FUNCIONALIDADES DA INTEGRAÇÃO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
ANDRÉLUÍSDIAS1,2,DENNISBRANDÃO2.
1. Siemens Ltda, Industry Sector, Control Components and System Engineering Av. Presidente Vargas, 2001,Cj.42/43 - Ribeirão Preto - SP
E-mails: andre.dias@siemens.com
2. Laboratório de Automação Industrial, Departamento de Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo
Av. Trabalhador São-carlense, 400- São Carlos - SP E-mails: dennis@sc.usp.br
Abstract Using Smart Motors Control Center for electrical drives in various areas of sugar and ethanol industries, and totally integrating it with the automation system, it is possible to obtain more information about electrical motors reducing unsche- duled downtimes, improving energy efficiency, process control system optimization and implement energy management. Addi- tionally, reducing costs in installations and field wiring.
Keywords Fieldbus, Electrical drives, process automation.
Resumo Através da utilização de centro de controle de motores inteligentes (CCMi) para os acionamentos elétricos nas di- versas áreas de uma indústria de açúcar e etanol, e o integrando totalmente ao sistema de automação, é possível obter mais in- formações dos motores elétricos de maneira a reduzir número e tempo de paradas não programadas, aprimorar a eficiência e- nergética, otimizar o sistema de controle do processo e implementar o gerenciamento de energia da planta. Adicionalmente, há ganhos com redução de custos de instalação e cabeamento.
Palavras-chave Fieldbus, Acionamentos elétricos, automação de processos.
1 Introdução
Segundo o relatório do Ministério de Minas e Ener- gia sobre balanço energético nacional de 2008, 46,7% do total de energia elétrica produzida no Bra- sil é consumida pelo setor industrial [EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2008].
Em uma indústria de processo, o consumo de e- nergia elétrica representa o segundo maior custo, sendo inferior apenas da matéria-prima. Aproxima- damente 64% do valor de eletricidade alimentam motores elétricos [SHAIKH, 2006].
Dentro do setor de indústrias de processo, o segmento de açúcar e etanol tem extrema importância na economia do país. Considerando as fontes renová- veis, o etanol por exemplo, se destaca com previsão de crescimento de 90% nos próximos 10 anos. Para atendimento desta demanda será necessário expandir a capacidade industrial brasileira em 103 usinas nos próximos 10 anos, estimando investimento no setor de cerca de R$ 58,0 bilhões [MINISTÉRIO DE MI- NAS E ENERGIA, 2010].
Um dos recursos para atender ao crescimento desta demanda é através da modernização das insta- lações elétricas e automação industrial. Utilizando redes de comunicação industrial e equipamentos inte- ligentes nas partidas dos motores elétricos, criamos uma estrutura que permite o envio de mais informa- ções sobre suas condições e status ao sistema de au- tomação, possibilitando diversos ganhos. Desta ma-
neira o convencional centro de controle de motores (CCM) com esta funcionalidade se torna “inteligen- te”, sendo conhecido como Centro de controle de motores inteligente (CCMi).
Neste cenário, os CCMi serão fundamentais para atingir o desafio de atender a demanda do mercado, colaborando em questões de produtividade e eficiên- cia energética, já que área de plantio disponível atu- almente é bastante restrita, tendendo a se estabilizar e até diminuir a partir de 2015.
Com foco neste contexto, este artigo visa verifi- car através de um grupo de usinas de açúcar e etanol que atualmente aplicam CCMis nos acionamentos de motores elétricos, a utilização de suas funcionalida- des que serão discutidas nas próximas seções.
2 Descrição
A ampla integração de processos industriais, com o aumento no volume de dados a serem transmi- tidos, produziu desenvolvimento significativo nos equipamentos de comunicação de fábrica, que passou de ponto-a-ponto (sinais digitais e analógicos), para barramentos de transmissão digital de dados, conhe- cido como fieldbuses [BENZI, 2005]. Estas redes também chamadas de redes de campo ou redes de comunicação industrial, são utilizadas para interco- nectar dispositivos de campo, como controladores de processo (CLP), sensores, atuadores, interface ho- mem-máquina entre outros [TOVAR, 1999 e THO- MESSE, 2005].
Os acionamentos dos motores elétricos em uma indústria de processo normalmente são instalados de maneira centralizada em painéis elétricos, e são co- mumente chamados de Centro de Controle de Moto- res ou CCMs.
As redes de comunicação industrial dão a estru- tura necessária para equipamentos de acionamentos de motores inteligentes enviarem mais informações sobre seu funcionamento e status, possibilitando o gerenciamento dos motores elétricos de uma planta de processo. Um painel de acionamentos de motores elétricos com esta funcionalidade é comumente cha- mado de Centro de Controle de Motores Inteligentes ou CCMi.
Através de sua utilização há possibilidade de in- tegração total entre os acionamentos dos motores elétricos e o sistema de automação.
Em seguida, são descritos os típicos básicos de acionamentos elétricos convencionais em compara- ção aos acionamentos inteligentes.
3.1 Acionamentos de motores elétricos de baixa tensão
Atualmente os principais métodos de partida uti- lizados para acionamento de motores elétricos em novas plantas são: as partidas diretas/reversoras, par- tidas suaves ou soft starters e conversores de fre- quência.
Cada partida de motor é dimensionada princi- palmente de acordo com a carga a ser acionada e disponibilidade da rede elétrica. Esta definição nor- malmente é realizada por um consultor, que define os equipamentos que serão utilizados em cada tipo de partida, e essas informações são exibidas nas especi- ficações técnicas dos CCM, conhecida como “Típico de Partida”.
Para estruturar essas partidas de motores pro- vendo comunicação com o sistema de automação, foi necessário utilizar equipamentos inteligentes, tornan- do assim os típicos de partida diferentes comparados aos que eram utilizados tradicionalmente. Segue des- crição destes típicos de partida.
1. Típicos de Partida direta/reversora
A partida direta é a forma mais simples de partir um motor elétrico, na qual as três fases são ligadas dire- tamente ao motor, gerando um pico de corrente. De- ve ser usada sempre que possível, em aplicações on- de o motor possui baixa potência, a carga não neces- sita de aceleração progressiva e o conjugado de par- tida seja elevado [FRANCHI, 2008]. Suas principais vantagens são a robustez, simplicidade e baixo custo.
Em CCMs convencionais os típicos de partidas diretas e reversoras contemplavam:
• Contatores - Componente de manobra
• Fusíveis e relés de sobrecarga ou disjuntor motor - Componentes de proteção
• Botões, entradas e saídas digitais de contro- ladores - Componentes de comando
Em CCMs inteligentes os típicos de partidas diretas e reversoras contemplam:
• Contatores - Componentes de manobra
• Relés inteligentes - Componentes de prote- ção, comando e supervisão (via rede de campo)
• Disjuntor motor - Componentes de proteção (específico para proteção contra curto- circuito).
Figura 1. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION – SIEMENS, 2010 - Típico de partida direta: (a) Convencional (b) Inteligente
2. Partida Suave (Soft Starter)
As chaves de partida suave ou soft starters são dispo- sitivos de manobra eletrônicos, capazes de realizar a partida e parada de motores elétricos de forma pro- gressiva, evitando assim picos de corrente e varia- ções bruscas de torque na partida do motor.
Em CCMs convencionais, as partidas suaves contemplam:
• Soft starter - Componentes de manobra e proteção (sobrecarga)
• Fusíveis/disjuntores e/ou relés de sobrecarga - Componente de proteção
• Botões, entradas e saídas digitais de contro- ladores - Componentes de comando
Em CCMs inteligentes os típicos de partida suave contemplam:
• Soft Starter - Componentes de manobra, proteção, comando e supervisão (via rede de campo)
• Fusíveis/disjuntores - Componente de prote- ção (específico para proteção contra curto- circuito).
Figura 2. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION – SIEMENS, 2010 - Típico de partida suave: (a) Convencional (b) Inteligente
3. Partida com conversor de frequência Os conversores de frequência ou inversores são acio- namentos elétricos que possibilitam o controle da velocidade do motor através do controle da frequên- cia de corrente e tensão eficaz aplicado ao motor.
Além disso, é possível manter o torque nominal do motor em uma ampla faixa de velocidade.
Em CCMs convencionais, os típicos de partida utilizando conversores de frequência contemplavam:
• Conversor de frequência - Componentes de manobra e proteção
• Fusíveis/disjuntores - Componentes de pro- teção
• Botões, entradas e saídas digitais e analógi- cas - Componentes de comando
Em CCMs inteligentes os típicos de partida utili- zando conversores de frequência contemplam:
• Conversor de frequência - Componentes de manobra/acionamento, proteção, comando e supervisão (via rede de campo)
• Fusíveis/disjuntores - Componente de prote- ção (específico para proteção contra curto- circuito)
Figura 3. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION – SIEMENS, 2010 - Típico Conversor de Freq.: (a) Convencional (b) Inteligente
3.2 Funcionalidades da utilização de CCMs Inteli- gentes
A utilização de redes de comunicação industrial rende diversas vantagens sobre as soluções conven- cionais utilizando I/O de PLCs que governaram há décadas o cenário de sistemas de controle industriais [FALDELLA, 2009].
A partir desta estrutura, os dispositivos inteli- gentes disponibilizarão maior quantidade de informa- ções ao sistema de automação, como mostra o com- parativo de dados fornecidos pelos típicos de partida na tabela 1, possibilitando alcançar os ganhos lista- dos na sequência.
Tabela 1. Comparação de dados fornecidos por partidas de motores convencionais x inteligentes
Típico Convencional Inteligente Partida
Direta/Reversora
4 bits 10 bytes Enviados 2 bits 4 bytes Recebidos Partida Soft Starter
4 bits
1 analógico 2 bytes Enviados 2 bits 2 bytes Recebidos Partida Conversor
de frequência
2 bits
1 analógico 12 bytes Enviados 4 bits
1 analógico 12 bytes Recebidos Obs.: Baseado em partidas inteligentes utilizando Simoco- de pro V, soft starter 3RW44 e conversores de freqüência Micro- master 440 da SIEMENS
1. Redução dos custos de cabeamento
Devido a utilização de redes de campo, as in- formações coletadas dos dispositivos inteligentes são transmitidas para o sistema de automação de maneira econômica e confiável, não sendo necessária alto custo de cabeamento para envio de sinais discretos [SHAIKH, 2006]. Para cada compartimento inteli- gente, um cabo de rede único pode ser utilizado para transferir dados que necessitariam de 6 a 12 pares de fios ligados a várias entradas e saídos digitais e ana- lógicas do CLP. Faldella refere sobre a verificação da instalação, que pode ser mais problemática quando são utilizados sinais digitais e analógicos para cada dispositivo, em comparação a utilização de dispositi- vos conectados via fieldbus, e sobre sua maior resis- tência a ruídos [FALDELLA, 2009].
Dados de projetos atuais apontam para redução no custo de engenharia, instalação e manutenção em 30% não são incomuns [SHAIKH, 2006].
2. Redução do tempo de parada de máquinas Os dispositivos inteligentes além de realizar a proteção do motor, podem informar ao sistema de automação a causa e localização da falha (sobrecar- ga, falta de fase, flutuações de tensão, entre outras).
Também podem enviar alarmes, prevendo as falhas antes de acontecerem (rebaixamento de tensão na rede, consumo excessivo de corrente, tempo para disparo do motor entre outras), esta funcionalidade
possibilita a detecção de falhas antes que elas ocor- ram.
Estima-se que 38% das paradas não programadas são causadas em falhas em equipamentos que poderi- am ter sido evitados [WOLL, 2002].
Também é possível fornecer histórico de falhas de cada carga acionada registrados nos dispositivos inteligentes, tornando a tomada de decisões sobre reparos mais acertiva.
3. Monitoração de dados para ações em rela- ção a eficiência energética e otimização do processo
Motores elétricos não dimensionados correta- mente, operam em condições distintas a suas nomi- nais, e consequentemente geram maior custo de aqui- sição, operação e podem também apresentar falhas prematuras [SHAIKH, 2006].
Através de históricos de consumo de energia en- viado pelo CCMi e armazenados no sistema de auto- mação, há possibilidade de analisar a performance e tendências do processo (identificação de problemas de carga acionada, substituição de motores em função da sua resposta às mudanças na condições do proces- so ou instalação, analisar resultados de performance do processo após modificações de parâmetros no sistema de controle).
Assim, com a disponibilização de dados pelo CCMi é possível reconhecer pontos de otimização de maneira a alcançar melhorias na produtividade do processo.
4. Gerenciamento de ativos
Utilizando uma ferramenta de gerenciamento de ativos, o usuário pode executar a configuração, diag- nóstico e manutenção de dispositivos de campo inte- ligentes, concentrando as informações em um único banco de dados [SIEMENS AG, 2008].
Algumas funções são a definição e modificação de parâmetros, identificação e teste dos dispositivos, comissionamento, calibração, entre outras funções que podem ser realizadas de um único ponto através de uma estação de engenharia.
5. Gerenciamento de energia
Através de um supervisório com banco de dados conectados via redes de campo com os CCMis, é possível coletar o consumo de energia de cada área da planta, e mesmo de cada carga em específico.
Desta maneira fica possível gerar relatórios de rateio de energia, e mesmo controlar demanda da planta evitando multas com a concessionária.
Além dos pontos apresentados acima é possível ainda utilizar a estrutura de CCMi para outros fins devido a utilização de dispositivos inteligentes, como integração de sensores de proteção específicos de máquinas aos acionamentos elétricos inteligentes e aumento de segurança dos operados com indicação
de acionamentos elétricos em manutenção, por e- xemplo.
Deve se apresentar também, que a utilização dos CCMi em contrapartida, requerem algumas con- dições especiais para que o usuário possa usufruir de suas funcionalidades. Essas condições são mais exi- gentes comparadas aos CCMs convencionais, tais como:
- investimento inicial superior por parte de hardware, principalmente devido a utilização de e- quipamentos inteligentes, e também de softwares para parametrização destes dispositivos, software de gerenciamentos de ativos, entre outros;
- mão de obra mais especializada tanto na inte- gração com o sistema de automação, quanto na ope- ração e manutenção dos equipamentos;
- conectores e cabos de comunicação com blin- dagem específicos são recomendados e devem ser instalados de maneira adequada pois normalmente trabalham em ambientes hostis. Estes itens influenci- am no desempenho da rede de comunicação, poden- do prejudicar o controle do processo. A perda de comunicação irá desabilitar o controle remoto reali- zado pelo sistema de automação.
4 Método de análise
Para verificar a aplicação de CCMi em indústrias de açúcar e etanol, foi criado um questionário sim- ples com objetivo de coletar informações sobre seu uso, analisando quais funcionalidades estão usufruin- do através do supervisório do processo de acordo com os principais ganhos apresentados. Desta manei- ra é possível concluir se a estrutura instalada foi inte- grada ao sistema de automação, e se está sendo utili- zada na operação e manutenção da planta.
Foram coletados dados de um grupo de usinas de açúcar e etanol que tiveram investimentos nos últi- mos anos relacionados à utilização de CCMs inteli- gentes, localizadas no interior de São Paulo e Mato Grosso do Sul. Os dados foram coletados através de usuários encarregados pela área elétrica, automação e instrumentação de cada planta, via telefone ou email, sendo todo o embasamento descrito nas seções ante- riores apresentados previamente para atingir maior assertividade das respostas.
5 Resultados e discussão
Dados de dez usinas foram coletados, e através das respostas enviadas pelos seus funcionários foi constatado inicialmente que em algumas plantas nem todos os CCMs aplicados nas diversas áreas da usina como preparo e moenda, tratamento do caldo, caldei- ra, fábrica de açúcar (em alguns casos a planta não produz açúcar), destilaria, cogeração, estação de tra- tamento de efluentes, fermentação, entre outras utili-
zam dispositivos inteligentes. Isto se deve aos CCM inteligentes poderem ser instalados modularmente por área da planta, assim plantas novas (chamados greenfields) ou grandes ampliações e reformas que já surgiram com o conceito de utilização de CCMi pos- suírem em suas diversas áreas, em contrapartida a plantas mais antigas, que tendem a não possuir CCMi em todas as suas áreas, porém provavelmente conse- guirão realizar a substituição modularmente por área de processo sem grandes problemas.
Gráfico 1. Resultados da pesquisa
O gráfico 1, mostra os resultados obtidos para cada funcionalidade descrita na seção 3.
A redução nos custos de cabeamento, foi verifi- cada em todas as usinas. Isto é devido a essa questão estar relacionada a características físicas de instala- ção necessárias para implementação de um CCMi, já que com a utilização de redes de campo, a conexão entre os acionamentos de motores se dará através de um único cabo de comunicação, dispensando o uso de centenas de entradas e saídas digitais e analógicas do CLP, ou seja, está característica está intrínseca a montagem do CCMi.
Em relação à redução do tempo de parada de máquina, foi constatada que quase a totalidade das usinas utilizam esta funcionalidade, mas não de ma- neira integral. Ou seja, apenas algumas das informa- ções disponibilizadas pelos equipamentos inteligentes ficam disponíveis no supervisório. Esta função pode- ria ser aperfeiçoada apenas com a necessidade de horas de engenharia para integração destas informa- ções ao supervisório do processo. O protocolo Profi- bus DP, por exemplo, poderia enviar estas informa- ções de maneira acíclica, isto é, apenas quando soli- citada pelo usuário, evitando assim tráfego intenso de dados pelo barramento que poderia ocasionar retar- dos na transmissão de dados.
No que diz respeito à monitoração de dados para ações relacionadas a eficiência energética e otimiza- ção do processo, nenhuma das usinas que responde- ram o questionário a utilizam. Esta funcionalidade
também requer aperfeiçoamento do sistema supervi- sório com horas de engenharia, mas também um res- ponsável pela análise crítica dos dados por ele cole- tados. Caso algumas variáveis do processo forem alteradas visando aumento de produção, através da informação do percentual de aumento de produção, em relação aos insumos consumidos, o CCMi daria informações em relação a quantidade de energia elé- trica consumida, gerando dados concretos para análi- se da efetiva otimização do processo, ou mesmo indi- cando tendências para aprimorar a eficiência energé- tica da planta.
Sobre a utilização de ferramentas para gerencia- mento de ativos, vimos que menos da metade das usinas entrevistadas utilizam este software, para pa- rametrização, comissionamento entre outras nos itens de instrumentação e acionamentos elétricos. Esta funcionalidade pode ser utilizada pelas demais usinas através da aquisição do software específico e de al- gumas ferramentas adicionais como uma estação de engenharia. É muito importante ressaltar da necessi- dade de mão de obra especializada para operação desta ferramenta.
Sobre o gerenciamento de energia, o resultado mostrou que mais da metade das usinas entrevistadas utilizam essa função, sendo indicado que as informa- ções são obtidas através de um multimedidor de grandezas elétricas instaladas na alimentação de po- tência do CCMi. Assim, é possível realizar relatórios de rateio de energia para diversas áreas da planta, mas não especificamente para cada acionamento elé- trico, o que poderia ser utilizado via supervisório.
Os resultados encontrados dão uma visão geral sobre a utilização das funcionalidades dos CCM Inte- ligentes em usinas de açúcar e etanol.
6 Conclusão
Os CCMi estão sendo usados em usinas de açu- car e etanol, tanto em plantas novas quanto em plan- tas antigas através de investimentos para eficiência energética. Porém, os usuários não usufruem de todo valor agregado que esta estrutura pode oferecer, de- vido a limitações de sua integração com o sistema de automação, deixando de disponibilizar dados impor- tantes no supervisório do controle de processo. Atra- vés dos dados coletados, se identificou que a questão de eficiência energética e otimização do processo são pontos que não foram explorados nas plantas onde ocorreram coleta de dados.
Desta maneira, concluímos que serão necessários investimentos em horas de engenharia para disponibi- lizar estas funcionalidades ao supervisório e investi- mentos em capacitação de funcionários para opera- ção e manutenção do sistema em usinas onde esta estrutura já está instalada.
Por todas as funcionalidades apresentadas, os CCMi tendem a serem instalados também em novas plantas a serem implementadas segundo o plano de
expansão de energia elaborada pelo Ministério de Minas e Energia, sendo necessário trabalho tanto nas empresas integradoras de sistemas quanto nos usuá- rios das usinas, conduzindo o projeto de implementa- ção de CCMi com disponibilização de suas funciona- lidades. Assim, o CCM se torna inteligente quando há a utilização do valor agregado disponibilizado por esta estrutura, integrando os dispositivos inteligentes ao sistema de automação.
Agradecimentos
À empresa Siemens Ltda pela experiência que pude viver em campo como engenheiro de aplicação.
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