FUNCIONALIDADES DA INTEGRAÇÃO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO ANDRÉ LUÍS DIAS 1, 2, DENNIS BRANDÃO 2.

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1 FUNCIONALIDADES DA INTEGRAÇÃO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS AO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO ANDRÉ LUÍS DIAS 1, 2, DENNIS BRANDÃO Siemens Ltda, Industry Sector, Control Components and System Engineering Av. Presidente Vargas, 2001,Cj.42/43 - Ribeirão Preto - SP s: 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 s: 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 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 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 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 e- nergia 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 MI- NAS 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 maneira 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 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 THO- MESSE, 2005]. ISSN: Vol. X 1370

2 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 Figura 1. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION SIEMENS, 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). ISSN: Vol. X 1371

3 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, 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) Figura 3. Adaptado de SIRIUS COFIGURATION SIEMENS, Típico Conversor de Freq.: (a) Convencional (b) Inteligente Tabela 1. Comparação de dados fornecidos por partidas de motores convencionais x inteligentes Típico Convencional Inteligente Partida Direta/Reversora Partida Soft Starter 4 bits 10 bytes Enviados 2 bits 4 bytes Recebidos 4 bits 1 analógico 2 bytes Enviados Partida Conversor de frequência 2 bits 2 bytes Recebidos 2 bits 1 analógico 12 bytes Enviados 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. 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 ISSN: Vol. X 1372

4 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 de acionamentos elétricos em manutenção, por e- xemplo. 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 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 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 , 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- ISSN: Vol. X 1373

5 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 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 ISSN: Vol. X 1374

6 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. Referências Bibliográficas BENZI, F,; BUJA, G. S.; FELSER, M. (2005). Communication Architectures for Electrical Drives IEE Transactions on Industrial Informatics, Vol.1, pp EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (BRA- SIL) (2008). Balanço Energético Nacional 2008: Ano base Rio de Janeiro: EPE. FALDELLA, E.; TUCCI, P. (2009). A Model- Driven Approach to Automated Diagnosis of Industrial Distributed I/O Systems Based on Fieldbus Technologies. XXII International Symposium on Information, Communication and Automation Technologies. FRANCHI, C. M. (2008). Acionamentos Elétricos. Editora Érica Ltda, 4ª edição. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2010). Plano Decenal de Expansão de Energia Sumário. Brasília: MME/EPE. SHAIKH, M. (2006). Optimizing Energy Consumption and Improving Operational Efficiency Through the Use of Smart MCCs in Process Automation Systems. Siemens Energy & Automation. SIEMENS AG (2010). Load Feeders SIRIUS Configuration. Configuration Manual, SIE- MENS SIEMENS AG (2008). SIMATIC PDM The Process Device Manager. Technical brochure, SIEMENS THOMESSE, J. (2005). Fieldbus Technology in Industrial Automation, Proceedings Of The IEEE, Vol. 93, No. 6. TOVAR, E. M. M.; VASQUES F.(1999). Real-time Fieldbus communications using Profibus Networks, IEEE Transactions on industrial eletronics, pp WOLL, D. (2002). Collaborative Process Automation Drives Return on Assets. ARC. ISSN: Vol. X 1375