressão em Af é
medido através do transdutor de pressão que envia um sinal
proporcional de corrente (4-20mA) para um conversor A/D,
que, por sua vez, digitalizado digitaliza o sinal para que o
microcontrolador responsável possa codifica-lo e envia-lo
via serial ao transmissor TX-2.
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b) Receptor-1/Transmissor-2 (TX-2) - Este módulo é
responsável pela leitura da pressão inicial (Ai). O valor da
pressão em Ai é medido através do transdutor de pressão que
envia um sinal proporcional de corrente (4-20mA) para um
conversor A/D [8], esse, por sua vez, entrega o sinal
digitalizado para o microcontrolador que aguarda o envio do
valor Af, compara e verifica possíveis erros na transmissão,
abortando ou montando nova codificação, juntamente com o
valor de Ai. Em seguida, os sinais Ai e Af, codificados e
digitalizados, são enviados serialmente para a Unidade de
Recepção, Armazenamento e Controle.
c) Unidade de Recepção, Armazenamento e Controle Este módulo recebe, compara e verifica possíveis erros na
transmissão, abortando ou não a recepção dos dados. Caso
haja erro nos dados recebidos, a CPU aguarda os próximos
dados, sem alterar o valor da variável de saída, caso
contrário a CPU executa na rotina de controle, determinando
a variável de saída, que é o valor de referência enviado ao
conversor de freqüência, a fim de determinar a velocidade de
rotação do conjunto motor-bomba.
Na seqüência a CPU lê a entrada analógica (conversor
A/D), que, juntamente com os dados Ai e Af, são
armazenados na memória. Os dados armazenados são
colocados em seqüência na EEPROM do sistema, permitindo
um total de 500 valores para cada variável. O período de
amostragem para o armazenamento de dados poderá ser
ajustado entre 1,40 segundos a 5,00 minutos
aproximadamente. O sistema permite capturar os dados da
memória e transferi-los para um banco de dados através da
saída serial da CPU.
Os módulos de controle indicados no diagrama de blocos,
são microcontrolados e baseadas na arquitetura 8051 Intel.
As UMC´s (unidades microcontroladas) utilizam o
microcontrolador AT89C2051 da Atmel operando em
3.58MHz e a CPU utiliza o microcontrolador 80C31 com
4kbytes de memória de programa e 2kbytes de memória de
dados.
B. Protocolo de Comunicação Digital
Os dados são enviados pelo os transmissores com taxas de
transmissão serial fora dos padrões, e via simplex não
sincronizada, com a finalidade de diminuir ao máximo os
problemas na transmissão, devido à interferência de outros
sistemas.
Antes de ser enviado o dado, é formado um “pacote”
constituído por 4 bytes, no caso do Transmissor TX-1 e por 6
bytes para o Transmissor TX-2, conforme Fig. 3. Sendo que:
a) O primeiro byte é o código do transmissor, sendo 13h
para o transmissor TX-1 e 17h para o Transmissor TX-2.
b) D A D O é o complemento do DADO que será
convertido e comparado.
Fig. 3. Protocolo de transmissão de dados do sistema.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Foram realizados testes no sistema de irrigação com pivô
central na fazenda experimental da Escola de Agronomia
(EA) da Universidade Federal de Goiás (UFG), com a
finalidade de avaliar o desempenho do sistema de controle
implementado.
Um típico sistema de irrigação com pivô central está
apresentado de forma ilustrativa na Fig. 4.
Inicialmente, os testes foram realizados na ausência do
controle automático de pressão da bomba adutora. A
velocidade de rotação do conjunto moto-bomba foi ajustada
em aproximadamente 1800 rpm (freqüência de acionamento
ajustada em 60Hz). Registraram-se os valores das pressões
nos aspersores inicial (Ai) e final (Af), possibilitando o
levantamento das curvas referentes às pressões analisadas.
Durante o teste, o consumo de energia do Pivô Central foi
registrado através de um analisador de energia.
A Fig. 5 apresenta as pressões registradas no início (Ai) e
no final (Af) da linha lateral de irrigação do pivô. A linha
constante indica o valor de referência da pressão, o qual
corresponde ao valor nominal da pressão de trabalho da
válvula reguladora de vazão do sistema. Idealmente, as
pressões Ai e Af devem estar sempre acima do valor nominal
de trabalho da válvula reguladora de vazão.
Posteriormente, foram realizados testes na presença do
controle automático de pressão da bomba adutora. A
velocidade de rotação do conjunto moto-bomba foi ajustada
automaticamente, por meio do conversor de freqüência, de
modo a manter o menor valor de pressão, entre Ai e Af, no
valor mínimo de referência. Registraram-se os valores das
pressões nos aspersores inicial (Ai) e final (Af),
possibilitando o levantamento das curvas e a avaliação do
desempenho do controle, conforme apresentadas na Fig. 6.
Como no caso anterior, o consumo de energia do Pivô
Central durante o teste foi registrado através de um
analisador de energia.
A prática de projeto e instalação de sistemas de irrigação
com pivô central é dimensionar o sistema para o ponto de
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operação menos favorável. Ou seja, a bomba adutora é
dimensionada para atender o maior desnível do terreno. Nos
pontos de menor desnível, cabe à válvula reguladora dissipar
a pressão excedente, com o objetivo de evitar o excesso de
vazão, que seria prejudicial à cultura. Embora largamente
emprega, e funcional, esta prática gera significativo
desperdício de energia elétrica. Existe um relevante potencial
de economia de energia elétrica a ser obtido com a
automatização do controle de pressão em sistemas de
irrigação com pivô central. Este potencial de economia de
energia é favorecido pela topografia irregular da área
irrigada, ou seja, quanto maior a variação das cotas ao longo
do perímetro irrigado, maior será o potencial de economia de
energia.
A comparação das curvas apresentadas nas Fig. 5 e Fig. 6
demonstra um significativo potencial de economia de energia
no caso estudado. Verificou-se, no ponto onde se mediu a
maior pressão na linha lateral de irrigação do pivô, um valor
de pressão superior ao valor de referência, o qual seria o
valor suficiente para a operação adequada do regulador de
vazão.
KPa
Fig. 4. Ilustração de um sistema de irrigação com pivô central.
Pressão Incial e Final
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
min. Pref
PAi
,9
115
,5
101
1
3
58,
87,
9
43,
7
5
29,
72,
1
15,
0,7
0
PAf
Fig. 5. Pressão Inicial (Ai) e Pressão Final (Af), medidas na planta teste (UFG/EA), na ausência do
sistema de controle automático de pressão.
Microprocessor Based Automation of Central-Pivot IrrigationSystems
50
00
50
00
50
0
1,0
10,9
20,7
30,6
40,5
50,4
60,2
70,1
80,0
89,8
99,7
109,6 119,5 129,3 139,2 149,1
tempo (min.)
Pref
PAf
PAi
Fig. 6. Pressão Inicial (Ai) e Pressão Final (Af), medidas no sistema de irrigação da fazenda
experimental da UFG/EA, na presença do sistema de controle automático de pressão.
O consumo de energia elétrica registrado durante uma
volta completa, com o sistema operando na ausência do
controle de pressão, foi de 40,7 kWh.
Pressões abaixo do valor de referência foram registradas
na ausência do controle automático de pressão. Após
investigação no local, concluiu-se que as sub-pressões
registradas, foram causadas pela manutenção deficiente do
sistema de irrigação. Na inspeção do sistema, identificou-se
desgaste no rotor da bomba adutora, desgaste nos
reguladores de vazão, pequenos vazamentos na parte aérea e
na tubulação adutora, e o estrangulamento de um trecho da
tubulação adutora, provocada pelo trânsito de veículos
agrícolas.
A analise do sistema operando sob controle em malha
fechada, indica a viabilidade na aplicação da metodologia
proposta, pois os resultados obtidos em teste, demonstram a
correção na perda de pressão apresentada no ponto de maior
altura manométrica, conforme demonstrado da Fig. 6.
Ao iniciar o controle, em 7 min, após o transitório
ocasionado pela queda brusca de pressão do sistema, o
controlador manteve ao longo da área irrigada a pressão
próxima ao valor de ajuste (140kPa). Durante a volta do
pivô, a freqüência do conversor de freqüência variou na faixa
de 47 Hz a 54 Hz. Destaca-se que em nenhum momento o
conversor operou com freqüência de 60 Hz, o que indica o
superdimensionamento da bomba adutora. Neste caso,
haveria espaço para economia de energia mesmo com terreno
plano.
Observou-se que na faixa de 36 a 66 minutos ocorre um
aumento da freqüência de acionamento do conjunto motobomba compensando a queda de pressão observada na Fig 5.
Observou-se que o controle não precisou acionar a bomba
adutora com freqüência de 60 Hz, para recuperar a perda de
pressão produzida pela manutenção deficiente do sistema.
Constata-se que, mesmo não estando em condições ideais, o
sistema estudado apresentava potencial para economia de
energia, a partir do controle da velocidade de rotação da
bomba adutora.
A potência média consumida registrada durante uma volta
completa foi 36,1kWh, representando uma economia de
energia elétrica de 11,3%. Este resultado comprova a
viabilidade de aplicação do controle proposto. Os testes
foram realizados após a manutenção corretiva do sistema de
irrigação [5]. Após a manutenção, a economia de energia
elétrica registrada foi de 22%.
O sistema implementado armazena os valores das
pressões Ai e Af, registradas ao longo da área irrigada,
possibilitando a transferência dos dados para diversas
planilhas e banco de dados, tais como Excel, Acess, MatLab
e outros.
O sistema proposto serve ainda como uma ferramenta
para análise da topografia do terreno, como ferramenta de
diagnóstico das condições de funcionamento do sistema
hidráulico do sistema de irrigação, e como ferramenta capaz
de estabelecer o potencial de economia de energia elétrica
em sistemas de irrigação com pivô central já instalados.
O sistema implementado mostrou ser capaz não apenas de
produzir economia no consumo de energia elétrica, mas
também de melhorar o desempenho do sistema de irrigação.
Os dados registrados pelo sistema de monitoramento podem
ser utilizado de forma bastante eficiente no diagnóstico de
uma manutenção precisa e eficiente.
Um dos parâmetros determinantes na definição da
freqüência e do período de operação dos sistemas de
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irrigação é a umidade relativa do solo, cujo valor ideal varia
de acordo com o tipo de cultura e o tipo de solo. Uma
irrigação eficiente é obtida através de vazão adequada, e boa
uniformidade da lâmina de água aplicada no terreno irrigado.
O bom aproveitamento do recurso hídrico disponível está
diretamente relacionado com o bom funcionamento do
sistema hidráulico, no dimensionamento e no uso correto do
sistema de irrigação. Portanto, o sistema implementado neste
trabalho repercutirá favoravelmente na economia de água e
no uso mais eficiente dos recursos hídricos.
V. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O trabalho apresentou uma metodologia para
automatização de sistemas de irrigação com pivô central. O
sistema apresentado visa gerar economia de energia elétrica,
mantendo o bom desempenho nos sistemas de irrigação. O
sistema foi implementado e testado no sistema de irrigação
da fazenda experimental da UFG, tendo apresentado
resultados que comprovam a sua validade.
O sistema de controle em malha fechada é viável em
diversos tipos de terreno, e estados de conservação do
sistema de irrigação, no entanto o ganho em energia elétrica
é proporcional ao desnível entre o ponto de maior e menor
elevação, e ao bom estado de conservação do sistema.
A análise da topografia do terreno e a avaliação das
condições de funcionamento do sistema hidráulico do
equipamento são etapas necessárias para estabelecer o
potencial de economia de energia elétrica através da
automatização de sistemas de irrigação com pivô central.
Além de propiciar considerável economia de energia, o
sistema apresenta também recursos que permitem: a)
determinar a topografia do terreno ao longo da área irrigada
em sistemas de irrigação já instalados; b) diagnosticar as
condições de funcionamento do sistema hidráulico do
sistema de irrigação; c) diagnosticar o potencial de economia
de energia elétrica em sistemas de irrigação já instalados.
O sistema implementado, ao melhorar o desempenho do
sistema de irrigação, mostrou também ser capaz de propiciar
economia de água e melhorar o aproveitamento dos recursos
hídricos. Este assunto merecer melhor estudo, inclusive
considerando parâmetro agrícolas na sua avaliação.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi realizado com apoio o financeiro concedido
pela Companhia Energética de Goiás (CELG) ao projeto
intitulado “sistema de irrigação microcontrolado: automação
e otimização do consumo de energia elétrica e água”,
referente ao Programa de Pesquisa e Desenvolvimento do
Setor Elétrico Brasileiro – Ciclo 2000/2001, e com apoio
institucional da FUNAPE-UFG.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] L. A. M. MASIERO e outros, "Utilização de Inversores
de Frequência para Racionalização do uso da Energia
Elétrica em Sistema de Irrigação do Tipo Pivô Central,"
Engenharia na Agricultura, Viçosa, v. 7, n.1, Jan/Mar.,
1999, pp. 35-45.
[2] S. CAMPANA e outros, "Inversores de Frequência Uma alternativa para Racionalização do uso da Energia
Elétrica em Sistemas de Irrigação Pivô Central,"
AGRENER 2000, 3o Encontro de Energia no Meio
Rural, Campinas, São Paulo, 12-15 Setembro 2000.
[3] D. OLIVEIRA FILHO e outros, "Estudo do
Comportamento de Parâmetros Elétricos e Hidráulicos
em Sistema de Irrigação tipo Pivô Central Utilizando
Inversores de Frequência para Racionalização do uso da
Energia Elétrica." AGRENER 2000, 3o Encontro de
Energia no Meio Rural, Campinas, São Paulo, 12-15
Setembro 2000.
[4] J. A. CARVALHO e outros, "Utilização do Inversor de
Frequência em Sistemas de Irrigação para Controle de
Vazão," Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e
Ambiental, v. 4, n.1, 2000, pp. 51-56.
[5] A. José Alves, A. Melo de Oliveira e L. Fernando C. de
Oliveira, “Verificação das Relações de Rateaux pelo
emprego de um Inversor de Frequência,” Revista
brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 6, n.
3, p. 523-25, 2002.
[6] A. José Alves, “Inversor de Freqüência – uma
Ferramenta para o Acionamento e Racionalização do
Consumo de Energia Elétrica em sistemas de Irrigação a
Pivô Central,” Dissertação de Mestrado, Escola de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Goiás,
Junho 2001.
[7] FRIZZONE, José Antônio & BROTEL,Tarlei Ariel,
DER/ESALQ/USP. Boletim Técnico dos principais
resultados dos ensaios de determinação das curvas de
desempenho dos reguladores de pressão Fabrimar,
modelos EXACT-l0 , EXACT-15 e EXACT-20.;
realizados no Departamento de Engenharia Rural da
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”
(ESALQ), Universidade de São Paulo, Piracicaba, SP,
Junho de 2000.
[8] YERALAN, Sencer & AHLUWALIA, Ashutosh.
Programming
and
interfacing
the
8051
microcontroller,1995.