Skip navigation

Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/25126
Tipo: Dissertação
Título: Gêmeo digital de um sistema de bombeamento de água
Autor(es): Nascimento, Caio Mangueira do
Primeiro Orientador: Macêdo, Euler Cássio Tavares
Primeiro Coorientador: Silva Netto, Ademar Virgolino da
Resumo: Com a necessidade de modernização das empresas de abastecimento de água e chegada do conceito de Indústria 4.0, a busca por melhores soluções otimizadas no menor tempo possível para problemas internos vem sendo constantemente buscadas. Uma das alternativas empregadas para essas situações consiste na utilização de Gêmeos Digitais (GD). Os Gêmeos Digitais são representações virtuais em tempo real de objetos, processos e sistemas. Embora os gêmeos digitais possam representar coisas puramente digitais, eles frequentemente servem como uma ponte entre os domínios físico e digital. O estudo relacionado a Gêmeos Digitais é recente, no qual ainda se buscam arquiteturas adequadas para sua construção e o repertório das aplicações relacionadas aos sistemas de distribuição de água são limitados. A presente pesquisa concentrou-se no desenvolvimento de um Gêmeo Digital de um sistema de bombeamento de água focado em manter a integridade da planta hidráulica a partir dos dados da pressão das tubulações. Para o desenvolvimento do Gêmeo Digital, a pesquisa foi dividida em três partes: a construção do Modelo Digital, a Sombra Digital, e por fim do Gêmeo Digital. O sistema considerado como cenário para a pesquisa consiste em uma bancada experimental que encontra-se instalada no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) da Universidade Federal da Paraíba, possuindo em sua constituição atuadores e sensores, como válvulas, conjunto motobomba e diversos sensores de pressão. O desenvolvimento dos modelos digitais a partir do sistema real foi realizado por meio do emprego de Redes Neurais Artificiais, nas quais foram avaliadas duas funções de ativações diferentes, a sigmoide e ReLU, e considerando a aplicação de realimentação ou não com atrasos da saída. Os melhores modelos digitais obtidos foram utilizados em paralelo com a planta hidráulica, como uma Sombra Digital. Dos melhores modelos encontrados, três utilizam a função de ativação ReLU e um a função de ativação sigmoide. Utilizando os modelos digitais em paralelo com o sistema físico, obteve-se um erro percentual absoluto médio (MAPE) satisfatótio a partir do emprego do modelo digital com dois atrasos. Como Sombra Digital foram realizados experimentos com atualização do modelo digital considerando dois cenários, um com dados novos e antigos ou apenas com dados novos, no qual foi observado uma melhora nos resultados em relação ao modelo digital sem atualização e a influência do erro quadrático médio (EQM) obtido durante a atualização nos resultados do MAPE durante os experimentos como Sombra Digital. Para o Gêmeo Digital foi desenvolvido um supervisório no ScadaBR, que é um software livre, gratuito e de código-fonte aberto, para desenvolvimento de aplicações de Automação, Aquisição de Dados e Controle Supervisório, o qual permite o manejo do GD e da planta física, não permitindo entradas fora de intervalo permitido ou operações que elevem a pressão nas tubulações. A partir dos resultados obtidos, foi possível verificar que a utilização do Gêmeo Digital é de grande valia em relação a proteção do sistema físico contra operações danosas bem como a possibilidade de realizar testes simulados sem a comunicação com a planta física.
Abstract: With the need to modernize water supply companies and the arrival of the Industry 4.0 concept, the search for better optimized solutions in the shortest possible time for internal problems has been constantly sought. One of the alternatives used for these situations is the use of Digital Twins (DT). Digital Twins are real-time virtual representations of objects, processes and systems. While Digital Twins can represent purely digital things, they often serve as a bridge between the physical and digital domains. The study related to Digital Twins is recent, in which suitable architectures are still being sought for their construction and the repertoire of applications related to water distribution systems is limited. The present research focused on the development of a Digital Twin of a water pumping system focused on maintaining the integrity of the hydraulic plant from the pressure data of the pipes. For the development of the Digital Twin, the research was divided into three parts: the construction of the Digital Model, the Digital Shadow, and finally the Digital Twin. The system considered as a scenario for the research consists of an experimental bench that is installed in the Laboratory of Energy and Hydraulic Efficiency in Sanitation (LENHS) of the Federal University of Paraiba, having in its constitution actuators and sensors, such as valves, water pump set and several pressure sensors. The development of digital models from the real system was carried out through the use of Artificial Neural Networks, in which two different activation functions were evaluated, the sigmoid and ReLU, and considering the application of feedback or not with output delays. From the developed digital models, it was observed that the greater the delay, the lower the mean square error (MSE) obtained, and the best digital models obtained were used in parallel with the hydraulic plant, as a Digital Shadow. Of the best models found, three use the ReLU activation function and one uses the sigmoid activation function. Using the digital models in parallel with the physical system, a satisfactory mean absolute percentage error (MAPE) was obtained from the use of the digital model with two delays. As Digital Shadow, experiments were carried out with updating the digital model considering two scenarios, one with new and old data or only with new data, in which an improvement in the results was observed in relation to the digital model without updating and the influence of the MSE obtained during the update on MAPE results during experiments with Digital Shadow. For the Digital Twin, a supervisory was developed in ScadaBR, which is a free software, freeware and open source software for the development of Automation, Data Acquisition and Supervisory Control applications, which allows the management of the DT and the physical plant, not allowing entries outside the permissible range or operations that increase pressure in the pipelines. The obtained results show the use of the Digital Twin as being of great value in relation to the protection of the physical system against harmful operations as well as the possibility of performing simulated tests without communication with the physical plant. Keywords: Industry 4.0; Digital Twins; Hydraulic Plant; Artificial neural networks; Digital Model; Digital Shadow.
Palavras-chave: Indústria 4.0
Gêmeos digitais
Planta hidráulica
Redes neurais artificiais
Modelo digital
Sombra digital
Industry 4.0
Digital twins
Hydraulic plant
Artificial neural networks
Digital model
Digital shadow
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Engenharia Elétrica
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/25126
Data do documento: 27-Jul-2022
Aparece nas coleções:Centro de Energias Alternativas e Renováveis (CEAR) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
CaioMangueiraDoNascimento_Dissert.pdf14,61 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons Creative Commons