1 o Lugar no II Prêmio Amsted Maxion de Tecnologia Metro-Ferroviária; trabalho apresentado no Seminário Técnico da Feira Negócios nos Trilhos, outubro de 2004, São Paulo.
Autor: Edson Rabelo de Morais, Analista de Tecnologia da Estrada de Ferro Vitória a Minas.
E-mail : edson.rabelo@cvrd.com.br
RESUMO
Uma das metas que todas ferrovias brasileiras buscam é melhorar a eficiência energética, pois este item tem impacto direto nos gastos da empresa e no preço final do produto para os clientes. Então todo e qualquer projeto que visa melhorar este item normalmente tem uma aceitação boa pela direção da empresa.O preço dos combustíveis faz com que a conta do óleo diesel represente um grande percentual dos custos do transporte de uma ferrovia dotada de locomotivas diesel-elétricas. Nesta operadora existe uma preocupação com a economia de combustível e motiva a realização e desenvolvimento de alguns experimentos para economia de combustível.
Este trabalho denominado OTRP – Otimizador de Tração & Redutor de Potência tem dois objetivos principais: o primeiro é dar ao maquinista algumas ferramentas (através de comandos de operação de trens) para melhorar a performance de sua operação e a segunda é possibilitar que a locomotiva possa funcionar no modo pace control ou slow speed ou ainda “potência reduzida”. Esta prática de potência reduzida é usada nos processos de carregamento de trens em baixas velocidades. Estas funções pace control, slow speed ou potência reduzida já são parte integrante das modernas locomotivas. Mas o propósito aqui é também equipar as locomotivas mais antigas com esta cobiçada função.
1 - DADOS DO PROJETO
Nome do Projeto : ART – Armador Remoto de Tração
1.1 – O Problema/ Projeto
ART – Armador Remoto de Tração
Em funcionamento normal, quando em tração múltipla, as locomotivas diesel-elétricas são comandadas pelo maquinista na primeira locomotiva, denominada de comandante, e todos os seus comandos são repetidos nas locomotivas subseqüentes, denominadas de comandadas (figura 1)
Neste estudo, não serão abordados os trens com tração distribuída. A solução proposta poderá também ser aplicada em tração distribuída, mas este estudo será para o futuro. Por enquanto serão estudados apenas trens convencionais com locomotivas na frente na formação denominada “formação múltipla”.
A estratégia do ORTP consiste em fazer com que as locomotivas trabalhem, na medida do possível, numa região de menor consumo específico. Para isto, é feita uma distribuição da potência total exigida para a tração entre as locomotivas da composição.
Existem alguns equipamentos no mercado com esta proposta, mas todos os que testamos não satisfizeram as premissas de projeto definidas para economia de combustível. E um outro ponto forte nesse trabalho e fusão de duas soluções em um único equipamento, pois já existe tanto equipamento na Locomotiva que os maquinistas se perdem no excesso de tecnologia e em várias vezes confundem o tipo de operação.
1.2 - Observação do problema.
Observando um pátio de carregamento de trens , verificou-se que existem locomotivas que tem a função de carregamento em baixa velocidade ( seja pace control, slow speed ou redução de potência). Daqui para frente sempre usaremos o nome “Redutor de Potência” que é equivalente ao pace control e slow speed. Nas locomotivas que não tem Redutor de Potência podemos verificar vários problemas :
* O Maquinista trabalho o tempo inteiro (1 ½ h) acelerando e desacelerando o trem para manter a velocidade constante e baixa ( aproximadamente 0,6 a 1 km/h);
* O Operador do Silo de carga reclama o tempo inteiro que o maquinista correu muito durante o processo de carga e isto exige uma operação bastante concentrada no processo de carga;
* São vários os problemas de má formação de carga devido a não sincronização entre o Operador do Silo e o maquinista do trem. E estes problemas de má formação de carga podem gerar acidente entre origem e destino do trem;
* É muito comum o maquinista ter que recuar o trem, para acertar uma carga de um vagão por ter corrido e não estar sincronizado com o Silo; Isto traz um consumo do sistema de freio não desejado.
* E existem umas categorias de locomotivas que é bastante complicado manter velocidades muito baixas; Normalmente , estas locomotivas são evitadas nesses pontos de carregamento;
* Existe uma preocupação muito grande com o meio ambiente, principalmente
E entendendo o processo normal de operação de trens, podemos verificar que :
* Um trem com formação múltipla (de 1 a n Locomotivas no trem) sempre é operado em paralelo, ou seja o ponto de aceleração que é ajustado na locomotiva da frente é repetido para as locomotivas comandadas, não havendo nenhum jeito de fazer diferente.
A figura 2 mostra como é feito um processo genérico de carregamento de minério Figura 2 – Processo de carregamento de minério
A figura 3 mostra a preocupação que existe com o meio ambiente
Figura 3 – Processo de carregamento de minério – Preocupação ambiental
A figura 4 ilustra como seria uma inversão no trem entre os sobes e desces da ferrovia, ou se já o maquinista sempre aplicará o mesmo comando na locomotiva da frente e a de traz repetirá a operação. Esta regra vale subindo e descendo ou descendo e subindo.
Figura 4 – Processo ilustrativo mostrando uma operação em paralelo
1.3 – Análise do Problema
Fazendo um estudo de causas do problema detectou os seguintes itens :
* O maquinista não consegue impor uma velocidade bem baixa em algumas locomotivas porque elas são antigas e não tem funções eletrônica para este tipo de controle.
* O Maquinista não pode separar o comando das locomotivas do trem, porque o “cabo juper” tem uma limitação de números de fios, e nunca foi previsto nada no passado para tracionar as locomotivas em pontos distintos.
* Observa-se nas tabelas de combustível das locomotivas que algumas combinações de pontos são mais econômica que outras gerando a mesma potência requerida.
A figura 5 mostra um quadro obtido de um simulador que faz comparações das diversas combinações de pontos de aceleração, visando buscar a combinação otimizado (menor consumo com mesma potência requisitada)
A figura 6 mostra as curvas de diversas locomotivas que podem receber este equipamento. E a situação mais complicada é quando combinamos locomotivas de diferentes potências.
Figura 6 – Curvas de combustível de várias locomotivas
1.4 – Proposta de solução
E então a proposta dos autores desses projeto era desenvolver um equipamento que possibilitasse a função Redução de Potência e ao mesmo tempo integrar no mesmo equipamento os algoritmos de Otimização de potência. O equipamento foi denominado OTRP – Otimizador de Tração e Redutor de Potência.
1.4.1 Descrição do equipamento
1.4.1.1 Otimizador de Tração Numa locomotiva diesel-elétrica com motor turbo-alimentado, o consumo específico é menor quando o motor diesel opera numa região próxima de sua potência máxima. Baseado nesse princípio, o OTRP faz a distribuição de potência entre as locomotivas, levando em consideração combinações de pontos estudados pelos especialistas da Ferrovia. O simulador da figura 5 mostra que numa situação normal onde o maquinista colocaria ponto 4 em quatro locomotivas U20, existe uma alternativa de 7-1-neutro-8 mais econômica (redução de 21 l/h). E fazendo inúmeras simulações , podemos detectar que algumas situações o melhor é estar todo em paralelo e em algumas outras é acelerar de modo diferenciado. O equipamento de hardware desenvolvido tem o seguinte modo de funcionamento :
I) Por velocidade
O Maquinista define qual a velocidade que ele quer no trem e o equipamento faz as combinações de potência levando a primeira para o ponto máximo e as demais são ajustadas numa situação mantenedora, ou seja, se a velocidade referência cai, o sistema acelera a segunda e terceira locomotiva. Se a velocidade sobe , o sistema desacelera as locomotivas comandas para depois desacelerar a locomotiva Líder.
II) Por Potência
O simulador mostrado na figura 5 foi embutido no firmware do equipamento e o funcionamento é o seguinte :
O Maquinista define o ponto que ele acredita que seja suficiente para manter uma determinada potência
O Equipamento internamente equaliza os ajustes diferenciados de aceleração buscando a otimização baseada nas tabelas de consumo.
A potência de uma locomotiva diesel-elétrica é controlada pela injeção de combustível no motor diesel, que é determinada pelo maquinista através do manípulo de aceleração colocado no pedestal da cabine. Nas locomotivas dotadas de governador, o fluxo de combustível é controlado por quatro válvulas eletromagnéticas que atuam em oito combinações possíveis, correspondendo cada uma delas a um ponto de aceleração, isto é, a um nível de potência da locomotiva. A posição do manípulo de aceleração, nas locomotivas dotadas de injeção eletrônica, é diretamente informada ao computador do sistema de injeção de combustível do motor diesel, que atua sobre as bombas injetoras que controlam o fluxo de combustível fornecido.
Quando do funcionamento da tração múltipla convencional, o manípulo de aceleração controla o ponto de atuação de todas as locomotivas. Essa informação é passada eletricamente, a partir da comandante a todas as comandadas através do “cabo jumper”.
A figura 7 mostra esse funcionamento
Figura 7 – Esquemático da Tração múltipla
Em tração múltipla com o OTRP o maquinista somente controla o ponto de atuação da comandante, sendo o OTRP da locomotiva comandante responsável pelo controle da potência da locomotiva comandada imediatamente seguinte, e o OTRP instalado nesta responsável pela locomotiva seguinte e assim por diante.
A figura 8 mostra de forma esquemática
Figura 8– Esquemático da Tração múltipla com OTRP
Algoritmo de Controle
A velocidade, o ponto de atuação e as condições de anormalidades, são continuamente monitorados pelo OTRP. Em regime normal de funcionamento, a partir da velocidade programada e dos valores medidos da velocidade, determina-se o erro de velocidade e a aceleração da composição. erro de velocidade
aceleração da composição
onde,
velocidade da composição em [km/h]
velocidade de referência ajustável
velocidade após a qual o OTRP entra em ação
erro admissível A partir desses parâmetros, uma tabela de decisão fornece a variação do ponto de atuação da locomotiva, conforme a tabela abaixo. O período de atuação é função do tipo de carga, do perfil da linha, etc.
Na figura 9 se pode observar uma representação gráfica das diversas regiões de controle do OTRP.
Figura 9– Gráfico das regiões de controle do OTRP
No caso de anormalidades do tipo sobre-corrente e deslizamento, o ponto de atuação da locomotiva comandada é incrementado a cada segundo, enquanto persistir a anormalidade, até o limite dado pelo ponto de atuação da locomotiva comandante.
1.4.1.2 redutor de Potência
O redutor de potência tem uma atuação bem simples. Uma vez que o maquinista deseja ativar a velocidade do carregamento, ele deve ajustar o acelerador em um determinado ponto e a velocidade baixa ( 0,6 a 1,2 km/h) e a partir daí não precisa-se mais se preocupar com o acelerador. O Equipamento atuará diretamente no sistema de potência e vai controlar a velocidade ajustada.
A figura 10 mostra umas das telas do OTRP
Figura 10– Tela principal do OTRP
1.5 – Ganhos
1.5.1 Ganhos do Projeto no processo de carregamento
* O tempo de carregamento chegou a diminuir em até 10%
* O custo da implantação do projeto foi de US$ 400.00 por Locomotiva
O equipamento se pagou no 1° teste em um dos pontos de carregamento da Operadora.
1.5.2 Ganhos do Projeto no processo de Otimização de tração
Durante o funcionamento normal, o OTRP mantém as locomotivas comandadas no ponto de atuação. Comportando-se como um piloto automático, o OTRP reduz significativamente a atuação do maquinista. As principais vantagens desse tipo de controle são:
* simplicidade de operação e instalação;
* menor número de modificações no circuito original da locomotiva;
* menor custo de interconexão entre as locomotivas, sendo usado o cabo jumper original;
* retorno rápido ao circuito original com a retirada do OTRP da locomotiva;
* alternância da comandante;
* o ruído na cabine da locomotiva onde está situado o maquinista poderá permanecer em níveis bastante baixos se ela estiver atuando como comandada;
Outros ganhos com a implantação do equipamento :
a) Satisfação do cliente
* Operação mais segura é menos estressante.
* Satisfação do maquinista que agora não precisa ficar acelerando e desacelerando o tempo inteiro durante o carregamento.
b) Segurança e Saúde Ocupacional
* Processo de carregamento mais seguro.
c) Flexibilidade
* Equipamento inteligente, que proporciona facilidade para integração e modificação de funções.
d) Meio ambiente
* Redução de erros de operação no processo de carregamento e não gerando excesso para o meio ambiente
2 - Conclusões
Conforme pode ser constatado pela análise dos dados apresentados, o projeto trouxe um impacto positivo muito grande no processo de carregamento de trens.
O desenvolvimento do trabalho abriu perspectivas grandes de uso da tecnologia para solução de problemas que tanto incomoda a operação tanto com o objetivo de ganhar eficiência na movimentação de trens, quanto na eliminação de riscos de acidentes que atualmente é a meta nº 1 da Empresa.
Felizmente, novos desenvolvimentos da tecnologia de operações e comunicações oferecem a oportunidade de expandir ainda mais a capacidade do sistema ferroviário, permitindo que as ferrovias transportem mais carga no estado atual. Diversos esforços complementares já estão a caminho, tanto no setor privado como público. Sistemas avançados de controle de trens, que permitem que mais trens utilizem a mesma via, aumentam de forma eficaz a capacidade das linhas de trem existentes, sem a necessidade de construção de linhas adicionais. A indústria ferroviária está trabalhando para desenvolver sistemas ferroviários inteligentes, a fim de incorporar as mais recentes tecnologias de centros de controle, telemetria para detecção de defeitos, sistemas de freio com dispositivos microprocessados e uso de computadores para auxiliar à Operação de Trens.
Esses novos sistemas de controle de trens com base em comunicações e auxílio à Operação também são fundamentais para tornar o sistema ferroviário mais seguro. Os sistemas reduzirão significativamente a probabilidade de colisões entre trens, acidentes para os trabalhadores da via férrea, danos a equipamentos e acidentes em excesso de velocidade.
O Sistema que está sendo usado nessa Operadora poderá evoluir bastante, pois ele deixa a plataforma (hardware) básico para distribuição de potências. O que pode mudar em função de sua utilização são algoritmos de otimização, e nesses casos falamos de software, e software é bem mais fácil de mudar do que Hardware instalado. Novas operações poderão ser testadas em tempo real, e avaliadas pelo seu consumo. Assim a ferrovia estará trabalhando de forma eficiente e, finalmente, fazendo criando novas formas de operações de trens, cada vez mais seguras, econômicas e eficientes.
