Aplicação da norma IEC 61850 permite um salto de qualidade nas operações e na integridade dos ativos e muda a maneira como pensamos em automação

Projetos da ABB para grandes mineradoras do Brasil tornam a automação industrial mais eficiente utilizando informações integradas de processos e sistemas elétricos, com base na norma IEC 61850. A seguir, algumas considerações sobres as vantagens da automação elétrica em minas no que se refere a rentabilidade, eficiência energética, comunicação dos dispositivos, integração das informações e controle dos processos. Melhorar a eficiência energética é um aspecto fundamental para o gerenciamento de plantas de mineração e minerais, especialmente devido ao aumento dos custos de eletricidade.

É o caso de uma mineradora global que está melhorando o balanço produção-energia integrando produção e ambientes elétricos para alcançar os seguintes benefícios:

 • Banco de dados de informações exclusivo para automação. Dados cruzados entre energia e processo;

• Rastreabilidade: informações históricas para análise de dados e planejamento de ações;

 • Número reduzido de pessoal operacional necessário, devido à integração de sistemas e inteligência;

• Economia nos custos de instalação com padronização da solução e redução dos cabos de controle;

 • Economia com redução de interrupção do tempo de produção.

• Menos exposição a riscos elétricos, maior segurança graças à manutenção remota e monitoramento de equipamentos elétricos;

• Disponibilidade de dados de qualidade do sistema, necessários para a operação diária e que provoca mudanças drásticas nas práticas estabelecidas.

 Exemplos do que tem sido implementado pela ABB em unidades de grandes mineradoras no Brasil.

DIFERENTES ABORDAGENS PARA AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES

Os sistemas de automação de subestações são compostos por vários elementos: os que protegem os equipamentos e os que controlam chaves, disjuntores e transformadores fundamentais para o funcionamento. Tudo isso requer supervisão e monitoramento do desempenho e das limitações. Existem duas arquiteturas comuns quando se trata de automação de subestações. A primeira geralmente se aplica a novas plantas, nas quais o projetista define a rede e a topologia da infraestrutura. Esta circunstância é a melhor para mitigar riscos, compilar informações do sistema elétrico e otimizar custos de implementação.

O segundo cenário se aplica com mais frequência a usinas mais antigas ou em operação há vários anos. Aqui, as fábricas muitas vezes não possuem uma infraestrutura dedicada para automação elétrica. Nessas usinas, é comum encontrar diversos sistemas de automação para cada subestação. Eles geralmente utilizam CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) de vários fornecedores como sistemas supervisórios. A falta de um sistema central para gerenciar todas as subestações torna a troca de informações problemática e o gerenciamento da planta como um todo muito mais difícil. No ambiente tecnológico atual, é fundamental contar com um sistema de automação capaz de integrar todas as informações disponíveis em uma única plataforma, independente do modelo ou protocolo do relé de proteção. A integração da automação da subestação com o sistema de controle de processo é o melhor cenário. Isso cria um único banco de dados, permitindo o gerenciamento completo da planta, tanto em termos de operação quanto de manutenção. Disponibilizar informações em qualquer lugar da fábrica também facilita a operação remota, aprimorando ainda mais os recursos de monitoramento.

TORNANDO REALIDADE O MELHOR CENÁRIO DE SISTEMA INTEGRADO

O melhor cenário, com equipamentos de vários fornecedores integrados em um único sistema, tornou-se realidade com o advento da IEC 61850 e a evolução dos equipamentos da subestação, como IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes) e medidores digitais. Essa integração permite que várias subestações, com IEDs de diferentes fornecedores, sejam agrupadas em um único sistema. Conhecida como “interoperabilidade”, essa estratégia permite que a manutenção do sistema elétrico seja feita com informações de toda a planta, tornando a operação mais fácil do que nunca. Norma IEC 61850: além do protocolo de comunicação O padrão IEC 61850 às vezes é mal interpretado como apenas um protocolo de comunicação.

No entanto, vai além disso. Para padronizar a comunicação na automação de subestações, a IEC 61850 se baseia em três princípios: interoperabilidade; liberdade de configuração e estabilidade a longo prazo. A interoperabilidade, conforme discutido, descreve a capacidade de IEDs de diferentes fornecedores se comunicarem entre si.

 A liberdade de configuração descreve a possibilidade de os fornecedores utilizarem diferentes métodos e filosofias para a programação interna da lógica executada pelos IEDs, permitindo a liberdade de alocar funções para um ou mais IEDs. A estabilidade de longo prazo se refere ao processo de manter o protocolo de comunicação atualizado em um campo tecnológico de rápido avanço. Os três princípios são construídos um sobre o outro, a liberdade de configuração não pode ser alcançada sem a interoperabilidade, e a estabilidade de longo prazo é alcançada somente após a adoção dos dois primeiros protocolos.

Para que os objetivos de toda a fábrica sejam atendidos, a forma como os dispositivos trocam dados é padronizada por meio do uso de um nó lógico. Um Nó Lógico é “a menor parte de uma função que troca dados” (IEC 61850-SER ed1.0, 2010). Cada função da subestação é dividida em partes menores, e a forma como os dados são trocados entre cada parte é padronizada, sem afetar a operação. Isso garante interoperabilidade, liberdade de configuração e, claro, estabilidade a longo prazo.

FACILITANDO A TROCA DE INFORMAÇÕES ENTRE DISPOSITIVOS

Para facilitar a troca de informações entre os dispositivos, são definidos dois protocolos de comunicação: um para comunicação entre o IED e o sistema supervisório (MMS), e outro para comunicação rápida entre IEDs para intertravamentos e seletividade lógica (GOOSE).

O protocolo MMS (Manufacturing Message Specification) é utilizado para a comunicação entre os IEDs e o sistema supervisório baseado na filosofia cliente-servidor, ou seja, o IED se torna servidor das informações disponíveis e o sistema supervisório cliente dessas informações, usado para supervisão e dados operacionais. O protocolo GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) é aplicado para trocar as informações críticas de tempo entre os IEDs dentro da rede para proteção, para fins de intertravamento e seletividade lógica. Essa comunicação é baseada em endereços MAC e permite a transmissão de pacotes na rede em até três milissegundos. O protocolo GOOSE é uma das grandes vantagens da IEC 61850, diminuindo a quantidade de fiação entre cubículos em uma subestação para realizar esquemas de seletividade lógica. Este protocolo significa o fim da cansativa implementação dispositivo por dispositivo e muito menos fiação, reduzindo consideravelmente o tempo de instalação e os custos de manutenção.

 VANTAGENS PARA O SISTEMA ELÉTRICO

Como a inteligência para proteção e seletividade lógica é distribuída para e entre os IEDs, o DCS (Sistema de Controle Distribuído) pode ser responsável pelo gerenciamento de energia e outras lógicas que requerem uma visão de sistema de nível superior. Algumas funções, como redução de carga , controle do gerador , gerenciamento da turbina e controle do tap do transformador, podem ser executadas no DCS. Alguns controladores possuem interface GOOSE, alcançando tempos de operação superiores a 10 milissegundos. Isso reduz os tempos de ajuste de seletividade , cuidando da saúde mecânica de cabeamento, disjuntores, quadros e máquinas, sem o uso de fios rígidos.

 Outra vantagem fornecida com o advento do IEC 61850 é a geração de dados de tendência para todos os equipamentos do sistema elétrico. Os medidores digitais já possuem drivers de comunicação, em breve TCs, TPs, disjuntores e aparelhagens entrarão no mercado com os mesmos. Em breve, as operadoras poderão ter um sistema ainda mais integrado do que é possível atualmente, por meio de um único padrão de rede Em breve, os operadores poderão ver um sistema ainda mais integrado do que é possível atualmente, com a entrada no mercado de TCs, TPs, disjuntores e quadros com drivers de comunicação Exemplo de sistema integrado em planta no Brasil de uma grande mineradora A integração de informações trazida pelo uso dos protocolos IEC 61850, especialmente a interoperabilidade, é melhor visualizada por meio de um exemplo prático. Esta seção aborda o sistema de automação elétrica integrado de uma planta no Brasil.

Nesse sistema específico, seis subestações foram integradas em um único sistema. As subestações envolvidas estão localizadas em diferentes pontos da cidade, separadas por distâncias de até 30 km. Os IEDs em uso são de dois fornecedores diferentes, porque os retrofits foram feitos em períodos diferentes e sob contratos diferentes. O sistema supervisório é de um fornecedor terceirizado, ele se comunica com os IEDs via protocolo MMS para operação e supervisão do sistema. Devido à grande distância entre as subestações e ao risco de perda ou fraqueza dos sinais de comunicação, existe uma solução de contingência para cada subestação.

Este plano de contingência consiste em um painel touch-screen de interface homem-máquina e um controlador com interface GOOSE capaz de transferir dados de e para IEDs, garantindo a operação remota de disjuntores e chaves. Isso atinge o principal objetivo do projeto: manter o operador longe do cubículo elétrico e, conseqüentemente, longe do risco elétrico. Com a IEC 61850, foi possível reunir todas as informações disponíveis em um mesmo sistema, possibilitando a operação do sistema elétrico independente de onde o operador esteja. A adoção do protocolo também permitiu a comunicação entre IEDs, de diferentes fornecedores, localizados em subestações com distâncias notáveis entre si.

Com as informações centralizadas através de redes Ethernet, foi possível a criação de uma sala cirúrgica remota. Desta sala um operador pode visualizar tudo o que está acontecendo no sistema. Os IEDs podem ser parametrizados e configurados de qualquer lugar com acesso ao sistema, agregando mais um benefício a este padrão. Após a conclusão do projeto, a operação e manutenção remotas foram garantidas e as informações de seis diferentes subestações foram integradas em um único sistema.

VANTAGENS PARA O SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO

A adoção de sistemas baseados em Ethernet permite que protocolos abertos sejam utilizados com maior frequência, criando sistemas de automação mais completos e, assim, otimizando custos e disponibilidade de informações em plantas de todos os portes. Ainda existe uma forte separação entre o sistema de automação elétrica, responsável pelo gerenciamento de energia, e o sistema de automação de processos, mais voltado para a produção, de forma que há pouca ou nenhuma troca de informações entre os dois.

Cada vez mais, os operadores estão optando por ter um único sistema gerenciando toda a planta, buscando um excelente desempenho tanto na automação de processo quanto na elétrica, por meio de um sistema DCS exclusivo. Entre as vantagens decorrentes da integração do sistema elétrico com o controle do processo, a redução de custos é fundamental. Isso inclui custos indiretos compartilhados entre as áreas, como treinamento e investimento. Além disso, novas funcionalidades podem ser implementadas com a combinação de informações. Exemplos de interações de IED com equipamentos de processo Um exemplo pode ser encontrado na adoção de relés de proteção de média tensão para controle de motores na IEC 61850, em que é possível aproveitar todos os benefícios do protocolo GOOSE entre IEDs sem perder a interação com equipamentos de processo, como instrumentação, válvulas e inversores.

Um caso real dessa funcionalidade pode ser dado por uma esteira que manuseia minério, aço ou qualquer outra mercadoria. Nestes casos, não é incomum a necessidade de operação de grandes motores de média tensão. Em caso de falha, a substituição quase nunca é imediata, causando danos e perda de produção. Utilizando recursos do ambiente de automação da subestação, como seletividade lógica e intertravamentos, é possível preservar a integridade dos equipamentos. Utilizando a IEC 61850, é possível desligar os motores antes que os efeitos de sobrecorrente sejam detectados pelos TCs, diminuindo o impacto nos motores, aumentando assim sua vida útil. Isso reduz a probabilidade de enrolamentos danificados ou problemas mais sérios que exigiriam substituição ou tempo de inatividade prolongado.

 MUDANÇAS DRAMÁTICAS NA OPERAÇÃO

DE MINAS A disponibilidade de dados de qualide do sistema é fundamental para a operação diária, um vez que a demanda por informações úteis em todas as áreas, incluindo o ambiente industrial, está provocando mudanças dramáticas nas práticas estabelecidas. Com o advento da IEC 61850, mais informações são coletadas do sistema de automação elétrica, com comunicação Ethernet e padronização de dados.

Isso permite a interoperabilidade e liberdade de configuração com IEDs de diferentes fornecedores. Com tamanha riqueza de dados disponíveis em sistemas supervisórios, a integração de informações entre sistemas de automação permite a tomada de decisões multidisciplinares. Isso proporciona uma melhor eficiência. Além disso, aplicações desenvolvidas para o ambiente elétrico também podem ser utilizadas em sistema de controle de processo, o que é visto nos exemplos descritos.