A evolução tecnológica nos novos trens do Metrô • Desafios na implantação do sistema de sinalização e

A evolução tecnológica nos novos trens do Metrô

MARCOS JURADO ROSA*

OMetrô de São Paulo iniciou sua operação comercial em 14 de setembro de 1974 com os trens da frota A, estando sempre na vanguarda de tecnologia para a época, com alta segurança e desempenho, tornando-o referência quanto à prestação de serviço.

As constantes modernizações em seus sistemas permitem que o Metrô de São Paulo mantenha seus recursos tecnológicos atualizados, o que garante a excelência nos resultados, bem como benefícios aos passageiros.

O percurso histórico do sistema metroviário conta com o aumento das linhas, aumento significativo da demanda de passageiros e aquisição de novas frotas que acompanham a evolução tecnológica (conforme figuras 1 e 2).

É notório o avanço tecnológico no percurso apresentado, os quais visaram eficiência, confiabilidade, disponibilidade e conforto.

Tais avanços serão detalhados com uma breve explicação de sua função ao sistema metroviário e, foram separados em: sistemas de tração e frenagem, sistemas de controle e segurança operacional e ainda, os sistemas de monitoramento, conforto e segurança pública.

SISTEMA DE TRAÇÃO E FRENAGEM

Um trem do Metrô possui 6 carros motorizados, 4 eixos por carro e 1 motor de tração por eixo. Os trens necessitam de controle preciso dos motores de tração, de modo que esse controle deve ser idêntico carro a carro de um trem, para que não ocorram esforços nos engates, mesmo com diferença de lotação. O sistema de tração tem a função de tracionar o trem conforme demanda solicitada pelo operador ou pelo sistema de controle e por frear com regeneração de energia sob demanda da unidade eletrônica de freio, que privilegia a frenagem elétrica e executa um “blending” com o freio de atrito através de cálculos precisos, fazendo com que o passageiro não sinta a transição do freio elétrico para o freio de atrito. Além disso, o sistema de tração calcula o peso do carro através das bolsas de ar da suspenção secundária e varia o esforço de tração e freio, além de controlar as taxas máximas de aceleração e freio para garantir o conforto ao passageiro no interior do trem.

Em situações de baixa aderência, o sistema de tração faz um monitoramento e controle para impedir patinagem para evitar danos às rodas, assim como o sistema de freio controla o deslizamento das rodas nos trilhos, para isso, a unidade de freio cancela o freio elétrico, pois ele não possui precisão no controle de deslizamento e controla o freio de atrito semelhantemente a um sistema de freios ABS dos veículos, buscando manter a distância percorrida durante as frenagens.

A frota A era provida de motores elétricos de corrente contínua com 150HP (112KW) de potência por motor, controlados por uma eletrônica embarcada com componentes discretos do tipo transistores e circuitos lógicos (TTL) e gavetas

Figura 1 - Resumo dos avanços tecnológicos na aquisição/modernização das frotas de 1974 a 2010

Figura 3 - Circuito básico de potência com Tiristor SCR

Figura 4 - Caixa de controle de tração - Frota A

Figura 5 - Circuito básico de potência com transistor IBGT da frota J Figura 7 - Caixa de controle eletrônico de freio da frota A

Figura 8 - Módulo eletrônico de freio da frota J

de potência com tiristor SCR, que por limitação da tecnologia foram projetados numa associação série e paralelo (figuras 3 e 4).

Nessa frota o sistema antideslizamento não possuía boa eficiência, causando em dias de chuva, danos nas rodas e necessidade de uma restrição de velocidade de 29% no sistema de controle dos trens (ATC – Controle Automático de Trem).

Devido à baixa eficiência do sistema regenerativo e a utilização de contatores de chaveamento, muita energia se perdia, sendo dissipada nos resistores de frenagem.

Os sistemas de tração atuais trabalham com motores de indução trifásicos, corrente alternada de aproximadamente 200 HP (150 KW), controlados por eletrônica embarcada microprocessada e transistor IGBT. Ainda em destaque, o sistema diferenciado dos trens do monotrilho que possuem motores de tração de imã permanente de 96KW e refrigerados por líquido (figuras 5 e 6).

Ainda assim, os novos sistemas de freios, utilizam controle digital microprocessado e sistema eletropneumático extra rápido principalmente para o controle de frenagem em baixa aderência. Como exemplo de ganhos alcançados com essa modernização, o Metrô reduziu a restrição da velocidade em dias de chuva para 14%, deixando-a imperceptível ao passageiro do Metrô por não afetar significativamente o tempo de viagem (figuras 7 e 8).

Cabe citar que a modernização propiciou, na eliminação de alguns componentes críticos como escovas dos motores, semicondutores e contatores de potência, além da redução de insumos como pastilhas de freio e rodas. A eletrônica microprocessada facilitou a manutenção corretiva, preventiva e preditiva e reduziu o consumo de energia elétrica consequentemente aumentando o desempenho operacional dos trens.

SISTEMAS DE CONTROLE E SEGURANÇA OPERACIONAL

O Metrô possui um sistema de controle e de segurança com função anticolisão chamado ATC – Sistema Automático de Trens, esse sistema possui circuitos de via chamados blocos fixos, de aproximadamente 140 metros cada e utiliza tecnologia analógica de comunicação entre o trem e a via.

Para regulação do sistema o Metrô utiliza o ATO – Automatic Train Operation, ele é responsável por manter o intervalo fixo entre os trens em toda a linha, o centro de controle, utiliza níveis de aceleração e também controles das velocidades máximas nos trens, chamados de níveis de desempenho, que pode atrasar ou adiantar um trem na linha. Essa informação é recebida pelo trem através das antenas nas estações, antenas essas responsáveis também pela parada automática dos trens nas estações.

A principal dificuldade de operar com esse sistema em linhas com grande demanda de passageiros é a distância que o sistema, por segurança, mantém entre os trens, pois a 140 metros atrás do trem, a velocidade limite enviada ao trem é de 0 km/h, nos próximos 140 metros a velocidade é 10 km/h, nos próximos 140 metros a velocidade é 30 km/h e somente nos próximos 140 metros a velocidade é liberada (conforme representação da figura 9 e painel da figura 10).

Esse sistema foi modernizado com o

Figura 9 - Sistema de controle e anticolisão do ATC Figura 11 - Sistema de controle e anticolisão do CBTC

Figura 10 - Painel de monitoramento do ATC da Frota A

sistema CBTC - Controle de Trens Baseado em Comunicação, já implantado nas linhas 2-Verde e 15-Prata do Metrô e, em implantação nas linhas 1-Azul e 3-Vermelha, que utiliza comunicação bidirecional digital wireless com alta confiabilidade e disponibilidade, mantendo o trem sempre conectado com o sistema de controle, além de utilizar sistema de blocos móveis permitindo maior regulação do sistema, maior conforto aos passageiros e principalmente, maior aproximação entre os trens, isso graças às balizas de localização instaladas ao longo da linha que dão precisão para a localização dos trens, possibilitando uma operação com mais trens na linha, aumentando a oferta de trens aos passageiros, além de economizar energia e ter precisão no ponto de parada da estação.

O sistema CBTC também possibilita a operação sem operador de trem, denominada UTO - Unattended Train Operation. Importante salientar que a frota M e o CBTC da Linha 15-Prata foram projetados para operar em UTO (figuras 11 e 12).

No quesito segurança operacional, o sistema CBTC possui um registro completo de dados em sua memória, possibilitando análises preditivas e análises em incidentes. Além desse recurso, os trens modernos contam com uma caixa preta, semelhante a já conhecida na aviação que registra os principais sinais do trem, analógicos, digitais e sinais de rede de modo seguro e confiável, como: comando de abertura de portas pelo ATC/CBTC ou botoeiras, velocidade do trem, velocidade máxima recebida pelo ATC/CBTC, sinal lateral de portas abertas entre outros.

Os trens da frota A, C e D não possuíam a caixa preta e após 1998, nos trens da frota E, o Metrô tomou esse item nos novos projetos com evoluções, registrando também imagens das câmeras, a comunicação com usuário pelo microfone de emergência do salão, entre outros benefícios (figuras 13 e 14).

O Metrô incorporou também a partir de 2008, na frota G, um sistema de detecção de incêndio dentro do carro, sistema esse que trabalha com sensores que detectam fumaça no interior do trem, cortam a ventilação no carro e sinalizam imediatamente ao operador do trem. Os trens das frotas H, M e P possuem ainda sistema de combate a incêndio com água nebulizada nos carros, pressurizada com nitrogênio (figuras 15, 16 e 17).

Figura 13 - Caixa preta da Frota P Figura 12 - Tela de monitoramento do CBTC da Frota G

Figura 15 - Detector de incêndio das frotas H e J

Figura 16 - Cilindros de nitrogênio e água da frota P Figura 17 - Esguicho do sistema de combate a incêndio da frota M

Figura 18 - Painel de instrumentos - frota A

Figura 19 - IHM’s da frota F

MONITORAMENTO,

CONFORTO E SEGURANÇA PÚBLICA

Os trens da frota A utilizavam lógicas físicas com relés e “train-lines” (fiação que percorria todo o trem) para seu funcionamento, visto que, não possuía equipamentos informatizados. Nas cabines as informações eram publicadas para o operador com relógios analógicos e lâmpadas (figura 18).

Os trens da frota F, que entraram em operação em 2002 foram os primeiros a receberem informatização nos trens, os quais foram dotados de computadores centrais, redes de comunicação, IHM’s nas cabines e módulos de interface com conversores AD e conversores de rede (figura 19).

A informatização reduziu consideravelmente a quantidade de cabos, train-lines e lógicas de relés nos trens e possibilitou maior integração dos sistemas que foram conectados à rede embarcada e monitorados on-line na IHM das cabines (figuras 20 e 21).

Em caso de falha em algum equipamento, imediatamente esse sinal é publicado na rede do trem e o TCMS publica no IHM, além disso o TCMS registra todos os eventos e falhas em memória interna, possibilitando que a manutenção faça análise dos dados para ações preditiva (figura 22).

Outro novo sistema, que começou a ser utilizado nos trens do Metrô em 2010 com a frota, foi o sistema de CFTV, composto por 4 câmeras internas no salão de passageiros e duas câmeras frontais, totalizando 26 câmeras por trem. Os trens da frota P, possuem além das 26 câmeras internas, câmeras na cabine do operador. Nas demais frotas já está em estudo essa implantação.

Esse sistema possibilita o resgate de imagens em caso de acidentes, incidentes, análise de falhas entre outros e é capaz de armazenar aproximadamente 4 dias de gravação de todas as câmeras do trem com redundância.

Além da gravação embarcada, o sistema publica as imagens on-line ao operador do trem na cabine, está em implantação o envio das imagens on-line ao centro de controle (figura 23).

Outro avanço significativo ocorreu no sistema de portas dos trens, devido sua grande importância para o desempenho da linha, onde são realizados mais de 3 milhões de aberturas de porta por dia, sendo que, em caso de falha em uma

Figura 21 - Armário de equipamentos conectados à rede da frota P

Figura 22 - Equipamentos conectados à rede visualizados na IHM da Frota L

Figura 23 - IHM de monitoramento do CFTC da Frota K

porta, a circulação de trens fica interrompida, visto que, o trem não parte se alguma porta estiver aberta.

Os trens da frota A possuíam sistema de portas com motores pneumáticos, estes estavam instalados um em cada folha de porta. O monitoramento de portas fechadas era realizado por Figura 24 - Sistema de portas com motor elétrico na frota J

Figura 25 - Sinóptico de portas na frota L

uma única microchave que tinha a função de inibir a tração, caso alguma porta estivesse aberta. Na cabine havia uma única sinalização de portas fechadas e em caso de falha, a única indicação disponível ao operador de trem era uma lâmpada externa informando qual o carro estava com porta aberta, porém sem informar qual a porta com problema, gerando atrasos no reestabelecimento do sistema.

Os sistemas de portas atuais estão equipados com motores elétricos controlados por eletrônica local microprocessada e conectadas à rede. As folhas de portas possuem um único motor e são acopladas por meio de um parafuso de conjugação. A segurança também foi aumentada com inserção de uma segunda microchave, sendo que a primeira tem a função de comprovar que a porta está fechada e a outra para comprovar que a porta está travada, além disso, caso algumas dessas microchaves não fechem, após a solicitação de fechamento, o próprio controlador eletrônico local realiza uma nova tentativa de abertura e fechamento somente da porta problema e, se mesmo assim a porta não fechar, o controlador local sinaliza externamente o carro com problema e também indica na IHM da cabine do operador (figuras 24 e 25).

Outro sistema que a evolução tecnológica contribuiu consideravelmente para Figura 26 - Conversor de frequência da frota J

Figura 27 - Banco de baterias da frota J

Figura 29 - Máquina de ar condicionado no teto da frota G a melhoria do desempenho é o sistema de suprimento elétrico, o qual têm a função de fornecer 380Vac trifásico para iluminação, compressores e ar condicionado, além de gerar 48Vcc ou 72Vcc para carregar os bancos de baterias.

Cada trem possui quatro conversores estáticos com transistores IGBT’s e, aproximadamente, 140kW/h cada. Eles carregam dois bancos de baterias de 330Ah por 5 horas, comparativamente os trens da frota A possuíam banco de baterias de 120kW/h (figuras 26 e 27).

Atualmente os trens já possuem iluminação a led que são ligadas diretamente ao banco de baterias, mantendo a iluminação ligada mesmo com a perda da alta tensão. As frotas P e M foram concebidas com toda iluminação e sinalização a led, inclusive os faróis frontais.

Aspectos de conforto são indispensáveis, portanto, foram implementados, com o advindo da tecnologia, os sistemas de ar condicionado e comunicação áudio visual com os passageiros, como exemplos.

Os trens da frota A possuíam poderosos ventiladores e exaustores com objetivo de manter o conforto térmico no trem, porém geravam altos índices de ruído, e não atendiam a demanda em dias muito quentes, com trens muito cheios (figura 28).

A partir de 2002, iniciando-se com a frota F, os trens passaram a possuir sistema de refrigeração, com duas máquinas por carro, de altíssima potência, capaz de refrigerar um carro em minutos. O siste-

Figura 30 - Janela basculante com eletroímã da frota G

Figura 31 - Display de informações - Frota J ma de ar condicionado possui sistema de controle de temperatura e renovação de ar automáticos e microprocessados, possibilitando que as janelas dos trens fiquem fechadas, gerando mais um benefício no quesito ruído.

A partir de 2015, nos trens das frotas I, J, K e L, os sistemas de ar condicionados passaram a dispor de conversor DC/AC que permitem alimentação da ventilação do trem por até 30 minutos após a queda de energia do terceiro trilho, evitando pânico por abafamento e, consequentemente, autoevacuação dos trens em situações de emergência (figura 29).

Além disso, os trens da frota G e P possuem basculantes nas janelas panorâmicas, os quais ficam travados por eletroímãs energizados, que em caso de queda de energia, são destravados automaticamente, permitindo ao passageiro abrir o

Figura 33 - Câmeras do trem da Linha 2-Verde sendo exibidas no CCO

Figura 34 - Câmera na cabine da frota P

Figura 35 - Rack do rádio digital da linha 15-Prata

Figura 36 - Telemetria dos trens em estudo

Figura 37 - Utilização de softwares especiais para análise de eventos e falhas

basculante se necessário (figura 30).

A comunicação e a informação ao passageiro se faz relevante no quesito tecnologia, sendo necessário apontar que os trens da frota A possuíam somente um sistema de PA – “Public Announcements”, onde o operador do trem pressionava um botão na cabine e pronunciava o nome da próxima estação ou mensagem desejada ao passageiro. A evolução tecnológica propiciou a

Câmeras de monitoramento nas cabines

- Disponibilizará imagens da cabine para auxílio em pesquisa de falha e incidentes (figura 34).

Sistema de comunicação por rádio VHF digital nas linhas 1-Azul, 2-Verde e

3-Vermelha - A substituição do sistema de rádio comunicação é fundamental para melhorar nossos resultados e principalmente para auxiliar na agilidade ao reestabelecimento dos sistemas em caso de anormalidades e interferências (figura 35).

SCMVD - Sistema de Comunicações Móveis de Voz e Vídeo para as li-

nha 1-Azul, 2-Verde e 3-Vermelha - O SCMVD é um sistema de conexão entre o trem e a via que utiliza tecnologia wi-fi de banda larga para tráfego de dados e voz, e possibilitará o envio das câmeras do trem, emissão de PA no trem pelo centro de controle, telemetria dos trens e comunicação direta com o passageiro pelos microfones de emergência do salão. Esse sistema está em operação na Linha 15-Prata e em implantação nas linhas 1-Azul, 2-Verde e 3-Vermelha. Telemetria - A telemetria é amplamente utilizada na aviação para monitoramento das turbinas e está sendo implantado no Metrô. Serão instalados computadores industriais nos trens que farão a conexão da rede embarcada com a rede SCMVD, enviando todas informações necessárias para análise e status dos equipamentos do trem (figura 36).

Inteligência artificial para análise dos re-

gistros de eventos e falhas - Com utilização de softwares específicos, a proposta é que o sistema colete os logs de falhas dos trens e faça uma análise precisa indicando equipamentos que possivelmente podem entrar em modo de falha gerando transtornos aos sistemas. Essa proposta possibilita modificar o modo de manutenção de preventiva para preditiva (figura 37). Sistema de vídeo analíticos - O sistema auxiliará o corpo de segurança na detecção de furtos e roubos além de comportamentos irregulares como tumulto e vandalismos, aumentando a segurança no interior dos trens (figura 38).

Colaboradores

Eng Eduardo Augusto Campos; Eng Willian Eder Reis da Silva; Eng Charles Iury Oliveira Martins; Eng coordenador José Luiz Murano.

inserção de termos mensagens pré-gravadas em MP3 e publicadas automaticamente em momento pré-configurado pela quilometragem percorrida ou pela informação de localização enviada pelo CBTC.

Para facilitar a comunicação e atender os passageiros deficientes auditivos, foram instalados displays internos sincronizados com o PA digital, isto é, toda mensagem falada, também é escrita nos displays e sinalizada nos mapas dinâmicos da linha (figuras 31 e 32).

Na Linha 15-Prata já é possível emitir PA no trem pelo Centro de Controle Operacional (CCO), tal função está em implantação nas demais linhas.

PROJETOS FUTUROS EM

PLANEJAMENTO E IMPLANTAÇÃO

Outros avanços tecnológicos encontram-se em implantação, tais como:

Acesso on-line às câmeras do trem no

CCO - Esse recurso possibilitará ao corpo de segurança monitorar o interior dos trens para prevenção de roubos e furtos (figura 33).

* Marcos Jurado Rosa é engenheiro do Metrô-SP E-mail: imprensa@metrosp.com.br