X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente
18 a 21 de setembro de 2011
São João del-Rei - MG - Brasil
FUNCIONALIDADES DA INTEGRAÇÃO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
ANDRÉ LUÍS DIAS1, 2, DENNIS BRANDÃO2.
1. Siemens Ltda, Industry Sector, Control Components and System Engineering
Av. Presidente Vargas, 2001,Cj.42/43 - Ribeirão Preto - SP
E-mails: [email protected]
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: [email protected]
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 unscheduled downtimes, improving energy efficiency, process control system optimization and implement energy management. Additionally, 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 diversas áreas de uma indústria de açúcar e etanol, e o integrando totalmente ao sistema de automação, é possível obter mais informações dos motores elétricos de maneira a reduzir número e tempo de paradas não programadas, aprimorar a eficiência energética, 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 Energia sobre balanço energético nacional de 2008,
46,7% do total de energia elétrica produzida no Brasil é consumida pelo setor industrial [EMPRESA DE
PESQUISA ENERGÉTICA, 2008].
Em uma indústria de processo, o consumo de energia elétrica representa o segundo maior custo,
sendo inferior apenas da matéria-prima. Aproximadamente 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 renováveis, 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 MINAS E ENERGIA, 2010].
Um dos recursos para atender ao crescimento
desta demanda é através da modernização das instalações elétricas e automação industrial. Utilizando
redes de comunicação industrial e equipamentos inteligentes nas partidas dos motores elétricos, criamos
uma estrutura que permite o envio de mais informações sobre suas condições e status ao sistema de automação, possibilitando diversos ganhos. Desta ma-
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neira o convencional centro de controle de motores
(CCM) com esta funcionalidade se torna “inteligente”, 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 eficiência energética, já que área de plantio disponível atualmente é bastante restrita, tendendo a se estabilizar e
até diminuir a partir de 2015.
Com foco neste contexto, este artigo visa verificar através de um grupo de usinas de açúcar e etanol
que atualmente aplicam CCMis nos acionamentos de
motores elétricos, a utilização de suas funcionalidades que serão discutidas nas próximas seções.
2 Descrição
A ampla integração de processos industriais,
com o aumento no volume de dados a serem transmitidos, 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, conhecido como fieldbuses [BENZI, 2005]. Estas redes
também chamadas de redes de campo ou redes de
comunicação industrial, são utilizadas para interconectar dispositivos de campo, como controladores de
processo (CLP), sensores, atuadores, interface homem-máquina entre outros [TOVAR, 1999 e THOMESSE, 2005].
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Os acionamentos dos motores elétricos em uma
indústria de processo normalmente são instalados de
maneira centralizada em painéis elétricos, e são comumente chamados de Centro de Controle de Motores ou CCMs.
As redes de comunicação industrial dão a estrutura 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 chamado de Centro de Controle de Motores Inteligentes
ou CCMi.
Através de sua utilização há possibilidade de integração total entre os acionamentos dos motores
elétricos e o sistema de automação.
Em seguida, são descritos os típicos básicos de
acionamentos elétricos convencionais em comparação aos acionamentos inteligentes.
•
Botões, entradas e saídas digitais de controladores - Componentes de comando
Em CCMs inteligentes os típicos de partidas diretas e
reversoras contemplam:
• Contatores - Componentes de manobra
• Relés inteligentes - Componentes de proteção, comando e supervisão (via rede de
campo)
• Disjuntor motor - Componentes de proteção
(específico para proteção contra curtocircuito).
3.1 Acionamentos de motores elétricos de baixa
tensão
Atualmente os principais métodos de partida utilizados para acionamento de motores elétricos em
novas plantas são: as partidas diretas/reversoras, partidas suaves ou soft starters e conversores de frequência.
Cada partida de motor é dimensionada principalmente de acordo com a carga a ser acionada e
disponibilidade da rede elétrica. Esta definição normalmente é realizada por um consultor, que define os
equipamentos que serão utilizados em cada tipo de
partida, e essas informações são exibidas nas especificações técnicas dos CCM, conhecida como “Típico
de Partida”.
Para estruturar essas partidas de motores provendo comunicação com o sistema de automação, foi
necessário utilizar equipamentos inteligentes, tornando assim os típicos de partida diferentes comparados
aos que eram utilizados tradicionalmente. Segue descrição 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 diretamente ao motor, gerando um pico de corrente. Deve ser usada sempre que possível, em aplicações onde o motor possui baixa potência, a carga não necessita de aceleração progressiva e o conjugado de partida 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
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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 dispositivos de manobra eletrônicos, capazes de realizar a
partida e parada de motores elétricos de forma progressiva, evitando assim picos de corrente e variações 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 controladores - 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 proteção (específico para proteção contra curtocircuito).
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3.2 Funcionalidades da utilização de CCMs Inteligentes
A utilização de redes de comunicação industrial
rende diversas vantagens sobre as soluções convencionais utilizando I/O de PLCs que governaram há
décadas o cenário de sistemas de controle industriais
[FALDELLA, 2009].
A partir desta estrutura, os dispositivos inteligentes disponibilizarão maior quantidade de informações ao sistema de automação, como mostra o comparativo de dados fornecidos pelos típicos de partida
na tabela 1, possibilitando alcançar os ganhos listados na sequência.
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 acionamentos elétricos que possibilitam o controle da
velocidade do motor através do controle da frequência 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 proteção
• Botões, entradas e saídas digitais e analógicas - Componentes de comando
Em CCMs inteligentes os típicos de partida utilizando conversores de frequência contemplam:
• Conversor de frequência - Componentes de
manobra/acionamento, proteção, comando e
supervisão (via rede de campo)
• Fusíveis/disjuntores - Componente de proteção (específico para proteção contra curtocircuito)
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 bits
1 analógico
4 bytes
Recebidos
2 bytes
Enviados
Partida Soft Starter
2 bits
2 bytes
Recebidos
2 bits
1 analógico
12 bytes
Enviados
Partida Conversor
de frequência
4 bits
1 analógico
12 bytes
Recebidos
Obs.: Baseado em partidas inteligentes utilizando Simocode pro V, soft starter 3RW44 e conversores de freqüência Micromaster 440 da SIEMENS
1.
Redução dos custos de cabeamento
Devido a utilização de redes de campo, as informações 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 inteligente, 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 analógicas 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 dispositivos conectados via fieldbus, e sobre sua maior resistência 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.
Figura 3. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION – SIEMENS,
2010 - Típico Conversor de Freq.: (a) Convencional (b) Inteligente
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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 (sobrecarga, 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
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possibilita a detecção de falhas antes que elas ocorram.
Estima-se que 38% das paradas não programadas
são causadas em falhas em equipamentos que poderiam 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 relação a eficiência energética e otimização do
processo
Motores elétricos não dimensionados corretamente, operam em condições distintas a suas nominais, e consequentemente geram maior custo de aquisição, operação e podem também apresentar falhas
prematuras [SHAIKH, 2006].
Através de históricos de consumo de energia enviado pelo CCMi e armazenados no sistema de automação, 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 processo 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, diagnóstico e manutenção de dispositivos de campo inteligentes, 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
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de acionamentos elétricos em manutenção, por exemplo.
Deve se apresentar também, que a utilização
dos CCMi em contrapartida, requerem algumas condições especiais para que o usuário possa usufruir de
suas funcionalidades. Essas condições são mais exigentes comparadas aos CCMs convencionais, tais
como:
- investimento inicial superior por parte de
hardware, principalmente devido a utilização de equipamentos inteligentes, e também de softwares
para parametrização destes dispositivos, software de
gerenciamentos de ativos, entre outros;
- mão de obra mais especializada tanto na integração com o sistema de automação, quanto na operação e manutenção dos equipamentos;
- conectores e cabos de comunicação com blindagem específicos são recomendados e devem ser
instalados de maneira adequada pois normalmente
trabalham em ambientes hostis. Estes itens influenciam no desempenho da rede de comunicação, podendo prejudicar o controle do processo. A perda de
comunicação irá desabilitar o controle remoto realizado pelo sistema de automação.
4 Método de análise
Para verificar a aplicação de CCMi em indústrias
de açúcar e etanol, foi criado um questionário simples com objetivo de coletar informações sobre seu
uso, analisando quais funcionalidades estão usufruindo através do supervisório do processo de acordo
com os principais ganhos apresentados. Desta maneira é possível concluir se a estrutura instalada foi integrada ao sistema de automação, e se está sendo utilizada na operação e manutenção da planta.
Foram coletados dados de um grupo de usinas de
açúcar e etanol que tiveram investimentos nos últimos anos relacionados à utilização de CCMs inteligentes, 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 anteriores 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, caldeira, fábrica de açúcar (em alguns casos a planta não
produz açúcar), destilaria, cogeração, estação de tratamento de efluentes, fermentação, entre outras utili-
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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 possuírem em suas diversas áreas, em contrapartida a
plantas mais antigas, que tendem a não possuir CCMi
em todas as suas áreas, porém provavelmente conseguirão 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 verificada em todas as usinas. Isto é devido a essa questão
estar relacionada a características físicas de instalação 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 maneira integral. Ou seja, apenas algumas das informações disponibilizadas pelos equipamentos inteligentes
ficam disponíveis no supervisório. Esta função poderia ser aperfeiçoada apenas com a necessidade de
horas de engenharia para integração destas informações ao supervisório do processo. O protocolo Profibus DP, por exemplo, poderia enviar estas informações de maneira acíclica, isto é, apenas quando solicitada pelo usuário, evitando assim tráfego intenso de
dados pelo barramento que poderia ocasionar retardos na transmissão de dados.
No que diz respeito à monitoração de dados para
ações relacionadas a eficiência energética e otimização do processo, nenhuma das usinas que responderam o questionário a utilizam. Esta funcionalidade
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também requer aperfeiçoamento do sistema supervisório com horas de engenharia, mas também um responsável pela análise crítica dos dados por ele coletados. 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 elétrica consumida, gerando dados concretos para análise da efetiva otimização do processo, ou mesmo indicando tendências para aprimorar a eficiência energética da planta.
Sobre a utilização de ferramentas para gerenciamento de ativos, vimos que menos da metade das
usinas entrevistadas utilizam este software, para parametrização, 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 algumas ferramentas adicionais como uma estação de
engenharia. É muito importante ressaltar da necessidade 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 informações são obtidas através de um multimedidor de
grandezas elétricas instaladas na alimentação de potência do CCMi. Assim, é possível realizar relatórios
de rateio de energia para diversas áreas da planta,
mas não especificamente para cada acionamento elétrico, o que poderia ser utilizado via supervisório.
Os resultados encontrados dão uma visão geral
sobre a utilização das funcionalidades dos CCM Inteligentes em usinas de açúcar e etanol.
6 Conclusão
Os CCMi estão sendo usados em usinas de açucar e etanol, tanto em plantas novas quanto em plantas antigas através de investimentos para eficiência
energética. Porém, os usuários não usufruem de todo
valor agregado que esta estrutura pode oferecer, devido a limitações de sua integração com o sistema de
automação, deixando de disponibilizar dados importantes no supervisório do controle de processo. Através 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 disponibilizar estas funcionalidades ao supervisório e investimentos em capacitação de funcionários para operação 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
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expansão de energia elaborada pelo Ministério de
Minas e Energia, sendo necessário trabalho tanto nas
empresas integradoras de sistemas quanto nos usuários das usinas, conduzindo o projeto de implementação de CCMi com disponibilização de suas funcionalidades. 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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Drives” IEE Transactions on Industrial Informatics, Vol.1, pp. 47-53.
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