Adapting remote labs to learning scenarios: case studies using VISIR and RemotElectLab

Remote laboratories are an emergent technological and pedagogical tool at all education levels, and their widespread use is an important part of their own improvement and evolution. This paper describes several issues encountered on laboratorial classes, on higher education courses, when using remote laboratories based on PXI systems, either using the VISIR system or an alternate in-house solution. Three main issues are presented and explained, all reported by teachers, that gave support to students' use of remote laboratories. The first issue deals with the need to allow students to select the actual place where an ammeter is to be inserted on electric circuits, even incorrectly, therefore emulating real-world difficulties. The second one deals with problems with timing when several measurements are required at short intervals, as in the discharge cycle of a capacitor. In addition, the last issue deals with the use of a multimeter in dc mode when reading ac values, a use that collides with the lab settings. All scenarios are presented and discussed, including the solution found for each case. The conclusion derived from the described work is that the remote laboratories area is an expanding field, where practical use leads to improvement and evolution of the available solutions, requiring a strict cooperation and information-sharing between all actors, i.e., developers, teachers, and students.

Automated design of microwave discrete tuning differential capacitance circuits in Si-integrated technologies

A genetic algorithm used to design radio-frequency binary-weighted differential switched capacitor arrays (RFDSCAs) is presented in this article. The algorithm provides a set of circuits all having the same maximum performance. This article also describes the design, implementation, and measurements results of a 0.25 lm BiCMOS 3-bit RFDSCA. The experimental results show that the circuit presents the expected performance up to 40 GHz. The similarity between the evolutionary solutions, circuit simulations, and measured results indicates that the genetic synthesis method is a very useful tool for designing optimum performance RFDSCAs.

Using remote labs to serve different teacher's needs a case study with VISIR and RemotElectLab

Remote Laboratories are an emergent technological and pedagogical tool at all education levels, and their widespread use is an important part of their own improvement and evolution. This paper describes several issues encountered on laboratorial classes, on higher education courses, when using remote laboratories based on PXI systems, either using the VISIR system or an alternate in-house solution. Three main issues are presented and explained, all reported by teachers that gave support to students use of remote laboratories. The first issue deals with the need to allow students to select the actual place where an ammeter is to be inserted on electric circuits, even incorrectly, therefore emulating real world difficulties. The second one deals with problems with timing when several measurements are required at short intervals, as in the discharge cycle of a capacitor. And the last issue deals with the use of a multimeter in DC mode when reading AC values, a use that collides with the lab settings. All scenarios are presented and discussed including the solution found for each case. The conclusion derived from the described work is that the remote laboratories area is an expanding field, where practical use leads to improvement and evolution of the available solutions, requiring a strict cooperation and information sharing between all actors, i.e. developers, teachers and students.

Diagnóstico de funcionamento e otimização das ETARs do concelho da Póvoa de Varzim

O tratamento das águas residuais é uma matéria de extrema importância para o município da Póvoa de Varzim, não só por uma questão de saúde pública e conservação do meio ambiente como também pela vertente turística deste concelho, que tem na sua orla costeira seis praias às quais foram atribuídas bandeiras azuis pela sua qualidade. O concelho da Póvoa de Varzim engloba doze freguesias e possui quinze estações de tratamento de águas residuais (ETARs), sendo catorze delas compactas. O seu controlo é assegurado pela divisão de saneamento básico da câmara municipal da Póvoa de Varzim. O objetivo deste trabalho foi o diagnóstico de funcionamento das ETARs do município tendo em vista a identificação dos problemas existentes e a sua resolução/otimização. De forma a poder identificar o princípio de funcionamento e a presença de anomalias nas estações de tratamento, foram realizadas várias visitas a cada uma delas ao longo do período de estágio. A recolha de amostras para análises dos diferentes parâmetros foi feita por um funcionário e estas foram enviadas para o laboratório com parceria com a Câmara Municipal. Após uma extensa recolha de informação no local e de um estudo exaustivo de toda a documentação associada a cada ETAR concluiu-se que apenas quatro delas apresentavam problemas revelantes. As ETARs do parque industrial de Laúndos e do centro histórico de Rates apresentam caudais de admissão bastante elevados devido à descarga pontual de camiões cisterna o que faz com que o tratamento não seja eficaz. Como solução sugeriu-se a construção de um tanque de equalização em ambas as ETARs, com agitador e regulador de caudal, de forma a garantir, respetivamente, a mistura e uniformização das águas residuais domésticas e industriais e que apenas será bombeado o caudal adequado para tratamento. As ETARs da Incondave e das Fontaínhas apresentam sobretudo anomalias a nível do equipamento, o que leva a um mau desempenho da instalação. Aconselhou-se o conserto dos equipamentos danificados e uma inspeção mais frequente das instalações para que mal ocorra uma avaria, esta seja reparada o mais depressa possível. O estágio na câmara municipal da Póvoa de Varzim (CMPV) teve a duração de 10 meses, entre Outubro e Julho de 2012 e foi realizado no âmbito da disciplina de dissertação/ estágio do mestrado de tecnologias de proteção ambiental no Instituto Superior de Engenharia do Porto. Este estágio foi uma mais-valia para mim na medida em que pude consolidar os conhecimentos adquiridos ao longo de todo o meu percurso académico e conhecer a realidade do mercado de trabalho.

Integração Intranet – Pro/Engineer Wildfire 3.0 Via Pro/Web.Link

Mestrado em Engenharia Informática, Área de Especialização em Arquiteturas, Sistemas e Redes

Projeto e implementação de um pré-regulador de fator de potência com controlo digital

Hoje em dia as fontes de alimentação possuem correção do fator de potência, devido às diversas normas regulamentares existentes, que introduziram grandes restrições no que respeita à distorção harmónica (THD) e fator de potência (FP). Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um Pré-Regulador de fator de potência com controlo digital. O controlo digital de conversores com recurso a processamento digital de sinal tem vindo a ser ao longo dos últimos anos, objeto de investigação e desenvolvimento, estando constantemente a surgirem modificações nas topologias existentes. Esta dissertação tem como objetivo estudar e implementar um Pré-Regulador Retificador Boost e o respetivo controlo digital. O controlo do conversor é feito através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado num dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan-3E. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos controladores. Para efetuar este controlo é necessário adquirir os sinais da corrente de entrada, tensão de entrada e tensão de saída. O sinal resultante do módulo de controlo é um sinal de PWM com valor de fator de ciclo variável ao longo do tempo. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink e PSIM, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios da carga e da tensão de alimentação. Finalmente, o Pré-Regulador Retificador Boost controlado de forma digital é implementado em laboratório. Os resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia e o projeto desenvolvidos.

Desenvolvimento de uma nova unidade fabril da Efacec

No âmbito da Unidade Curricular Dissertação, inserida no segundo ano do Mestrado em Engenharia Mecânica – Gestão Industrial do Instituto Superior de Engenharia do Porto, foi proposto um projecto que está a ser desenvolvido pela equipa de Engenharia e Gestão Industrial, da unidade de negócios AMT, intitulado por: “Projecto Índia – Desenvolvimento da nova unidade fabril” Este projecto tem como principal objectivo o desenvolvimento de uma fábrica de excelência na Índia de fabricação de componentes de média tensão, isto é, com processos logísticos bem definidos e com linhas de produção o mais automatizadas possivel. Esta nova fábrica de raiz, vai ser gerida e decalcada do modelo atualmente existe na fábrica da EFACEC de componentes de média tensão existente em Portugal. Numa primeira fase do desenvolvimento do projecto, foi seleccionado um edifício com cerca de 1600m2 em Nashik, uma localidade a cerca de 171 Km de Mumbai, onde se encontram 80% dos fornecedores da EFACEC. Foram identificados os produtos a serem fabricados e quantificada a respectiva procura anual. Foi efectuado o balanceamento de cada uma das linhas e desenhado o layout. Neste layout contemplou-se as áreas de produção, laboratório, gabinetes de chefes de equipa, expedição, recepção e armazém. Após a definição das áreas de montagem de cada produto, iniciou-se a concepção das linhas de produção, sobretudo automáticas, com a definição da cadência de produção. A linha de fabricação que é especialmente detalhada neste documento é a linha de montagem dos comandos CI. Este é o produto com mais procura. Foi também definido o processo logístico do fluxo interno da fábrica. Nas linhas de produção foi implementado o sistema de controlo de fluxo baseado em cartões Kanban e no armazém criou-se um novo conceito de controlo e localização de produtos, o “Aquiles”. O Aquiles permite automaticamente e através da leitura de código de barras, indexar os artigos nas estantes. Cada artigo e cada estante e/ou localização estão codificados e no momento de recepção de material o código do artigo é associado ao código da estante. No âmbito de explorar todas as soluções possíveis para a um melhor desenvolvimento desta nova fábrica foram abordados temas como “JIT”, “Pull Flow”, “Kanban”, “Takttime”.

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Defining Electricity Tariffs Using the Knowledge About the Consumers Profiles in ELECON Project

The increasing importance of the integration of distributed generation and demand response in the power systems operation and planning, namely at lower voltage levels of distribution networks and in the competitive environment of electricity markets, leads us to the concept of smart grids. In both traditional and smart grid operation, non-technical losses are a great economic concern, which can be addressed. In this context, the ELECON project addresses the use of demand response contributions to the identification of non-technical losses. The present paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), which are entities able to aggregate distributed small-size resources, aiming to define the best electricity tariffs for several, clusters of consumers. A case study based on real consumption data demonstrates the application of the proposed methodology.

A Data Mining Framework for Electric Load Profiling

This paper consists in the characterization of medium voltage (MV) electric power consumers based on a data clustering approach. It is intended to identify typical load profiles by selecting the best partition of a power consumption database among a pool of data partitions produced by several clustering algorithms. The best partition is selected using several cluster validity indices. These methods are intended to be used in a smart grid environment to extract useful knowledge about customers’ behavior. The data-mining-based methodology presented throughout the paper consists in several steps, namely the pre-processing data phase, clustering algorithms application and the evaluation of the quality of the partitions. To validate our approach, a case study with a real database of 1.022 MV consumers was used.

Dispatch of distributed Energy Resources to Provide Energy and Reserve in Smart Grids using a Particle Swarm Optimization Approach

The smart grid concept is a key issue in the future power systems, namely at the distribution level, with deep concerns in the operation and planning of these systems. Several advantages and benefits for both technical and economic operation of the power system and of the electricity markets are recognized. The increasing integration of demand response and distributed generation resources, all of them mostly with small scale distributed characteristics, leads to the need of aggregating entities such as Virtual Power Players. The operation business models become more complex in the context of smart grid operation. Computational intelligence methods can be used to give a suitable solution for the resources scheduling problem considering the time constraints. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The optimal schedule minimizes the operation costs and it is obtained using a particle swarm optimization approach, which is compared with a deterministic approach used as reference methodology. The proposed method is applied to a 33-bus distribution network with 32 medium voltage consumers and 66 distributed generation units.

Reactive power management strategies in future smart grids

The reactive power management in distribution network with large penetration of distributed energy resources is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the inclusion of more distributed recourses and a more efficient operation of distributed network. Currently, the reactive power is only controlled in large power plants and in high and very high voltage substations. In this paper, several reactive power control strategies considering a smart grids paradigm are proposed. In this context, the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator, namely Virtual Power Player (VPP), is proposed and implemented in a MAS simulation tool. The proposed methods have been computationally implemented and tested using a 32-bus distribution network with intensive use of distributed resources, mainly the distributed generation based on renewable resources. Results concerning the evaluation of the reactive power management algorithms are also presented and compared.

A Data-mining-based Methodology to support MV Electricity Customers' Characterization

This paper presents an electricity medium voltage (MV) customer characterization framework supportedby knowledge discovery in database (KDD). The main idea is to identify typical load profiles (TLP) of MVconsumers and to develop a rule set for the automatic classification of new consumers. To achieve ourgoal a methodology is proposed consisting of several steps: data pre-processing; application of severalclustering algorithms to segment the daily load profiles; selection of the best partition, corresponding tothe best consumers’ segmentation, based on the assessments of several clustering validity indices; andfinally, a classification model is built based on the resulting clusters. To validate the proposed framework,a case study which includes a real database of MV consumers is performed.

Load Profiling Tool to Support Smart Grid Operation Scenarios

This paper presents the characterization of high voltage (HV) electric power consumers based on a data clustering approach. The typical load profiles (TLP) are obtained selecting the best partition of a power consumption database among a pool of data partitions produced by several clustering algorithms. The choice of the best partition is supported using several cluster validity indices. The proposed data-mining (DM) based methodology, that includes all steps presented in the process of knowledge discovery in databases (KDD), presents an automatic data treatment application in order to preprocess the initial database in an automatic way, allowing time saving and better accuracy during this phase. These methods are intended to be used in a smart grid environment to extract useful knowledge about customers’ consumption behavior. To validate our approach, a case study with a real database of 185 HV consumers was used.