Painéis elétricos inteligentes: recorrendo a soluções comerciais

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GUSTAVO GOMES RITTER

PAINÉIS ELÉTRICOS INTELIGENTES:

RECORRENDO A SOLUÇÕES COMERCIAIS

Ijuí 2020

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PAINÉIS ELÉTRICOS INTELIGENTES:

RECORRENDO A SOLUÇÕES COMERCIAIS

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador(a): Prof. Dr. Maurício de Campos

Ijuí 2020

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PAINÉIS ELÉTRICOS INTELIGENTES:

RECORRENDO A SOLUÇÕES COMERCIAIS

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.

Ijuí, 10 de Julho de 2020.

Prof. Maurício de Campos Doutor pela UNIJUÍ - Orientador Prof. Caroline D. Radüns Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Sandro Alberto Bock Mestre pela UNIJUÍ

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Dedico esse trabalho à minha família, que sempre acreditou no meu potencial. A minha vitória também é de vocês!

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mais esta etapa.

À Universidade de Passo Fundo – UPF, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URICER e Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, por proporcionarem acesso ao conhecimento através do curso de Engenharia Elétrica.

Aos professores pela paciência e pelo empenho durante as aulas ministradas no decorrer do curso. Em especial ao mestre, agora Diretor Acadêmico na URICER, Adilson L. Stankiewicz, pelo apoio incondicional.

Ao meu orientador Maurício de Campos pelo apoio, pela atenção e por proporcionar o acesso ao conhecimento de forma mais clara e objetiva.

E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, meu muito obrigado.

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Nossas virtudes e nossos defeitos são inseparáveis, assim como a força e a matéria. Quando se separam, o homem deixa de existir.

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Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

A concepção da Indústria 4.0 está transformando a indústria tradicional e introduzindo novos conceitos. A Indústria 4.0 é caracterizada pelo desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias de armazenamento de dados, de monitoramento e de controle no ambiente industrial. No início da cadeia de produção industrial, estão os painéis elétricos, que são fundamentais aos processos e precisam acompanhar o desenvolvimento tecnológico da Indústria 4.0. De tais premissas, surge um novo conceito em painéis elétricos, os chamados Painéis Inteligentes, que se utilizam dos tradicionais dispositivos elétricos e eletrônicos aliados a novos elementos, conectáveis e inteligentes. Este trabalho apresenta os conceitos básicos da Indústria 4.0 e suas aplicações em painéis elétricos, através de um levantamento das soluções comerciais disponíveis no mercado para elaboração de projetos e montagem de painéis elétricos inteligentes de baixa tensão. Nas soluções pesquisadas são estudados dispositivos elétricos, eletrônicos, de automação e comunicação e também de software. A partir desse estudo são analisados dois projetos de painéis: um convencional, com dispositivos comuns e seu análogo inteligente, mostrando as diferenças de projeto, funcionalidades, aplicações e custos das duas abordagens. Esta comparação evidencia benefícios da utilização dos painéis inteligentes, porém, mostra que ainda existe uma diferença considerável de custo entre eles.

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Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

Industry 4.0 is transforming the traditional industry and introducing new concepts. Industry 4.0 is characterized by the development and application of new technologies for data storage, monitoring, and control in the industrial environment. Electric panels are at the beginning of the industrial production chain; they are fundamental to the processes and have to keep up with the technological development of Industry 4.0. From these premises, a new concept of electrical panels arises: the smart panels. Smart panels use traditional electrical and electronic devices combined with new connectable and smart elements. This study presents the basic concepts of Industry 4.0 and its applications in electrical panels, through a survey of commercial solutions available on the market for the design and assembly of smart low-voltage electrical panels. From smart panels solutions, electrical, electronic, automation, and communication devices and software were studied. Two panel designs were analyzed in this study: a conventional panel, with common devices, and a smart panel, and the differences in design, functionality, applications and costs of the two approaches were shown. This comparison highlights the benefits of using smart panels. However, it shows that there is still a considerable difference in cost between them.

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Figura 2: Infraestrutura Baseada na Internet ... 23

Figura 3: Quadros Elétricos Convencionais ... 24

Figura 4: Quadro Elétrico Inteligente ... 25

Figura 5: Entendendo Como o Smart Panel Transforma a Instalação ... 26

Figura 6: Realidade Aumentada Aplicada a Painéis Elétricos ... 28

Figura 7: Arquitetura com Dispositivos Enerlin’X ... 30

Figura 8: Servidor de Dados de Energia Com’X ... 31

Figura 9: Módulos de Visualização FDM ... 32

Figura 10: Interfaces IFE ... 34

Figura 11: Dispositivos Modulares com Smartlink ... 35

Figura 12: Conexão no Smartlink ... 35

Figura 13: Exemplo de Instalação de Smartlink em Painel ... 36

Figura 14: Arranjo com RCA ... 37

Figura 15: Arranjo com Reflex iC60 ... 38

Figura 16: Interface de Operação Smartlink... 39

Figura 17: Dispositivo modular PowerTag ... 40

Figura 18: Arquitetura com PowerTag Link ... 41

Figura 19: Interface IFM ... 42

Figura 20: Módulo de Aplicação I/O ... 43

Figura 21: Disjuntor Masterpact MTZ ... 43

Figura 22: Comunicação e Monitoramento - Disjuntor Masterpact MTZ ... 45

Figura 23: Módulos Digitais - Disjuntor Masterpact MTZ ... 46

Figura 24: Recurso em Smartphone - Disjuntor Masterpact MTZ ... 46

Figura 25: Controlador Modicon M262 ... 47

Figura 26: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S TM3 ... 48

Figura 27: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S TM5 e TM7 ... 49

Figura 28: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S Seguras ... 50

Figura 29: Plataforma EcoStruxure – Schneider Electric ... 51

Figura 30: Camadas EcoStruxure – Schneider Electric ... 52

Figura 31: Arquitetura EcoStruxure – Schneider Electric ... 52

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BCM Breaker Communication Module CLP Controlador Lógico Programável CPS Cyber Physical System

E/S Entrada/Saída

HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning

I/O Input/Output

IEC International Electrotechnical Commission IHM Interface Homem-Máquina

IIoT Industrial Internet of Things IoT Internet of Things

IPxx Índice de Proteção

JSON JavaScript Object Notation MQTT MQ Telemetry Transport NFC Near Field Communication SIL Safety Integrity Level

TI Tecnologia da Informação

TLS Transport Layer Security ULP Universal Logic Plug

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1.1 MOTIVAÇÃO ... 16 1.2 OBJETIVOS ... 16 1.2.1 Objetivo Geral ... 16 1.2.2 Objetivos Específicos ... 16 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 17 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 18

2.1 INDUSTRIA 4.0: ASPECTOS GERAIS ... 18

2.2 PAINÉIS ELÉTRICOS ... 24

3 SOLUÇÕES COMERCIAIS ... 29

3.1 DISPOSITIVOS DE BAIXA TENSÃO ... 29

3.1.1 Enerlin’X ... 29

3.1.2 Servidor de Dados de Energia Com’X ... 31

3.1.3 Módulo de Visualização FDM ... 31

3.1.4 Interface IFE ... 33

3.1.5 Smartlink Acti 9 ... 34

3.1.6 PowerTag ... 39

3.1.7 Interface IFM ... 41

3.1.8 Módulo de Aplicação I/O ... 42

3.1.9 Disjuntor Masterpact MTZ ... 43

3.2 HARDWARE DE AUTOMAÇÃO ... 47

3.3 SOFTWARE DE DESENVOLVIMETO ... 50

4 ANÁLISE COMPARATIVA: SMART PANEL X CONVENCIONAL .... 53

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS58 5.1 CONCLUSÕES ... 58

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ANEXO 2 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS RCA ... 64

ANEXO 3 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS REFLEX IC60 ... 65

ANEXO 4 – SISTEMA DE COMUNICAÇÃO ENERLIN’X ... 66

ANEXO 5 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS INTERFACE IFE ... 68

ANEXO 6 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS INTERFACE IFM ... 69

ANEXO 7 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MÓDULO I/O ... 70

ANEXO 8 – MODICON M262 EM ARQUITETURAS TDAV ... 71

APÊNDICE 1 – PROJETO PAINEL INTELIGENTE ... 73

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1 INTRODUÇÃO

A chamada Quarta Revolução Industrial, mais conhecida como Indústria 4.0 (I4.0), de uma forma geral rompe as barreiras entre os mundos físico e digital. Segundo Pisching (2018), a I4.0 é caracterizada pelos sistemas ciber-físicos (CPSs – Cyber Physical Systems) que se caracterizam pelos sistemas compostos por elementos computacionais e armazenados em nuvem e a introdução da Internet das Coisas (IoT – Internet of Things) na indústria. Na Indústria 4.0, portanto, os sistemas ciber-físicos monitoram os processos físicos, propiciando tomadas de decisões em tempo real e de modo descentralizado (AMARAL, 2019).

De acordo com Kagermann & Riemensperger (2014), a I4.0 pode ser entendida como a implementação da fábrica inteligente (smart factory) e está centrada na manufatura baseada em serviços e processos inteligentes. Já, segundo Pisching (2018), a fábrica inteligente busca inovar os processos produtivos e atender as flutuações das demandas, assim como permitir a oferta de produtos personalizados que atendam às necessidades individualizadas de clientes.

Todo esse movimento demonstra que cada vez mais existe a necessidade de dispositivos e sistemas mais confiáveis e de maior versatilidade, uma vez que tudo está conectado. O conceito inteligente, portanto, não se limita aos processos produtivos mas sim a toda e qualquer ferramenta, dispositivo, sistema ou processo paralelo, direto ou indireto, relacionado ao produto final e têm importância neste contexto.

A cadeia de produção do setor industrial, normalmente, inicia-se nos painéis elétricos, que devem possuir a tecnologia de última geração como aliada (AMARAL, 2019). Então, para atender a exigência do mercado, que é a inovação constante, investir em Painéis Inteligentes (Smart Panels) é essencial, pois têm a união de todas as propriedades dos painéis convencionais e ainda possuem muitas outras funções que atendem às expectativas dessa nova era industrial.

Uma das maneiras de se atender a essa necessidade é pelo uso de elementos ou dispositivos “inteligentes” altamente flexíveis e adaptáveis em arquiteturas e sistemas de controle. Dispositivos que possam executar rapidamente funções de diagnóstico ou de controle simples, por exemplo, através de interfaces de operação e/ou comunicação locais ou remotas, tendo disponíveis ou gerando informações para tomada de decisão.

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Segundo Palheta (2019), a quantidade de sensores no mundo hoje já é maior do que a população mundial. Sensores já estão presentes no nosso dia-a-dia e conectam nossos dispositivos (celulares, TVs, automóveis, eletrodomésticos, entre outros), no entanto, haverá nos próximos anos uma expansão significativa na sua utilização e aplicações, além da massificação de dispositivos conectados à internet consolidando o conceito de internet das coisas.

No contexto de Indústria 4.0, os sensores conectados geram um grande volume de dados e à partir de modernos conceitos de análise de dados (data analytics), como por exemplo o chamado data mining, permitem aumentar a capacidade de tomada de decisão, inclusive, em tempo real. Segundo Tyszler (2018), empresas que montarem um plano de negócios com uma estratégia de analytics que lhes permita extrair insights de seus dados para serem usados em tempo real nos negócios certamente terão uma vantagem competitiva gigantesca nos próximos anos. Essa vantagem estende-se à fabricantes e integradores de componentes, dispositivos e sistemas, que cada vez mais terão de ampliar seus esforços no desenvolvimento de soluções que acompanhem o mercado.

Contudo, a partir desses conceitos, não são evidenciados apenas benefícios relacionados diretamente à produtividade. Entre os principais benefícios do uso dessas tecnologias estão a praticidade, a otimização do tempo, maior efetividade em manutenções, a diminuição de falhas e paradas de processo, economia de energia, diminuição de risco em manobras de dispositivos (segurança de operação), etc.

Transformações da cadeia produtiva são constantes mas a indústria 4.0 não é apenas mais uma delas. Nela, mundo virtual e mundo real se unem em todo o ciclo de vida de um produto. Conhecer e entender a disponibilidade de tecnologias e soluções é fundamental para o profissional atualmente. E nesse sentido, dispositivos e sistemas com grau maior de sofisticação e complexidade estão cada vez mais numerosos no mercado. Por fim pode-se afirmar que, na prática, se as máquinas vão interagir entre si e a cadeia produtiva estará virtualmente interligada, as pessoas precisam estar preparadas para isso. Assim, cada vez mais os profissionais precisam se adaptar aos novos conceitos, equipamentos e sistemas inteligentes. A interação com esses extrapola os comandos físicos e o profissional precisa compreender claramente seu funcionamento, uma vez que as empresas exigirão um colaborador diferente, muito mais versátil, ágil e conectado.

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Termos como smart panel, internet das coisas e computação na nuvem não podem mais ser estranhos ou motivo de dúvida aos novos profissionais. Só o futuro dirá o que mais vem por aí e quais as vantagens e limites das novas tecnologias impostas por essas iminentes mudanças. 1.1 MOTIVAÇÃO

Por se tratarem de tecnologias emergentes, os chamados painéis inteligentes para uso industrial não são ainda amplamente difundidos. Nesse sentido, ainda existe uma carência de literatura disponível tanto a profissionais do mercado como também no meio acadêmico. Portanto, um dos desafios é produzir material que possa apresentar, com clareza e simplicidade, as soluções comerciais para dispositivos e sistemas e possíveis aplicações em painéis elétricos inteligentes industriais.

1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral

Produzir um documento que permita compreender os impactos da transformação impostos pela Indústria 4.0 bem como apresentar, nesse contexto, algumas das tecnologias disponíveis comercialmente no âmbito industrial para painéis elétricos.

1.2.2 Objetivos Específicos

Para alcançar o objetivo geral, este trabalho envolve os seguintes objetivos específicos:  Realizar uma revisão bibliográfica sobre o tema.

 Compreender os pontos-chave que a transformação digital procura resolver no âmbito industrial;

 Explicar, por meio da identificação e categorização, as tecnologias referentes à dispositivos e sistemas “inteligentes” em comercialização.

 Pesquisar e avaliar as tecnologias e soluções comerciais disponíveis no mercado brasileiro para painéis elétricos inteligentes, exclusivamente para aplicações industriais e em baixa tensão.

 Estabelecer uma análise comparativa entre um projeto elétrico convencional e seu análogo inteligente.

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1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

No capítulo um deste trabalho é apresentada uma breve introdução acerca do tema e, ainda, descritos a motivação, objetivos e organização do mesmo.

O capítulo dois apresenta uma revisão de literatura abrangendo alguns dos conceitos mais relevantes referentes a Indústria 4.0 convergindo para o conceito de painéis elétricos inteligentes.

O capítulo três detalha algumas das soluções comerciais para painéis elétricos inteligentes, disponíveis no mercado nacional, quanto a dispositivos de baixa tensão, hardware e software.

O capítulo quatro estabelece uma análise comparativa de dois projetos elétricos genéricos sendo um painel inteligente e um painel convencional.

O trabalho se encerra com a apresentação de conclusões, recomendações para trabalhos futuros, referências bibliográficas, anexos e apêndices.

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2 REFERENCIAL TEÓRICO

Neste capítulo será apresentada uma revisão de documentos disponíveis na literatura com o objetivo de abranger alguns dos conceitos mais relevantes no tocante a Indústria 4.0 convergindo para o conceito de painéis elétricos inteligentes.

2.1 INDUSTRIA 4.0: ASPECTOS GERAIS

Em um cenário em que a digitalização é cada vez mais presente em diferentes mercados, torna-se difícil imaginar a indústria descolada dessa realidade (AUGUSTO, 2020).

Desde o início da industrialização os sistemas produtivos sofrem transformações que são influenciadas pelos avanços tecnológicos, pelas demandas de mercado e também pelo surgimento de novas técnicas e modelos de negócio (PISCHING, 2018).

A Figura 1 apresenta um panorama das revoluções industriais ao longo da história que, de certa forma, impulsionaram o desenvolvimento e o progresso por meio das novas tecnologias, técnicas produtivas e de processamento de informações ocorridas em seus respectivos períodos.

Figura 1: Panorama Revoluções Industriais

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No entanto, cada revolução econômica e industrial impõe novos desafios e determina novas ou diferentes abordagens dentro das organizações. Tem-se, então, uma nova geração de organizações, muito mais avançadas e adaptáveis, que segundo Moraes (2017), definem novos conceitos de manufaturas, mais ágeis, com produtos de maior valor agregado, que são dinamicamente reconfiguráveis permitindo auto-organização, evolução, adaptação ao longo do ciclo de vida do produto, capazes de enfrentar os desafios de produção de forma contínua.

O termo ‘Indústria 4.0’ conforme Graziano (2019) é um conceito desenvolvido pelo alemão Klaus Schwab, diretor e fundador do Fórum Econômico Mundial. Diante da importância e do impacto que a I4.0 vinha apresentando globalmente, ela foi tema do Fórum Econômico Mundial, em janeiro de 2016 em Davos, na Suíça (PISCHING, 2018). Evento, este, que reuniu lideranças de todo o mundo para discutir as questões urgentes que estavam em evidência no mundo. A Indústria 4.0 surge como uma estratégia de longo prazo do governo alemão, que foi adotada como parte do High-Tech Strategy 2020 Action Plan, em 2011 (KAGERMANN et al., 2013), para assegurar a competitividade da sua indústria. Esses conceitos acabam tomando dimensões muito maiores ao serem difundidos no evento.

Mesmo sendo criada para um fim específico, a Indústria 4.0 representa uma evolução natural dos sistemas industriais anteriores, desde a mecanização do trabalho ocorrida no século XVIII até a automação da produção nos dias atuais (Santos et al., 2018).

Existem divergências entre alguns autores ao conceituar a I4.0, segundo Pisching (2018), ela se apresenta como uma entidade que emprega recursos baseados em IoT, nos CPSs e em serviços digitais. Normalmente isso tudo está amparado por uma infraestrutura baseada na computação em nuvem e em conceitos avançados de comunicação entre os demais recursos presentes no que é chamado de fábrica inteligente. Apesar de amplo o conceito de I4.0 e, muitas vezes, também não ser claro, como ou de que forma uma organização pode estar se inserindo neste contexto, pode-se considerar o seguinte:

“A indústria 4.0 cria um ecossistema digital na cadeia de valor, no qual as empresas que estão inseridas conectam-se e passam a trocar dados e informações em um ambiente robusto e com infinitas possibilidades. Aqui não entram apenas os fornecedores e parceiros, mas também os clientes, que terão uma experiência completamente nova em relação aos produtos e serviços. Eles deixam de ser apenas consumidores passivos e recebem um papel mais ativo, influenciando diretamente na concepção das soluções apresentadas pelo mercado.” (A INDÚSTRIA..., 2019, p. 10).

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Por outro lado, a essência da IoT (Internet of Things), segundo Pisching (2018), faz parte do princípio básico da I4.0 pois permite proporcionar a manufatura otimizada e cada vez mais autônoma de produtos por meio da comunicação direta entre máquinas e produtos. A internet das coisas conecta virtualmente os objetos e permite que eles coletem, armazenem e transmitam dados entre si e para a nuvem. A partir dessa comunicação, interação e troca de informações, as próprias máquinas poderão, por exemplo, tomar as decisões para melhorar o processo produtivo ou até mesmo reduzir custos (A INDÚSTRIA..., 2019, p. 6).

Para contribuir com essa discussão, conforme Evans (2011), a IoT representa a próxima evolução da Internet, dando um grande salto na capacidade de coletar, analisar e distribuir dados que nós podemos transformar em informações, conhecimento e, por fim, sabedoria. Ainda, descreve o seguinte:

“No momento, a IoT é composta por uma coleção livre de redes diferentes e criadas para determinada finalidade. Por exemplo, os carros atuais têm várias redes para controlar a função do motor, recursos de segurança, sistemas de comunicação e assim por diante. Os prédios comerciais e residenciais também têm vários sistemas de controle para aquecimento, ventilação e ar-condicionado (HVAC), serviços telefônicos, segurança e iluminação. À medida que a IoT evolui, essas redes e muitas outras estarão conectadas com mais recursos de segurança, análise e gerenciamento. Isso permitirá que a IoT se torne ainda mais poderosa com relação ao que pode fazer para ajudar as pessoas a obterem novas conquistas.” (EVANS, 2011).

No âmbito industrial, portanto, com a aplicação da IoT é possível realizar entre outras coisas o monitoramento da performance de equipamentos. Ou seja, por exemplo, a partir de informações geradas pelos equipamentos é possível identificar e antecipar problemas invisíveis como a degradação de uma máquina ou, ainda, detectar o desgaste de algum componente específico. Do ponto de vista de gestão de ativos industriais, isso permite que o próprio ativo seja capaz de detectar e informar suas condições de operação. Esta condição deverá minimizar as falhas e, consequentemente, menores tempos de máquinas paradas. Em alguns casos, ainda, esta informação pode refletir em uma maior segurança na operação.

Portanto, a medida em que sensores, computadores e máquinas em rede podem comunicar com facilidade entre si e com os seus utilizadores em tempo real, os processos de produção tornam-se mais visíveis e monitoráveis, reduzindo as taxas de falhas, o que contribui para a melhoria da qualidade (Santos et al., 2018). A instrumentação maciça do chão de fábrica vai permitir alavancar dados em tempo real para construir o mundo físico em um modelo virtual, que poderá incluir

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máquinas, produtos e seres humanos (BAHRIN et al., 2016). Isso permitirá aos operadores testar e otimizar as configurações da máquina para o próximo produto em linha no mundo virtual, antes da sua transição física, reduzindo assim os tempos de configuração da máquina e aumentando a qualidade, este conceito é denominado Gêmeos Virtuais. Segundo Augusto (2020), tais dados, mediante análise realizada por plataformas de analytics e Inteligência Artificial (IA), podem basear tomadas de decisão, que passam a ser mais objetivas e assertivas, conferindo mais produtividade e eficiência ao processo.

Levando em conta este cenário de virtualização até então descrito é igualmente importante destacar outras tecnologias que vêm se fortalecendo nesse período, tais como a IA e suas diversas aplicações na indústria e; as possibilidades apresentadas pelas soluções de realidade virtual (do inglês, Virtual Reality - VR) e Realidade Aumentada (do inglês, Aumented Reality - AR). Augusto (2020) considera que introduzir essas tecnologias representa um passo importante, necessário e pode ser um diferencial vantajoso em termos de competição nos próximos anos.

O conceito de Inteligência Artificial (IA) se refere a uma solução digital (software) que simula o funcionamento da inteligência humana para executar determinadas funções. (INTELIGÊNCIA..., 2020). Em resumo, esse tipo de solução é treinado para realizar auto ajustes e encontrar formas mais eficientes de executar uma mesma operação, maximizando suas chances de sucesso. No contexto mercadológico, isso significa que o sistema deve ser capaz de levantar dados, realizar análises e solucionar problemas.

No caso de realidade virtual e realidade aumentada, Augusto (2020) descreve apenas para efeito de conceituação que, enquanto a primeira, literalmente, cria um conteúdo 100% virtual que pode ser acessado, por exemplo, por capacetes ou óculos de imersão, a segunda projeta informações e conteúdo mesclando seu resultado ao mundo físico. Segundo Lima e Pinto (2019, apud Siemens (2017)), os ambientes virtuais podem ser usados em cada momento do processo industrial, seja para planejar, projetar, fabricar, prestar serviços e manutenção, testar produtos ou realizar o controle de qualidade.

Em meio a essa revolução outros dois elementos podem ganhar ainda mais relevância: a computação em nuvem (Cloud Computing) e Big Data. Para fazer os objetos de uma fábrica se comunicarem, a empresa pode utilizar aplicações e dispositivos baseados em computação na

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nuvem, que permite a virtualização dos dados e a disponibilidade em tempo real. Ao invés de armazenar os dados nos computadores ou em servidores locais, as informações são alocadas em servidores remotos interligados com a infraestrutura da internet. Assim, o acesso a esses arquivos pode ser feito de qualquer dispositivo que esteja conectado com internet, a qualquer momento.

Por sua vez, o Big Data é o uso de tecnologias que coletam, armazenam e processam uma grande quantidade de dados, com o objetivo de transformá-los em informações úteis e estratégicas (A INDÚSTRIA..., 2019, p. 9). As empresas conseguem aproveitar todo o volume de informações gerado no processo e extrair insights, como padrões de produção, melhorias nos produtos, aperfeiçoamento das máquinas e redução de custos. É assim, por exemplo, que o fabricante coleta os dados de consumo dos clientes, processa e utiliza a informação para o desenvolvimento contínuo das soluções.

Com a ajuda dos Big Data e computação em nuvem é possível realizar a coleta, armazenagem e avaliação abrangente dos dados de diversas fontes e clientes para apoiar a tomada de decisões, otimizar operações, economizar energia e melhorar o desempenho do sistema, além de permitir que colaboradores possam acessá-las de qualquer lugar, através, por exemplo, de um dispositivo móvel (BAHRIN et al., 2016).

A avaliação dos dados, por sua vez, denominada analytics, refere-se à habilidade de utilizar dados, análises e raciocínio sistemático para conduzir a um processo de tomada de decisão mais eficiente (ARQUITETURA..., 2020, p. 12). Utilizar a inteligência analítica significa melhorar o desempenho em domínios fundamentais do negócio usando dados e análises. A essência da indústria 4.0 está diretamente relacionada a dados e que eles crescem de maneira exponencial à medida que mais e mais integrações acontecem.

Por isso, paralelemente à implementação das integrações em suas linhas produtivas, as indústrias precisarão desenvolver estruturas capazes de apoiar a análise de dados com o uso de recursos avançados de analytics (O PAPEL..., 2020). Ações constantes de análise, otimização e combinação de dados trarão sugestões de planejamento e tomadas de decisões mais assertivas ao negócio.

Com a imensa quantidade de dados processada é natural que sejamos capazes de aplicar essas análises de forma a trazer insights para a companhia. Tais insights ajudam as empresas a

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avançarem do estado de Diagnóstico para os estados Preditivo e Prescritivos, ou seja, as decisões tomadas deixam de ser reativas para se tornarem preventivas (ARQUITETURA..., 2020, p. 13).

Resumidamente, pessoas, máquinas, matérias-primas e produtos devem se comunicar entre si, assim como pessoas se comunicam em uma rede social (Figura 2). Desta forma, os recursos físicos devem ser digitalizados, precisando que sejam criados, publicados e compartilhados em uma infraestrutura baseada na Internet, para serem então utilizados por uma determinada empresa ou grupo de parceiros que visam atender a uma demanda específica (KAGERMANN et al., 2013).

Figura 2: Infraestrutura Baseada na Internet

Fonte: (PISCHING, 2018)

Logo, há a necessidade da interação do mundo real com o virtual de forma que os equipamentos possam se comunicar e processar operações de acordo com os requisitos dos produtos com mínima intervenção humana, evidenciando assim novas oportunidades no campo da pesquisa e desenvolvimento.

Existem, ainda, outros termos e tecnologias que também definem o mundo 4.0, como por exemplo o conceito de Machine Learning ou ainda, segundo Augusto (2020), a Manufatura Aditiva (Impressão 3D) e Digital Twin (representação virtual de um objeto físico ou sistema, utilizando-se de dados em tempo real para análise e compreensão), porém, não serão consideradas neste estudo.

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2.2 PAINÉIS ELÉTRICOS

Os conceitos descritos até aqui são necessários e importantes no contexto geral. Mas para que ocorra, de fato, a interação entre mundo real e virtual são necessários arranjos ou composições físicas que permitam que esses elementos interajam entre si.

No meio industrial, os painéis elétricos são essenciais no sentido de que proveem energia para o funcionamento da fábrica. Sua função primária é a recepção de energia e sua distribuição aos diversos circuitos da instalação. Porém, essas funcionalidades podem ser incrementadas à medida que o conceito I4.0 é implementado nesse setor e, ainda, isso pode tornar esses dispositivos mais robustos e eficientes.

A norma NBR IEC 60439-1, ainda em vigor no Brasil, define painéis e quadros elétricos como, “2.1.1 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensão (Conjuntos) - combinação de um ou mais dispositivos e equipamentos de manobra, controle, medição, sinalização, proteção, regulação etc., em baixa tensão, completamente montados, com todas as interconexões internas elétricas e mecânicas e partes estruturais sob a responsabilidade do fabricante” (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2003). Resumidamente, um quadro elétrico é, portanto, um conjunto de equipamentos convenientemente agrupados (incluindo as suas ligações, estruturas de suporte e invólucro) destinado a proteger, a comandar ou a controlar instalações elétricas. A Figura 3 apresenta painéis elétricos dotados de dispositivos convencionais e de uso comum.

Figura 3: Quadros Elétricos Convencionais[G1]1

Fonte: (SCHNEIDER ELECTRIC, 2020)

1_{O termo “Convencionais” refere-se às funções especificas dos componentes comumente presentes em} painéis elétricos, por exemplo, disjuntores. O termo não está relacionado aos ensaios previstos na NBR IEC 60439.

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Apesar das definições até aqui apresentadas, pode-se dizer que os painéis elétricos convencionais tinham suas características muito bem definidas e dificilmente se desviavam do seu fim pretendido. Segundo Carvalho (2015), ocorria que:

“O acesso ao Quadro Elétrico (QE) tinha como objetivo, por norma, proceder à sua manutenção. Não se afiguravam, portanto, exequíveis as funções de controle e monitorização, hoje consideradas imprescindíveis. Com o desenvolvimento das exigências em termos funcionais e dada a preocupação com a utilização racional da energia e dos custos que daí advêm, o QE foi evoluindo para outras soluções que cumprem os novos requisitos e desafios.” (CARVALHO, 2015).

Segundo Carvalho (2015), a função de um QE tradicional vem se tornando obsoleta e defasada ao nível da atividade comercial, industrial e de serviços, em confronto com a automatização dos processos e a autonomia de linhas de fabricação e de montagem. Logo, não correspondendo às necessidades e aspirações de modernização e desenvolvimento tecnológico crescentes.

Neste contexto, surge um novo conceito de quadros elétricos, os chamados painéis inteligentes (do inglês, Smart Panels), que integra dispositivos de características convencionais a dispositivos conectáveis e inteligentes, com funções específicas e que podem coexistir em um mesmo conjunto. Assim, na era da comunicação, conceitos como conectar, medir e armazenar foram transpostos para este domínio (CARVALHO, 2015). A Figura 4 apresenta exemplo de tais características em um conjunto.

Figura 4: Quadro Elétrico Inteligente

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Nesse sentido é importante salientar que o conceito que se busca evidenciar vai além dos painéis inteligentes “tradicionais” já conhecidos e amplamente difundidos no mercado, como é o caso do CCMi (Centro de Controle de Motores Inteligente). Nesse caso, o painel é dotado de dispositivos de acionamento de motores, que têm a capacidade de comunicar-se com uma rede de comunicação industrial, via protocolos tais como profibus, profinet, devicenet, ethernet/IP e etc., porém, pode não estar alinhado com as novas tendências ou, ainda, não apresentar alguns dos recursos e características que estão sendo tratados nesse trabalho.

Apesar do conceito apresentado na Figura 4 e descrito à seguir ser idealizado e difundido como solução, neste formato em particular, pela empresa Schneider Electric e suas empresas parceiras, pode ser utilizado como base para um desenvolvimento conceitual e generalista, pois agrega algumas das principais funções e características que se espera em painéis conectáveis e inteligentes. Dispositivos, hardwares e softwares, de fabricantes distintos, certamente seguirão esses mesmos preceitos, mesmo que apresentados de forma diferente.

Os painéis inteligentes, alvos deste estudo, possibilitam, entre outras coisas, a redução do consumo de energia ao oferecer o controle total da utilização do recurso por meio de monitoramento e comunicação imediata ao usuário. Com os painéis inteligentes é possível automatizar todo o processo de medição, controle e comunicação, garantindo mais confiabilidade nas informações. Esta tecnologia foi desenvolvida para empresas que buscam ter um maior controle sobre a utilização de energia, visando um consumo mais sustentável e econômico. A Figura 5 apresenta algumas dessas características e benefícios.

Figura 5: Entendendo Como o Smart Panel Transforma a Instalação

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Além de funções básicas de proteção das instalações contra curto-circuitos, presentes nos tradicionais painéis, este tipo de solução disponibiliza informações sobre quando e como os recursos são consumidos, com identificação de utilização por tipo e local, permitindo o gerenciamento do consumo e com isso, a redução dos custos. Todas essas informações podem ser acessadas de forma remota, através de um computador ou até mesmo um dispositivo móvel. Carvalho (2015), ainda, descreve o seguinte:

“A solução Smart Panel é passível de ser aplicada a qualquer tipo de edifícios e utilização: habitação, comércio, serviços, indústria. Dado o enorme potencial desta tecnologia e das funções nela incorporadas é mais comum a instalação em edifícios destinados a atividades industriais e comerciais, atendendo aos espaços de grandes dimensões normalmente caraterísticos deste tipo de edifícios, à existência de maquinário em laboração por vezes permanente, aos sistemas de climatização, de iluminação, de detecção de anomalias. O elevado consumo de energia associado a estas situações impõe a necessidade de monitorização e controle constantes, independentemente de se verificar, ou não, a gestão dos recursos humanos em turnos de laboração. O objetivo é a consecução de maior eficiência no consumo energético. (CARVALHO, 2015).

As soluções desenvolvidas atualmente relacionadas a painéis elétricos não se limitam apenas a oferecer dispositivos com recursos e características especiais para esse conceito “smart”. É possível agregar características que vêm de encontro com essa nova era tecnológica, sem incorrer em alterações de instalações ou substituição de dispositivos.

Um exemplo disso é a aplicação de realidade aumentada nas atividades de manutenção industrial. Nesses casos um software específico combina informações contextuais e dinâmicas locais para usuários móveis, permitindo que eles experimentem uma fusão do ambiente físico e da vida real com objetos virtuais. Isso permite aumento de eficiência (acelerando operações de manutenção e reduzindo tempo de inatividade) e reduz custos com diagnóstico instantâneo e manutenção sem contato (redução de erros humanos). Através dessa tecnologia é possível, por exemplo, acessar uma série de informações em tempo real, como: dados do PLC, documentos, imagens, páginas da Web, notas, rótulos, dados de um Banco de Dados SQL e etc. Acessando documentos (PDF’s, por exemplo) pode-se obter a documentação técnica do equipamento, diagramas elétricos, imagens e até mesmo vídeos. Pode-se acessar peças ocultas e abrir virtualmente o painel elétrico visualizando o seu interior. Há a capacidade de congelar a imagem e continuar trabalhando colocando o dispositivo móvel em uma mesa, para liberar as mãos. Também, é possível guiar um operador passo a passo para executar uma operação, dando-lhe instruções no

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dispositivo móvel. A Figura 6 apresenta a aplicação de realidade aumentada em manutenção de painel elétricos, com uso de um tablet.

Figura 6: Realidade Aumentada Aplicada a Painéis Elétricos

Como descrito anteriormente há uma série de tecnologias que poderão contribuir permitindo que fabricantes e usuários finais de equipamentos conheçam as novas tendências e experimentem essa experiência digital. Ou seja, relativo a painéis elétricos industriais, apesar de inúmeros os benefícios inerentes, significa que não é necessário se ter um Smart Panel para estar inserido no contexto da Indústria 4.0. A combinação de diferentes tecnologias mesmo que utilizadas separadamente, em quaisquer níveis da organização, definem o mundo 4.0 na indústria.

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3 SOLUÇÕES COMERCIAIS

Neste capítulo uma série de soluções comerciais serão apresentadas individualmente e a combinação entre as mesmas permitirá compor soluções variadas para painéis elétricos inteligentes, conforme as necessidades de cada cliente.

Os principais fabricantes de componentes e desenvolvedores de hardwares e softwares têm se empenhado em oferecer produtos e serviços para gestão de energia e automação além de desenvolver arquiteturas de sistemas, entre outros, que vêm de encontro a essas necessidades.

Assim, tão importante quanto conceituar essas diversas tecnologias, indispensáveis à nova era digital em decurso, é conhecer as suas principais características, bem como vantagens e desvantagens. Considerando que os painéis elétricos estão presentes nos mais diversos segmentos, conhecer e entender o que os principais fabricantes oferecem e suas principais funcionalidades, portanto, torna-se essencial.

3.1 DISPOSITIVOS DE BAIXA TENSÃO

Os painéis elétricos industriais podem ser dotados dos mais diversos tipos de dispositivos e componentes elétricos de baixa tensão. Seu dimensionamento, características e quantidades na composição do painel, dependem de diversas particularidades do projeto que se deseja executar. Outra variante na elaboração de projeto de painéis e, portanto, a definição de dispositivos e arquiteturas em geral, depende da experiência e criatividade dos profissionais envolvidos. Assim como para painéis convencionais, os painéis inteligentes, mesmo utilizando dispositivos diferenciados, seguem as mesmas premissas. Nesse sentido pode-se citar alguns dos dispositivos elétricos de baixa tensão que estão preparados para esse novo conceito.

3.1.1 Enerlin’X

O Enerlin’X é um sistema de comunicação para painéis inteligentes desenvolvido pela empresa francesa Schneider Electric. Através da combinação consistente de gateways, interfaces e telas, se torna possível conectar dispositivos e, portanto, o painel, de forma simples e confiável à web. A Figura 7 e o Anexo 4 apresentam exemplos de arquiteturas. Alguns dos seus componentes de maior relevância serão detalhados à frente.

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Figura 7: Arquitetura com Dispositivos Enerlin’X

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O Enerlin’X recolhe dados básicos e avançados do sistema monitorado. Logo, uma visão clara das medições e das tendências torna as economias possíveis com uma gestão de energia eficiente. Permite, ainda, o controle (abrir, fechar, reiniciar) em tempo real de cargas através de arranjos e combinações de dispositivos, utilizando protocolos de comunicação Ethernet e Modbus. 3.1.2 Servidor de Dados de Energia Com’X

O servidor de dados de energia Com'X 200 recolhe e guarda os consumos (Água, Ar, Gás, Eletricidade, Vapor) e os parâmetros ambientais como, por exemplo, temperaturas, humidade e níveis de CO2 num edifício (SCHNEIDER ELECTRIC, 2020). Os dados são transmitidos periodicamente na forma de um relatório para uma base de dados Internet, podendo ser via rede Ethernet, wi-fi ou GPRS (Gerneral Packet Radio Service). A Figura 8 apresenta o data logger com função gateway.

Figura 8: Servidor de Dados de Energia Com’X

3.1.3 Módulo de Visualização FDM

O módulo de visualização do quadro elétrico FDM é um display para navegação em diversas funções de controle e monitoramento. A Figura 9 apresenta os modelos disponíveis.

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Figura 9: Módulos de Visualização FDM

Segundo Schneider Electric (2020), o FDM128 recolhe os dados de até 8 dispositivos através da rede Ethernet, sendo:

- Disjuntores, como o Masterpact ou o Compact, individualmente através das respetivas interfaces Ethernet ou gateways;

- Disjuntores modulares, controladores, contador e sensores analógicos quando estes estão agrupados e ligados a um Smartlink.

O FDM128 gera e apresenta uma página dedicada para cada um, com os estados monitorados, os valores e os possíveis controles. No caso dos disjuntores Masterpact e Compact, quando o disjuntor está equipado com um módulo de comunicação (acessório fornecido separadamente), o módulo de visualização FDM128 pode também ser utilizado para controlar (abrir/fechar) o disjuntor. Estão disponíveis dois modos de funcionamento:

- modo local: os comandos abrir/fechar são ativados a partir do FDM128 e desativados a partir da rede de comunicação;

- modo remoto: os comandos abrir/fechar são desativados a partir do FDM128 e ativados a partir da rede de comunicação.

O FDM128 pode apresentar todos os estados, contagens e valores analógicos recolhidos dos dispositivos através da interface do Smartlink, bem como os possíveis controles. Dispositivos conectados: disjuntores, contadores de energia, sensores analógicos, relés, relés de impulsos.

a) FDM128: Para disjuntores Masterpact, Compact e Smartlink.

b) FDM121: Para disjuntores Masterpact, e Compact

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Por sua vez, o módulo de visualização FDM121 consiste numa unidade de visualização do quadro elétrico que pode ser integrada no Compact NSX para os sistemas até 630 A, Compact NS ou Masterpact. Este utiliza os sensores e a capacidade de processamento da unidade de disparo Micrologic. É fácil de utilizar e não requer qualquer software ou configuração especial. Fica imediatamente operacional quando ligado ao Compact NSX através de um simples cabo. Além disso, fornece monitorização e controle com a utilização do módulo de aplicação I/O, do telecomando ou do Módulo de Estado do Disjuntor (BSCM), acessórios fornecidos separadamente. 3.1.4 Interface IFE

Disponíveis como Interface IFE e Interface IFE + gateway, permitem que disjuntores de BT, como o Masterpact NT/NW e o Compact NS/NSX, sejam ligados a uma rede Ethernet. Segundo Schneider Electric (2020) consideram-se as seguintes condições:

a) Interface IFE: Fornece um acesso Ethernet a um único disjuntor de BT. - Função:

Interface: um disjuntor é ligado à interface IFE através da respetiva porta ULP.

b) Interface IFE + gateway: Fornece um acesso Ethernet a um ou vários disjuntores de BT. - Funções:

Interface: um disjuntor é ligado à interface IFE através da respetiva porta ULP;

Gateway: vários disjuntores numa rede Modbus estão ligados à interfaces Modbus IFM através da porta mestre Modbus da interface IFE + gateway.

Importante ressaltar que a ligação à interface IFE ou interface IFE + gateway necessita de um módulo de comunicação integrado no disjuntor, conforme a respectiva linha de produto. A Figura 10 apresenta as duas interfaces descritas. O Anexo 5 apresenta as principais características técnicas informadas pelo fabricante.

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Figura 10: Interfaces IFE

3.1.5 Smartlink Acti 9

O Smartlink é uma solução para monitoramento e controle de minidisjuntores. Através de dispositivos específicos é possível transferir dados de dispositivos modulares para um controlador programável ou um sistema de supervisão via sistema de comunicação. Segundo Schneider Electric (2020), algumas das principais funções descritas seriam:

a) Para disjuntores, interruptores diferenciais, dispositivos diferenciais residuais: estado aberto/fechado, disparado, número de ciclos de abertura/fechamento, número de ações de disparo. b) Para contatores, telerruptores: comando de abertura, comando de fechamento, estado aberto/fechado, número de ciclos de abertura/fechamento, tempo total de operação sob carga (dispositivo fechado).

c) Para contator com disjuntor integrado/Reflex iC60: comando de abertura, comando de fechamento, estado aberto/fechado, disparado, número de ciclos de abertura/fechamento, tempo total de operação sob carga.

d) Para medidores de energia: número de pulsos registrados, ajuste de valor de pulso (por exemplo: kWh), consumo total registrado, consumo de energia estimado.

e) Para sensores analógicos (somente para Smartlink Acti 9 Ethernet): sensor de temperatura, sensor de umidade, detector de CO2, detector ótico.

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Monitoramento e controle para dispositivos modulares podem ser o diferencial em muitos projetos pois torna desnecessário o uso de outros componentes que normalmente têm custo mais elevado, bem como um volume maior. A Figura 11 apresenta uma configuração simples de dispositivos modulares com a tecnologia Smartlink. A Figura 12, por sua vez, apresenta a conexão direta ao “barramento”.

Figura 11: Dispositivos Modulares com Smartlink

Figura 12: Conexão no Smartlink

A Figura 13 apresenta um exemplo simples de uma instalação em painel da tecnologia Smartlink com algumas características e vantagens. O Anexo 1 apresenta as principais características indicadas pelo fabricante.

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Figura 13: Exemplo de Instalação de Smartlink em Painel

Como complemento à solução proposta pela Schnedeir Electric, ainda, existem dispostivos que deverão ser associados a fim de implementar efetivamente comandos remotos, por exemplo, ligar e desligar circuitos. A linha Acti9 dispõe do elemento RCA (para minidisjuntores da linha

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iC60) que constitui uma motorização para manobra e que aceita comandos via Smartlink. A Figura 14 apresenta uma configuração simples com RCA, bem como algumas de suas características e vantagens. O Anexo 2 apresenta as principais características indicadas pelo fabricante.

Figura 14: Arranjo com RCA

Nesse mesmo contexto, o fabricante dispõe, também, dos Reflex iC60, que são contatores com disjuntor integrado. Associam em um mesmo dispositivo, segundo Schneider Electric (2020), as seguintes funções principais:

a) Telecomando por ordem mantida e/ou por pulso segundo 3 modos de operação, a ser escolhido pelo usuário.

b) Disjuntor, para assegurar: a proteção dos circuitos contra as correntes de curto-circuito, a proteção dos circuitos contra as correntes de sobrecarga e o seccionamento na área industrial.

A Figura 15 apresenta uma configuração simples com Reflex iC60 e algumas características. O Anexo 3 apresenta as principais características indicadas pelo fabricante.

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Figura 15: Arranjo com Reflex iC60

Portanto, utilizando dispositivos RCA e Reflex iC60 e o Smartlink (ou uma simples conexão de rede) se elimina a necessidade de hardwares e sistemas de automação mais complexos, que normalmente seriam requeridos se adotadas as soluções mais usuais. A Figura 16 apresenta como seria a interface de operação com o uso de um tablet, por exemplo. Os circuitos conectados são mostrados em uma tela interativa e de simples compreensão. É possível visualizer valores de variáveis elétricas e realizar a manobra (ligar/desligar) circuitos específicos, apenas com um toque na tela. De forma similar seria a interface para utilização e operação via computador pessoal ou estação de trabalho.

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Figura 16: Interface de Operação Smartlink

3.1.6 PowerTag

O PowerTag é um sensor de energia Classe 1 que mede energia e potência em tempo real. São sensores em módulos, similares aos tradicionais transformadores de corrente (TC’s), para minidisjuntores de 1, 2, 3 e 4 polos (Figura 17). Eles são diretamente montados nos dispositivos da gama Acti9 ou Multi9 em módulos de 18 mm de largura, até 63A.

a) Circuitos conectados ao Smartlink.

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Figura 17: Dispositivo modular PowerTag

Fonte: Adaptado de SCHNEIDER ELECTRIC, 2020.

Segundo Schneider Electric (2020), podem ser combinados com Acti9 Smartlink por comunicação de rádio-frequência e medem os seguintes valores, de acordo com a norma IEC 61557-12:

- Energia ativa acumulada, total e parcial (kWh).

- Valores RMS: tensões fase-neutro e fase-fase (V), correntes por fase (A), potência ativa total e potência ativa por fase (W), fator de potência.

Instalados a montante ou a jusante de um dispositivo de proteção medem dados úteis para o diagnóstico do circuito associado. Se integrado ao Smartlink são possíveis:

- Utilização de um concentrador sem fios (wireless) para comunicar dados. - Acti 9 Smartlink para medição, monitorização e controle.

- Exibição, na webpage embarcada no Smartlink, das quantidades medidas pelos sensores PowerTag.

- Monitoramento de carga.

- Alarme emitido pelo sensor em caso de perda de tensão.

- Pré-alarmes nos limites pré-definidos (50%, 80%) ou limites personalizados (Limites em correntes, potência, tensões e energias cumulativas).

- Gerenciamento de alarmes nos limites de corrente / tensão / nível de carga. Capacidade de enviar alertas diretamente para um smartphone, por exemplo.

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- Fácil integração no sistema com gateways (Com'X200 e Com'X510), outros softwares Schneider Electric ou sistemas de gestão de edifícios de terceiros graças ao relatório em formato Excel do Acti 9 Smart Test. Este relatório fornece dinamicamente todos os registos Modbus, incluindo bits e significados associados, para uma fácil integração no software.

- Medição remota possível usando a página de monitoramento do Smartlink.

A Figura 18 apresenta um exemplo mais simples de arquitetura com aplicação do sistema de PowerTag’s, porém, com a utilização de um concentrador de dados PowerTag Link.

Figura 18: Arquitetura com PowerTag Link

3.1.7 Interface IFM

Uma interface de comunicação Modbus IFM é necessária para a ligação de um Masterpact ou de um Compact a uma rede Modbus desde que o disjuntor seja fornecido com uma porta ULP (Universal Logic Plug). A porta está disponível, respetivamente, num BCM ULP ou num módulo BSCM incorporado. O IFM é definido como uma IMU (Unidade Modular Inteligente) na documentação do sistema de comunicação ULP. Uma vez ligado, o disjuntor é considerado um

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escravo pelo mestre Modbus. Os seus valores elétricos, o estado do alarme e os sinais aberto/fechado podem ser monitorados ou controlados por um CLP ou qualquer outro sistema de supervisão. A Figura 19 apresenta a interface IFM, bem como o Anexo 6 que apresenta alguns dados técnicos.

Figura 19: Interface IFM

3.1.8 Módulo de Aplicação I/O

O módulo de aplicação I/O (Entrada/Saída) para o disjuntor de BT faz parte de um sistema ULP com funcionalidades e aplicações integradas para realçar as necessidades da aplicação. Segundo Schneider Electric (2020), a arquitetura do sistema ULP pode ser construída sem quaisquer restrições utilizando a gama de disjuntores que segue: Masterpact NW; Masterpact NT; Compact NS1600b-3200; Compact NS630b-1600; Compact NSX100-630. Possui um seletor rotativo (09 posições) de aplicação que permite a seleção da aplicação predefinida. As aplicações pré-configuradas são descritas abaixo:

1 - Gestão da posição no chassi: Monitoriza a posição do disjuntor no chassi;

2 - Funcionamento do disjuntor: Controle da abertura e do fechamento do disjuntor através do controle local ou remoto e a ordem de inibição do fechamento;

3 - Reserva;

4 - Controlo de carga e Iluminação: Controle da aplicação de carga e iluminação; 5 a 8 - Reserva: Para evolução futura;

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9 - Personalizado: Executa as aplicações definidas pelo utilizador com o módulo de aplicação I/O.

A Figura 20 presenta o dispositivo bem como o Anexo 7, que apresenta algumas características técnicas.

Figura 20: Módulo de Aplicação I/O

3.1.9 Disjuntor Masterpact MTZ

A linha de disjuntores tipo caixa aberta Masterpact MTZ merece capítulo à parte pois, além da capacidade de conectividade e funcionalidades já conhecidas da tradicional linha Masterpact, tem as mais recentes tecnologias digitais e de comunicação incorporadas, que contribuem para operação inteligente, segurança e eficiência energética. A Figura 21 apresenta o dispositivo bem como o Anexo 7, que apresenta algumas características técnicas.

Figura 21: Disjuntor Masterpact MTZ

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Segundo Schneider Electric (2020), a nova linha contribui para: - Segurança otimizada:

Proteção sem falhas;

Seletividade e coordenação completas (tipo 1 e 2); Alta resistência a ambientes severos;

- Monitoramento integrado para eficiência energética:

Maior tempo de atividade com a solução completa de monitoramento nos Smart Panels; Melhor operação e manutenção usando smartphone com o aplicativo MasterPact MTZ (MTZ Mobile App);

A unidade de controle avançada Micrologic X pode auxiliar no fornecimento de manutenção corretiva, preventiva e preditiva e gerenciamento de energia;

Integração perfeita que permite aos usuários acessar dados de disjuntores em tempo real com um dispositivo móvel ou um computador pessoal;

Comunicação local e remota com causa de disparo (fuga à terra, sobrecarga, curto-circuito) e alarmes (fuga à terra, sobrecarga) permitindo eficiência proativa operacional e energética; - Instalação sem costura e retrofit:

Ampla gama de ferramentas de software online e offline que melhoram a produtividade em todas as fases do projeto (Ecoreal, Ecodial, MyPact, Ecoreach);

Módulos digitais adicionais disponíveis 24 horas durante 7 dias na semana na GoDigital - plataforma de e-commerce da Schneider Electric, oferecendo funções avançadas de proteção, medição, gerenciamento de energia e análise de rede;

Retrofit perfeito graças a tamanhos idênticos, conexões de energia e propriedades térmicas como para as gamas MasterPact NW e NT;

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Figura 22: Comunicação e Monitoramento - Disjuntor Masterpact MTZ

A Figura 22 apresenta de forma simples a comunicação e monitoramento do dispositivo. Resumidamente, a nova linha permite manter-se conectado com o aplicativo EcoStruxureTM Power Device e o software EcoStruxure evitando tempo de inatividade. Com o aplicativo EcoStruxure Power Device são possíveis monitoramento e controle de: níveis de carga, consumo de energia, qualidade da energia, avisos, alarmes, configurações de proteção e muito mais. Também são geradas notificações remotas oportunas: tipo de evento, nível de severidade, carimbo de data e hora e etc.

Ainda, outra grande novidade da linha é a possibilidade de personalização a qualquer momento, através de módulos digitais: é possível desbloquear funções avançadas para proteção, medição, diagnóstico e manutenção. Basta fazer o download dos módulos digitais adicionais da loja GoDigital e, após, proceder no upload instantaneamente via conexão USB com a unidade de controle Micrologic X, sem interromper funções de energia ou proteção. Com os disjuntores inteligentes MasterPact MTZ é possível atualizar e adaptar o sistema em qualquer fase do ciclo de vida. A Figura 23 apresenta um breve descritivo dos módulos digitais disponíveis para atualização do dispositivo.

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Figura 23: Módulos Digitais - Disjuntor Masterpact MTZ

Outro ponto interessante é a possibilidade de acesso a dados armazenados no dispositivo através de NFC (tecnologia que permite a comunicação sem fio, por aproximação de dispositivos compatíveis), mesmo quando a energia está desligada. Através das tecnologias embarcadas no dispositivo, um simples smartphone se torna uma IHM remota com comunicação sem fio, ou seja, uma ferramenta com diversas funções e recursos, conforme mostra a Figura 24.

Figura 24: Recurso em Smartphone - Disjuntor Masterpact MTZ

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3.2 HARDWARE DE AUTOMAÇÃO

Do mesmo modo que painéis elétricos industriais podem ser dotados dos mais diversos tipos de dispositivos e componentes elétricos, muitos poderão ser dotados de hardwares de automação. Seu dimensionamento, características e quantidades na composição do painel, da mesma forma, dependem de diversas particularidades do projeto que se almeja executar. A elaboração de projeto de painéis e, portanto, a definição de dispositivos e arquiteturas de automação em geral poderão ser ainda mais complexos visto que são necessários conhecimentos muito específicos. A nova era tecnológica, como descrito anteriormente, requer novas características e funções especiais, que implicarão em complexidades ainda maiores.

Atendendo à demanda de produtos preparados para esse novo conceito na indústria, a Schneider Electric apresenta o Modicon M262, que é um controlador projetado para máquinas exigentes em lógica e movimento, habilitado para IIoT (Internet das Coisas Industrial). Com seus recursos, é um controlador versátil ainda mais quando a comunicação in loco ou na nuvem é necessária. Graças à capacidade de Proteção Integrada, esse controlador pode responder a exigentes aplicações de segurança. Segundo Schneider Electric (2020), polivalente para aplicações de Lógica e Movimento com protocolos de comunicação em nuvem (MQTT, JSON, OPC UA) e criptografia (TLS), o controlador Modicon M262 é ideal para a indústria. A Figura 25 apresenta o módulo básico do controlador. O Anexo 8 apresenta o controlador em arquiteturas testadas, validadas e documentadas.

Figura 25: Controlador Modicon M262

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Módulos de entradas e saídas (Figura 26), tanto digitais quanto analógicos, poderão ser incorporados conforme as necessidades de cada projeto. Segundo Schneider Electric (2020), uma porta de barramento TM3 localizada no lado direito do controlador Modicon M262 permite conexão com qualquer módulo de expansão TM3 para configurações E/S locais, remotas ou distribuídas:

- E/S Locais: 7x Modicon TM3 – módulos de expansão (máxima configuração);

- E/S Remotos: + 7x módulos remotos (igual a 14x módulos TM3: 7x locais + 7x remotos); - E/S Distribuídos: até 64x acopladores de barramento TM3 (Ethernet/IP ou Modbus TCP), permitindo 14x módulos de E/S TM3 pelo acoplador de barramento (Ethernet/IP).

Figura 26: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S TM3

Hardwares complementares à linha permitem a capacidade de expandir a quantidade de entradas e saídas distribuídos fornecendo flexibilidade e escalabilidade para máquinas (Figura 27): - Com o Modicon TM5, IP20, a faixa de performance de E/S concebida para máquinas complexas; - Com o Modicon TM7, IP67, a faixa de performance de E/S projetada para ambientes severos.

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Figura 27: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S TM5 e TM7

Dependendo da aplicação o controlador pode ser do modelo TM262L ou TM262M. O TM262L seria para controle de lógica e múltiplos arranjos de entradas e saídas. Já o TM262M seria para controle de movimentação com até 16 eixos sincronizados, incorporando uma aplicação de controle de segurança capaz de atingir SIL3 (nível de integridade de segurança, normatizado pela IEC 61508).

Segundo Schneider Electric (2020), o controlador M262M incorpora o protocolo SERCOS (padrão de interface digital internacional para a comunicação entre controles industriais, dispositivos de movimento e dispositivos de entrada e saída, normatizado pela IEC 61491 e EN 61491) na porta Ethernet 1 e, assim, tem capacidade de gerenciar controladores lógicos de segurança TM5CSLC, estes definidos como escravos, módulos de entradas e saídas de segurança Modicon TM5 e blocos de entradas e saídas seguras. Logo, esses dispositivos permitem inúmeras possibilidades de arranjos para sistemas de segurança. A Figura 28 apresenta uma arquitetura simples utilizando o controlador M262, um controlador lógico de segurança e módulos de entradas e saídas seguras.

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Figura 28: Conectando o M262 aos Sistemas de E/S Seguras

3.3 SOFTWARE DE DESENVOLVIMETO

Apesar de não estar diretamente relacionado ao painel elétrico, o software merece um capítulo especial nesse contexto de digitalização e conectividade. Os softwares e plataformas virtuais são ferramentas essenciais para criação de ecossistemas colaborativos nos quais painéis elétricos certamente estarão inseridos. Assim como hardwares de automação, os softwares também requerem um acervo de informações e conhecimentos muito específicos. Logo, especificações e definições poderão implicar em dificuldades dependendo das particularidades do projeto que se deseja executar. É nesse contexto que a Schcneider Electric desenvolveu sua solução atendendo as necessidades atuais do mercado.

O EcoStruxure é a arquitetura e plataforma abertas, preparadas para IoT, interoperáveis e plug-and-play. Desenvolvida para segmentos como o industrial, de infraestrutura, data center e edifícios, representa a abordagem da Schneider de gestão de energia integrada, abrangente e

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eficiente em todas as áreas da empresa, otimizada para a máxima eficiência. A Figura 29 apresenta a plataforma proposta pela Schneider Electric.

Figura 29: Plataforma EcoStruxure – Schneider Electric

Segundo Schneider Electric (2020), a plataforma permite que usuários desenvolvam soluções escaláveis e convergidas que:

- Maximizem a eficiência da energia e a sustentabilidade através de um sistema mais inteligente e de decisões orientadas por dados em tempo real;

- Forneçam opiniões móveis e redução proativa dos riscos através da simulação, conscientização situacional e da digitalização;

- Otimizem a disponibilidade e o desempenho dos ativos através de análises preditivas e da manutenção proativa;

- Capacitem operações inteligentes produtivas e lucrativas através da redução de resíduos e do tempo inoperante;

- Promovam a inovação aberta e a interoperabilidade através do desenvolvimento e da parceria com organizações líderes de normas e os melhores líderes em tecnologia da categoria.

Resumidamente, conforme a Figura 30 e a Figura 31, o EcoStruxure possui três níveis ou camadas: produtos conectados; controle de ponta e aplicativos e; análise e serviços que podem ser hospedados na nuvem, bem como no próprio local. Na base ficam os produtos conectados: Os melhores produtos conectados, capacitados para IoT, incluem disjuntores, drivers, UPSs, relés,

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sensores, entre outros. No meio fica o controle: As situações de missão crítica podem ser imprevisíveis, portanto, o controle no estado da arte dos dispositivos na rede da IoT é imprescindível. Essa capacidade essencial proporciona soluções em tempo real que permitem o controle local de alto desempenho, protegendo a segurança e o tempo em operação. No topo ficam os aplicativos, análises e serviços: A interoperabilidade é obrigatória para respaldar a diversidade de hardware nos mercados finais. O EcoStruxure capacita uma variedade de aplicativos agnósticos, análises e serviços para obter uma integração empresarial transparente. Nesse nível, a plataforma proporciona simulação, referência e a capacidade de prever que permitem a tomada de decisões de prazos mais longos a partir da análise de padrões e tendências.

Figura 30: Camadas EcoStruxure – Schneider Electric

A arquitetura, ainda, é compatível com sistemas de terceiros para aproveitamento de investimentos existentes. Pela sua flexibilidade e infinidade de recursos é uma excelente solução para a Gestão Energética, Gerenciamento de Processos e Máquinas, Gerenciamento de Salas e Sistemas de TI, Gestão de Prédios e Gestão de Segurança Pessoal e Patrimonial.

Figura 31: Arquitetura EcoStruxure – Schneider Electric

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4 ANÁLISE COMPARATIVA: SMART PANEL X CONVENCIONAL

De modo a verificar e avaliar as diferenças entre o painel inteligente e o painel convencional, este capítulo apresentará uma análise de custos dos componentes envolvidos bem como uma análise funcional de dois projetos genéricos, elaborados apenas para fins de estudo.

Como já descrito anteriormente, as características apresentadas individualmente por cada dispositivo podem agregar novas funcionalidades e características ao painel elétrico. Por consequência, os custos ou investimentos no conjunto inteligente serão maiores, se comparados ao convencional. E, logicamente, o projeto do mesmo apresentará uma maior complexidade.

O Apêndice 1 apresenta o projeto de um painel de distribuição inteligente que, se de fato fosse construído, se apresentaria similar ao apresentado na Figura 32. Este, que se apresenta em uma estrutura metálica da Schneider Electric, em um arranjo modular da linha Prisma, que permite uma montagem simples e rápida oferecendo alto nível de segurança em sua operação e manutenção. O painel possui diversos dispositivos que permitem sua conexão direta em rede e, ainda, alguns elementos acessórios que possibilitam informar o status de componentes bem como proceder na sua manobra.

Figura 32: Smart Panel – Schneider Electric