CICLO DE VIDA DE SISTEMAS DE CONTROLE DIGITAIS

Edson Gonçalves de Oliveira

Copel, Usina Termelétrica Araucária, CEP 83708-795, Araucária, Paraná

APRESENTAÇÃO Este trabalho apresenta um estudo para planejamento do ciclo de vida do sistema de controle digital, desde o levantamento da situação atual, os requisitos de sistemas de controle atuais, as políticas para ciclo de vida de equipamentos de controle adotadas por fabricantes e conclui com recomendações para garantia da operação segura e confiável de uma usina, com otimização de investimentos.

RESUMO

Estamos às voltas com atualização de alguns sistemas de controle digital de usinas e é importante conhecer o que existe em termos de planejamento para melhor proveito de um investimento de grande porte e com equipamentos de grande importância para a confiabilidade e disponibilidade de nossas usinas. Um projeto nasce, tem seu período de plena utilidade e depois de algum tempo é descontinuado e substituído por tecnologias mais vantajosas. Este trabalho pretende discorrer sobre o ciclo de vida de sistemas de controle digitais, apresentando breve histórico destes equipamentos nas usinas da Copel e perspectivas futuras para novas tecnologias que estão surgindo. Estas novas tecnologias, certamente trarão grandes mudanças na forma de operação e manutenção de nossas usinas, principalmente com a adoção de técnicas avançadas de controle, ferramentas de processamento e análise de dados, e melhor qualidade e quantidade de informação sobre desempenho de todos os equipamentos. Informação esta que pode estar disponibilizada em qualquer lugar e a qualquer momento.

Palavras-chave: sistema de controle digital; ciclo de vida; usinas

hidroelétricas; usinas termoelétricas;

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1 - INTRODUÇÃO Após alguns anos de operação e manutenção, constatamos as dificuldades em se manter sistemas de controle digitais, com demandas de desempenho dos mais exigentes e com diversos problemas de suporte técnico e aquisição de sobressalentes importados. Fica evidenciada a necessidade de um planejamento de longo prazo, levando em conta, não só o custo inicial de aquisição dos equipamentos, mas todos os custos decorrentes da manutenção do sistema, treinamento da equipe de manutenção e principalmente, de eventuais indisponibilidades de equipamento ou perda de alguma função importante na operação da planta. Em algumas usinas, como na usina termoelétrica de Araucária, o sistema de controle é de extrema importância, pois, em caso de uma falha geral neste sistema, provoca uma parada total da planta ou impede seu funcionamento em caso de uma necessidade de partida, causando grandes prejuízos. Normalmente, toda a especificação é analisada por técnicos e engenheiros da Copel e são feitos comentários e sugestões de melhorias. Estas sugestões são implementadas, após análise das justificativas pelos projetistas, que levam em conta, como argumento justamente a experiência com este tipo de usina, contra o fato de que estes conceitos foram aplicados em mais de uma centena de usinas em operação ao redor do mundo. Deste modo, alguns requisitos exigidos para outras instalações de base hidrelétrica, não são aplicados, em virtude da aquisição de uma solução integrada e com desempenho comprovado. Isto mostra o quanto o setor elétrico, especialmente o segmento de geração de energia elétrica é muito conservador e resistente a rápidas mudanças. São treinados engenheiros e técnicos nas instalações dos fabricantes e realizados testes em fábrica, antes de montagem e testes em campo. Atualmente, estes testes são realizados por empresas contratadas e acompanhados pelos engenheiros e técnicos da Copel. Toda a concepção da usina é desenvolvida de forma a ser o mais econômico possível, eliminando-se qualquer componente considerado como opcional. Nesta fase se torna importante, justificar os investimentos em função do retorno que um sistema de controle digital eficiente pode trazer.

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Fig. 1: Evolução dos sistemas de controle

Fig. 2: Evolução dos sistemas de controle Bailey

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2 – CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA DE PLANEJAMENTO DA

ATUALIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE DIGITAIS A substituição de um sistema de controle envolve custos elevados, não só com os equipamentos e mão de obra, mas principalmente com a indisponibilidade da planta. A especificação e projeto de sistemas de controle de usinas novas, deve levar em conta o planejamento da vida do sistema, considerando não somente o custo inicial dos equipamentos do sistema, bem como, aspectos de manutenção e expansão durante todo o ciclo de vida. O grande desafio é: manter o desempenho dos sistemas de controle, atendendo as necessidades de expansão e alterações para atender as crescentes demandas sobre equipamento que vem ganhando importância no controle e no desempenho das usinas. A análise de relatórios gerados pelo sistema e dos dados históricos arquivados, descrevendo o comportamento de variáveis do processo e condições da planta, influencia diretamente o desempenho de todo o processo controlado. Este suporte permite que rotinas de otimização possam ser executadas para melhoria do resultado final do controle. A atualização de sistemas de controle já foi realizada em algumas usinas da Copel como: Foz do Areia e Segredo [01]. Esta experiência mostra a importância de se preparar para as próximas atualizações, aumentando a vida do sistema, com atualizações pontuais e periódicas, através de substituição de componentes obsoletos e que possam comprometer o desempenho de todo o sistema. O planejamento para manter atualizado um sistema de controle, garantindo segurança e confiabilidade na operação é muito importante e, para o caso da usina termelétrica de Araucária é "sui generis", pois, existem 3 sistemas de fabricantes diferentes. A complexidade é maior, porque há que se que encontrar uma solução que seja compatível com todos. Uma solução simples seria substituir todos os equipamentos e programas, no momento em que um dos sistemas não oferecer condições de atender aos requisitos de desempenho, em virtude de falha que não possa ser reparada por ausência de suporte ou peças de reposição. Obviamente que esta solução não é a mais econômica e o nosso desafio é: procurar uma solução ótima com o menor custo possível, através da avaliação das alternativas de mercado. É importante que este planejamento de expansão e atualização dos sistemas de controle, seja pensado desde a especificação e projeto do sistema, para que os custos futuros de atualização sejam menores. Tivemos muitos problemas com falhas em equipamentos, em comparação com instalações semelhantes, onde o nível de exigência quanto à tolerância a falhas é muito elevado. Estes problemas, não são necessariamente de responsabilidade dos fabricantes dos equipamentos em si, mas de como foram feitas as adaptações para o nosso caso. Estes problemas podem ser evitados com uma melhoria nas instalações físicas, tais como: "lay-out", separação dos equipamentos em salas individuais (sala de operadores, sala de engenharia e sala de painéis), melhoria nos painéis de alimentação, melhoria nas canaletas de cabos, instalação de equipamentos em painéis apropriados para facilitar a manutenção.

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3 – PRICIPAIS REQUISITOS DOS SISTEMAS DE CONTROLE DIGITAIS Os principais requisitos dos sistemas de controle digitais, são relativos à confiabilidade e desempenho.

Índices de confiabilidade:

Tempo Médio entre Falhas

Tempo médio de reparo de primeiro escalão (substituição da parte defeituosa)

Índice de Disponibilidade: atualmente acima de 99,95%

Vida útil dos equipamentos: Os equipamentos integrantes do Fornecimento deverão atender a uma utilização contínua do sistema por um prazo não inferior ao especificado abaixo, até o início do rápido incremento da taxa de falhas devido ao envelhecimento dos componentes e demais partes:

Equipamentos de nível 1 do SDSC: 20 anos.

Equipamentos de nível 2 do SDSC: 10 anos.

Microcomputadores portáteis: 4 anos. Estes índices devem ser constantemente revistos, pois, todo ano são lançadas novas versões de hardware e software. Nota-se uma tendência de desatualização de equipamentos cada vês mais rápida.

Operação degradada: O SDSC deverá possuir recursos que possibilitem a operação parcial quando da falha de um equipamento ou módulo qualquer, sempre sinalizando esta situação ao operador. Para tanto devem ser consideradas as seguintes situações básicas:

Falha de aquisição de sinal do processo

Falha de equipamento de interface com o operador

Falha de equipamento computacional

Falha de comunicação

Falhas de módulos redundantes

Falhas de módulos singelos

Requisitos de desempenho:

Resolução da seqüência de eventos

Tempo de apresentação de alarmes

Taxa de ocupação de qualquer canal de comunicação

Tempo de recuperação do sistema

Tempo de inicialização

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4 – POLÍTICAS DE CICLO DE VIDA SISTEMAS DE CONTROLE DIGITAIS

4.1 Desenvolvimento e acesso ao mercado

Baseado nas necessidades do mercado e no avanço tecnológico. Idéias sobre produtos são geradas e desenvolvidas. Após acesso técnico e de mercado, estas técnicas são transferidas para o projeto de produto. Novos projetos são continuamente sendo acessados e melhorados até o desenvolvimento final da nova geração de sistema de controle ou componente. A este tempo, o novo sistema ou componente está pronto para ser comercializado.

4.2 Lançamento comercial

O novo sistema de controle é introduzido comercialmente para os clientes com completo comprometimento de suporte de produto. Preços e prazos de entrega padrão são publicados, para peças sobressalentes e reparos. Equipes de assintência técnica em campo estão prontas para atender as necessidades. São oferecidos treinamentos para o pessoal da planta para ganhar conhecimentos de operação, reparo e manutenção do novo sistema de controle.

4.3 Ativo

Nesta fase, o sistema está sendo ativamente e continuamente fabricado. Recursos de P&D são empregados para melhoria da capacidade da tecnologia de acordo com as necessidades do mercado. O suporte para o sistema sendo desatualizado é provido por equipes de projeto e grupos de serviço em campo. Peças reservas podem ser compradas em preços publicados e tempos de entrega normais. Reparo de produto é uma opção disponível para melhorar a durabilidade de sistema de controle e maximizar a disponibilidade da planta. Equipes de serviço estão de prontidão 24 h para responder necessidades rapidamente. Transferência de conhecimentos sobre o produto é conduzido através de programas de treinamento. Recomenda-se considerar os sistemas de controle “ativo” para qualquer novo sistema de controle da planta e qualquer maior expansão para minimizar a necessidade de migrar para nova tecnologia e também reduzir as despesas de longo tempo de manutenção, maximizando o retorno sobre o investimento.

4.4 Fase extinta

Devido ao rápido avanço tecnológico, alguns sistemas serão repostos pela nova geração de tecnológica. Os produtos que entram no estágio “fase extinta” serão removidos do catálogo de produtos. Peças reservas podem ser compradas a preços publicados com tempo de entrega normal. Reparos também estarão disponíveis. Entretanto, sistemas para novas plantas e maiores expansões não serão fornecidos. Fortemente se encoraja os clientes com estes sistemas para considerar a migração ou atualização para a mais nova tecnologia quando comprar novo sistema de controle ou no caso de uma grande expansão.

4.5 Última chamada

Aproximando-se o fim da “fase extinta”, os clientes são informados que o produto está “na última chamada”. A última batelada de produtos está sendo fabricada. Neste estágio, os clientes terão a última chance de reparar os componentes com

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defeito e estocar peças reservas críticas. Entretanto, devido a disponibilidade de material, altos custos e tempos longos de entrega poderão ser aplicados. Fortemente se encoraja os clientes considerar a migração ou atualização para a mais nova tecnologia para manter disponibilidade e confiabilidade, minimizando custos de manutenção e maximizando retorno sobre o investimento.

4.6 Sistema obsoleto

Nesta fase os clientes devem estar cientes do seguinte:

Os sistemas não estão listados na linha de produto.

Os sistemas não são mais fabricados.

Não mais existe a compra normal de componentes.

As capacidades do serviço de campo podes estar diminuídas. Em caso de falha, tenta-se atender as necessidades pela procura de alguma peça reserva em qualquer lugar do mundo, reforma, reposição funcional ou outro recurso possível. Entretanto, isto não pode ser garantido, e pode estar sujeito a longos períodos de entrega de altos custos.

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5 – UM PLANEJAMENTO PARA ATUALIZAÇÃO Como exemplo, o sistema de controle da turbina a gás – TXP, foi instalado pela primeira vez em 1996 nos Estados Unidos. No momento encontra-se na fase “última chamada”, na qual existe grande dificuldade de se conseguir suporte técnico, treinamento e peças sobressalentes. O projeto do DCS de Araucária é do final da década de 90 e já foram existem outras gerações de equipamentos mais avançados, lançados pelos fabricantes originais e por outros fabricantes que podem ser compatíveis. Estas melhorias fazem parte de um processo constante. Os próprios fabricantes estão em busca da melhoria contínua, para cada vez mais, superar os índices de desempenho (confiabilidade e disponibilidade). Isto tem gerado pelo menos duas novas versões de sistemas (HW e SW) a cada ano. O planejamento para atualização do Sistema de Controle (como o existente para outras usinas e centros de controle), deve causar o menor impacto possível na disponibilidade da planta e também com o menor custo possível, mantendo ou melhorando as funcionalidades existentes. Temos uma complexidade grande nos sistemas de controle, pois, normalmente as usinas tem um sistema de controle de um único fabricante e aqui temos 3 sistemas de controle diferentes. Estão funcionando integrados por protocolos Modbus [19] e também existe uma grande diversidade de outros protocolos com sistemas menores. As funcionalidades oferecidas pelo Modbus são bastante limitadas, apesar de bastante difundidas e de simples implementação. Já em novos protocolos e redes, estão disponíveis novos serviços que entre outros benefícios, privilegiam o tráfego de informações críticas pelo modelo de comunicação por exceção, inclusive pelo uso de mensagens não-solicitadas, onde o equipamento envia automaticamente os dados mais críticos sem uma solicitação do servidor. Nos sistemas de controle mais modernos, que trabalham no conceito de servidores e consoles de operação, a distribuição do processamento tem arquitetura bastante flexível, podendo alocar todas as principais tarefas de monitoramento e supervisão num único computador ou separar as principais atividades em diversas unidades, com opção de redundância nativa em cada uma delas. A aquisição dos dados pode ocorrer através de qualquer servidor OPC ou por drivers de comunicação nativos, que permitem um bom grau de otimização na comunicação e flexibilidade de configuração, inclusive de forma “on-line”. Podem ser alocados servidores apenas para execução destes processos, que reportam as modificações nos dados para outras máquinas através de OPC ou de outros protocolos sobre TCP/IP, que trabalhando em modo de exceção, reportam os dados no padrão VQT (Valor, Qualidade e “Time Stamp”). A redundância em equipamentos de aquisição também é suportada. Dessa forma, os “drivers” de comunicação podem “chavear” para o próximo dispositivo disponível quando for notada uma falha específica, não somente quando há erros de comunicação. O uso de mecanismos de sincronização de arquivos e bases de dados, já é possível distribuir partes das tarefas de um sistema complexo em diversos servidores, com a opção de redundância em pares. Dessa forma, entretanto, ainda se mantém os benefícios em relação à arquitetura antecessora, como o sincronismo automático das telas de processo entre todas as consoles de operação e outras facilidades de manutenção.

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Para sistemas onde o principal problema não é exatamente o tamanho da aplicação, mas a necessidade de operação 24x7 com MTBF (“Mean Time Between Failures”) de muitos anos, ou seja, com alto índice de confiabilidade, pode levar alguns usuários a preferir uma arquitetura triplamente redundante para os servidores. Apesar dessa possibilidade realmente ocorrer ser bastante questionável, já existem soluções de mercado que permitem tal configuração. A questão é que se o MTTR (“Mean Time to Repare”) por algum motivo for alto, pode valer a pena manter uma máquina pronta para assumir a atividade. Uma das arquiteturas possíveis para atender este requisito exibe um servidor principal, um servidor “standby” ativo ou “quente” (com drivers de comunicação ativos ou não) e mais um terceiro servidor em “standby” inativo ou “frio”. Dessa forma, no caso de indisponibilidade do servidor principal, o servidor “standby” passa a ser o principal, e o servidor inativo pode manualmente ou automaticamente ser colocado em “standby” ativo, caso o dano verificado no primeiro servidor seja suficiente para que esta atitude seja tomada. O MTBF de servidores redundantes já é alto o suficiente para a grande maioria das aplicações, visto que esse número é calculado elevando-se o MTBF de cada servidor ao quadrado: MTBF Par Redundante = (MTBF Individual)

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Como resultado da necessidade de se obter mais facilidade na administração de sistemas de automação e aquisição de dados, tem surgido novas redes e protocolos que permitem uma interação muito mais abrangente e confiável com os dispositivos de chão de fábrica.

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6 – RECOMENDAÇÕES E CONCLUSÕES Devido a sua grande importância, os sistemas de controle devem ter uma grande tolerância a falhas, implementar ferramentas que facilitem a detecção e sinalização de falhas, disponibilizar relatórios de diagnóstico da situação em que se encontram os diversos equipamentos da rede de computadores e acompanhamento de degradação de desempenho. Estes diagnósticos permitirão tomar medidas de prevenção e mitigação de problemas. O término de vida útil de equipamentos essenciais poderá ser estimado e um planejamento para substituição a menores custos poderá ser realizado. Também importante é o nível de redundância e das técnicas de recobrimento de funções, bem como a validação e verificação de hardware e software. Os sistemas de controle digitais estão assumindo importância cada vez maior em instalações complexas e críticas, que funcionam 24 horas por dia, 7 dias por semana (24x7), tais como: centros de controle de sistemas de potência, sala de comando de usinas termelétricas e hidrelétricas, centros de telecomunicações, centros financeiros e outros grandes segmentos da economia. Uma falha nestes sistemas pode trazer conseqüências catastróficas ou, pelo menos, grandes prejuízos a todo o sistema controlado. Portanto, é de suma importância manter o sistema de controle digital atualizado com o que há de melhor em termos tecnológicos, com um planejamento para atualização periódica destes equipamentos. Os custos envolvidos nesta atualização trazem um retorno rápido com a melhoria no desempenho e segurança da planta controlada, diminuição dos tempos de indisponibilidade e redução da taxa de falhas. Um bom planejamento fará com estes custos sejam ainda mais reduzidos. Grande parte dos problemas que ocorrem com equipamentos dos sistemas de controle, são devidos a grande quantidade de poeira e temperatura ambiente elevada. Isto pode ser resolvido por uma melhoria nas instalações físicas, tais como: "lay-out" ergonômico, separação dos equipamentos em ambientes individualizados (sala de operadores, sala de engenharia e sala de painéis), melhoria nos painéis de alimentação, melhoria nas canaletas de cabos, instalação de equipamentos em painéis apropriados para facilitar a manutenção. Isto permite que os equipamentos permaneçam em ambientes mais limpos e com temperaturas mais apropriadas para proporcionar maior tempo de vida útil. Inicialmente pretendíamos estudar todos os sistemas e fazer um levantamento de todas as ocorrências com os sistema de controle digitais, analisando e buscando as causas fundamentais, que levassem à uma conclusão sobre as melhores soluções para os problemas. Em seguida, em conjunto com um levantamento das necessidade das equipes de operação e manutenção, desenvolver ou buscar no mercado soluções que melhor atendesse aos nossos requisitos. Infelizmente muitos dados foram perdidos e nem todas as informações estão disponíveis. Sabemos de problemas mais gritantes, que são motivos constantes reclamações, tais como: lista de eventos e alarmes confusa, falhas em computadores inesperadas ou durante momentos críticos, alto custo de reposição de sobressalentes e consumíveis, dificuldades com recuperação de informação históricas, pequena capacidade de armazenamento de dados, dificuldades para implementar novos relatórios, dificuldades de expansão e melhorias na forma de controlar os equipamentos e grande dependência de suporte técnico. Recomenda-se para o próximos trabalhos, avançar no levantamento de dados junto às equipes de manutenção e operação, inclusive com outras instalações que possuem os mesmos equipamentos. Com estes dados e com as necessidades,

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elaborar uma especificação que atenda estas necessidades e que possam ser encontradas no mercado. Percebe-se uma crescente exigência por produtos padronizados e softwares abertos nos níveis superiores dos sistemas de controle e por redes “fieldbus” no nível de processo. além disso, é crescente a demanda por sistemas de gerenciamento de processos integrados aos sistemas corporativos. Futuros trabalhos terão um grande campo de pesquisas nestas áreas.

Fig. 3: Sala de controle moderna

Notas: (1)

™Ethernet is a trademark of Xerox Corporation.

™Motif and OSF are trademarks of Open Software Foundation, Incorporated.

™RISC is a trademark of MIPS Computer Systems, Incorporated.

™Unix is a trademark of Unix Systems Laboratories.

™X-Windows is a trademark of Massachusetts Institute of Technology.

™Modbus is a registered trademark of Schneider Automation, Inc.

FOUNDATION™ fieldbus is a registered trademark of the Fieldbus Foundation.

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7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[01] Assis N., J. Q.: Redes de comunicação tempo real aplicadas ao controle da Usina

Hidrelétrica Segredo. Monografia do Curso de Especialização em Teleinformática e Redes

de Computadores, UTFPR, Curitiba, 1996.

[02] Burda Jr., Irineu: Análise Comparativa de dois Sistemas Fieldbus em Termos de

Comunicação em Tempo Real. Monografia do Curso de Especialização em

Teleinformática e Redes de Computadores, UTFPR, Curitiba, 1999.

[03] Siqueira, R. P.; Fonseca, Keiko V. O. : Protocolos de Comunicação em Sistemas de

Automação de Energia Elétrica: Uma Visão Geral. UTFPR, Curitiba, 2006.

[04] Stemmer, M. R.: Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores para Controle e

Automação Industrial. Apostila do Curso de Engenharia de Automação e Controle,

UFSC, Florianópolis, 2001.

[05] Cochran, Mitch: Lifecycle planning for your DCS. 2007 OUTAGE HANDBOOK, Las

Vegas, COMBINED CYCLE JOURNAL, p. OH-80 a OH84, Third Quarter 2006.

[06] Eletronics Industries Association (EIA): EIA-RS485 Specification, EIA-RS232

Specification, EIA-RS310 Specification.

[07] IEEE:Project 802, Local Networks Standards. IEEE, New York, 1983.

[08] IEC 870-5-1,2,3,4,5 – Telecontrol Equipment and Systems – Transmission protocols.

[09] Foz do Chopim Energética – FCE: Especificação Técnica FCE-CF52-0002-ET-R2-

secaoII, Usina Hidrelétrica Foz do Chopim, 2000.

[10] Sobre a Copel: <http://www.copel.com/pagcopel.nsf/docsap>, Acesso em: 27 jun. 2007.

[11] UEG Araucária: <http://www.uegaraucaria.com.br>, Acesso em: 27 jun. 2007.

[12] A Petrobras <http://www2.petrobras.com.br/portugues/ads/ads_Petrobras.html>, Acesso em: 27 jun.

2007.

[13] Military Handbook - Reliability Prediction of Electronic Equipment. - MIL-HDBK-217

revisão D ou posterior.

[14] MODBUS Application Protocol Specification, 2002, Disponível em:

<http://www.modbus.org> Acesso em: 11.abr.2007.

[15] Torresini, Ederson; Mafra, Paulo M. : Administração de Sistemas Operacionais de

Rede, GeNESS Fábrica de Empresas de Software , Florianópolis, 2006 (Apostila).

[16] Watanabe, Edson H.: Aplicação de Software Aberto em Redes Industriais. Tese

Mestrado, UFPR, Curitiba, 2006.

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[17] Procedimentos de Rede do ONS: Submódulo 2.5 – Requisitos Mínimos dos Sistemas

de Proteção, Supervisão/Controle e de Telecomunicações; Disponível em:

<http://www.ons.org.br> Acesso em: 11.mai.2007.

[18] Procedimentos de Rede do ONS: Submódulo 10.19 – Requisitos de Tele-supervisão para

a Operação Disponível em: <http://www.ons.org.br> Acesso em: 11.mai.2007.

[19] Procedimentos de Rede do ONS: Submódulo 13.2 – Requisitos de Telecomunicações.

Disponível em: <http://www.ons.org.br> Acesso em: 11.mai.2007.