Características e benefícios dos sistemas de gerenciamento de

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CONSUMO INDUSTRIAL
Características e
benefícios dos
sistemas de
gerenciamento
de energia
A integração de hardware de
medição, supervisão e controle
em um sistema de
gerenciamento de energia
permite ao consumidor
acompanhar o comportamento
da planta industrial com foco
na eficiência energética, o que
é cada vez mais necessário
para diminuir os custos em
face do acirramento da
competição. Este artigo
descreve as propriedades
desses sistemas e seu
Daniel Alves, Denise Ribeiro, Leandro Santos,
processo de implantação,
José Carlos Camilo e Rinaldo Anjos,
com um exemplo real ao final.
do Cefet-MG - Centro Federal de Educação Tecnológica
de Minas Gerais
S
istemas de gerenciamento de energia são sistemas de automação
que coletam dados de medição de
energia do campo e os disponibilizam
aos usuários, por meio de relatórios, gráficos, ferramentas de monitoração online e analisadores de eventos de qualidade de energia, permitindo assim a
gestão de recursos energéticos de uma
planta industrial. A disponibilização das
informações a funcionários das áreas
técnicas/engenharia/comissões de conservação de energia confere à empresa
um diferencial competitivo: os dados
Halma PR
on-line e a massa histórica são analisados e convertidos em informações úteis
para a eficientização, economia e otimização do uso da energia.
Processo de implantação
A primeira etapa para implantação de
um sistema de gerenciamento de energia
em uma planta industrial é a determinação dos principais pontos a serem
monitorados. A instalação de sistemas
de medição de energia elétrica tem como ponto de partida a subestação principal, monitorando-se desde a entrada de
serviço da concessionária e os seus alimentadores principais, conforme ilustrado na figura 1.
Na entrada, os dados são medidos
pela concessionária e disponibilizados
para o usuário através de uma saída pulsada (protocolo ABNT2) ou por um
canal de comunicação Ethernet. Esses
dados podem ser gravados pelo consumidor em um registrador, que armazena
os dados e os transmite ao sistema de gerenciamento de energia. Esse registrador
pode também ter acoplados módulos de
saídas digitais que acionam cargas como
bancos de capacitores e filtros de harmônicos, para controle de fator de potência, ou desligam cargas para controle da
demanda elétrica da planta — evitando,
assim, o pagamento de multas por ultrapassagem de fator de potência e da demanda contratada, respectivamente.
Nos alimentadores, os dados são medidos através da transdução de sinais de
transformadores de potencial (TPs) e
transformadores de corrente (TCs) instalados nos bays de alimentação das
subestações e centros de controle de
motores (CCMs). É usual instalar um
Ferramenta de gestão industrial –
Acompanhamento do comportamento
da planta com foco na eficientização
energética e no controle da demanda e
do fator de potência
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Fig. 1 – Diagrama de medição
medidor com TCs e TPs no barramento
de entrada, subseqüente ao registrador
que captura os dados da concessionária,
para que o consumidor possa conferir as
medições no caso de haver discrepância
ou discordância em relação aos valores
faturados pela concessionária.
A quantidade de medidores instalados
na planta industrial dependerá da avalia ção do custo/benefício de se ter um siste ma de gerenciamento de energia com
maior ou menor nível de complexidade.
Pode-se optar por aumentar o nú mero de
equipamentos de medição e de comunicação em uma etapa posterior, isto é, sistemas de medição instalados na entrada
da planta podem ser depois ampliados
com a introdução de medidores em
CCMs e nos alimentadores dos principais
equipamentos do chão de fábrica, obten do-se assim uma gestão mais detalhada
da matriz energética da planta industrial.
Telemetria
A comunicação dos medidores com
o sistema de gerenciamento de energia
é fundamental para a consolidação dos
dados da matriz energética em uma
planta industrial. Atualmente, o meio
mais comum de transmissão de dados é
via rede Ethernet conectando as subestações em que os medidores estão instalados ao computador ou servidor em que
Fig. 2 – Rede de medidores RS485/IP
152 EM MARÇO, 201
1
os dados são processados e armazenados. O sistema de gerenciamento aqui
utilizado como exemplo realiza a comunicação dos dados dos medidores através do protocolo RS485 Modbus. Esses
dados trafegam em um “varal” RS485
até um conversor 485/IP, onde são encapsulados em Ethernet (figura 2). Cada
conversor 485/IP possui um endereço IP
na rede de automação, e cada medidor
tem um endereço RTU na rede Modbus.
O meio físico de transmissão entre os
medidores é constituído de fios metálicos, em rede RS485 até o adaptador
485/IP. A partir desse conversor, a rede é
conectada por meio de cabo UDP a um
switchde comunicação. Este switch está
integrado a uma rede de comunicação
industrial, aqui chamada de rede TA (de
“Tecnologia da Automação”), que disponibiliza os dados ao sistema de gerenciamento de energia instalado em um
computador remoto (figura 3). Este
servidor roda o software de gerenciamento e armazena e disponibiliza as informações aos usuários. Os switchs da
rede TA estão interligados através de
DIOs e fibras ópticas, constituindo uma
rede local de automação. As redes locais, por sua vez, são troncalizadas em
centrais telefônicas e podem fazer a interconexão com outras redes locais de
automação. Dessa forma, o sistema de
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gerenciamento de energia pode receber
dados de medição de diversas subestações, CCMs e equipamentos de várias
unidades industriais.
Muitos dos medidores de energia
disponíveis no mercado possuem memória interna para armazenamento de 35
ou mais dias de medição. Isso possibilita que, mesmo ocorrendo uma falha de
comunicação, os dados armazenados
nos medidores sejam registrados no sistema, recompondo-se o histórico de dados assim que a rede de comunicação for
restabelecida.
O servidor que armazena os dados do
sistema de gerenciamento permanece
ligado 24 horas por dia, permitindo que
os dados sejam constantemente atualizados e acessados pelos usuários.
Objetivos dos sistemas de
gerenciamento de energia
Tais sistemas são implantados basicamente para monitorar as grandezas elétricas e acompanhar o perfil histórico de
medições de energia de uma unidade
consumidora. Sua instalação muitas
vezes é motivada pela necessidade de reduzir custos ocasionados por multas de
ultrapassagem de demanda e fator de
potência, eficientizar o uso da energia e,
conseqüentemente, diminuir o valor das
contas, além de propiciar ganhos de produtividade, pois trata-se de uma ferramenta que facilita a manutenção e a operação das plantas industriais.
Segundo [1], “o gerenciamento e a
conservação de energia elétrica têm destaque crescente, em progressão geométrica, por razões específicas: crescente
rigidez nos critérios de faturamento e
nas tarifas de energia elétrica, e sua aplicação à quase que totalidade dos processos industriais”. Já em [2], temos que
“a importância do gerenciamento vem
crescendo também dada a sua potencialidade de facilitar a manutenção e a operação das plantas, trazendo ganhos de
produtividade, em termos de manutenção e vida útil de equipamentos e
sistemas”.
Através de um sistema de gerenciamento é possível monitorar uma série de
variáveis em tempo real e armazená-las
para análises que potencializem o uso
eficiente da energia elétrica. Dentre as
grandezas/eventos que podem ser armazenadas, podemos citar:
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Fig. 3 – Exemplo de redes de medidores de uma subestação integrados a rede TA
• corrente;
• tensão;
• consumo de energia ativa;
• consumo de energia reativa;
• demanda;
• fator de carga (FC = demanda média/demanda máxima);
• fator de utilização (FU = demanda média/demanda contratada);
• fator de potência;
• demanda máxima;
• produção (unidades produzidas pela
atividade-fim da empresa);
• consumo específico (consumo de
energia/unidades produzidas);
• afundamentos de tensão;
• elevações momentâneas de tensão;
• transientes;
• distorção harmônica de V e I;
• interrupções de energia da concessionária;
• interrupções de energia em alimentadores internos; e
• data/hora das cargas retiradas por atuação do controle de demanda e fator de
potência.
Sistemas proprietários e
sistemas abertos
O software do sistema de gerenciamento geralmente é proprietário, disponibilizado pelo fabricante dos medidores. Em função da variedade de tecnologias empregadas na indústria, e da
necessidade de que esses equipamentos
interajam, os fabricantes tentam convencer ou até mesmo forçar o cliente a
padronizar as instalações utilizando apenas a sua linha de produtos, para que os
sistemas comuniquem-se em um mesmo
padrão e possa assim haver interação.
Muitas vezes os dados são mantidos em
um formato proprietário, e isso implica
que os usuários somente poderão acessálos utilizando ferramentas de gerencia-
mento do mesmo vendedor que originalmente forneceu os equipamentos e o sistema. Isso obriga a empresa cliente a
recorrer àquele vendedor toda vez que
for necessária uma mudança ou expansão do sistema. Alguns fornecedores de
equipamentos e sistemas vêem isso como uma vantagem competitiva; os
clientes vêem isso como uma barreira.
Porém, há fornecedores de sistemas
de medição e controle que utilizam uma
estratégia oposta de fidelização de seus
clientes, isto é, abrem seus dados de
medição. Eles disponibilizam os dados
em sua fonte original, já que isso possibilita a compactação, mas também fornecem conversores de protocolos e uma
série de conectores para diversos padrões
de banco de dados em linguagem SQL,
ou exportadores que “fornecem” dados
para aplicações-clientes no formato de
conversão desejado pelo usuário [4].
É importante que os gestores do sistema verifiquem suas funcionalidades,
avaliando se ele está preparado para
adições de equipamentos sem a necessidade de manutenção do software, e se a
integração com equipamentos de outros
fornecedores é permissível. Para isso, o
fornecedor deve dispor de recursos como conectores de banco de dados em
linguagem SQL e serviços como servidor OPC.
A abertura do padrão do protocolo de
medidores e outros hardwares de gerenciamento de energia pode ser utilizada
em contraposição às estratégias de transformar o cliente em refém de tecnologias, como um diferencial competitivo.
Isso pode ser verificado quando um
fornecedor desenvolve seus dispositivos
buscando interoperabilidade com os de
outros fabricantes do mercado, por meio
da implementação de drives de comunicação [5].
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CONSUMO INDUSTRIAL
Fig. 4 – Interface principal de um sistema de gerenciamento de energia
Módulos de comunicação
Usualmente, buscando uma interface homem-máquina amigável, os sistemas de gerenciamento de energia dispõem suas aplicações de monitoração e
análise de dados em módulos de comunicação. Abaixo são listados alguns
módulos disponíveis no software de
uma empresa de automação e controle
especializada na área de energia, sediada em São Paulo [5] (a figura 4 mostra
a interface principal desse sistema).
Esse sistema utiliza protocolo Modbus
e os parâmetros de comunicação — como endereço RTU, endereço IP, velocidade de comunicação e porta de comunicação dos medidores de energia do
campo — são configurados previamente na interface de comunicação,
para que a coleta e monitoração de dados sejam iniciadas. A coleta de dados
para a base histórica de informações é
realizada de forma automática com periodicidade definida pelo usuário.
Controle de demanda – O controle
de demanda realizado pelos sistemas
de gerenciamento de energia pode ser
implementado através de algoritmos de
controle portados por dispositivos de
hardware. Nesse caso, o programa roda
em microprocessadores internos aos
registradores de energia, que recebem
dados dos medidores de fronteira e
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executam cálculos para verificação de
tendência a ultrapassagem de demanda. Caso a tendência se configure, os
registradores enviam comandos aos
contatos de placas de saídas digitais
para que se efetue o desligamento de
cargas pré-selecionadas da planta industrial. O controle também pode ser
realizado através de software: nesse
caso os dados são enviados dos registradores a um computador que roda o algoritmo de controle de demanda e envia o comando de desligamento das cargas às placas de saídas digitais.
Em ambos os casos, o controlador
de demanda atuará comandando relés
para desligamento das cargas programadas, habilitando seu religamento
apenas quando a demanda baixar para
o valor contratado. O sinal dos relés é
enviado para a lógica ladder do controlador lógico da planta industrial. As
cargas são desligadas gradativamente,
de modo a não ir além do estritamente
necessário, e seu religamento também
é gradativo.
Controle de fator de potência – O
controle de fator de potência é realizado de forma análoga ao controle de demanda, variando aqui a grandeza elétrica monitorada. Neste caso, as cargas
acionadas são filtros de harmônicos e
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bancos de capacitores da planta industrial.
Relatórios, gráficos e análises – Os
dados dos medidores são coletados pelo sistema de gerenciamento com periodicidade definida pelo usuário. As informações são apresentadas em gráficos e relatórios para análise e também
podem ser exportadas para o Excel.
Supervisão – O sistema apresenta,
por meio de uma interface gráfica, os
medidores para seleção. Quando selecionado um medidor, o programa
mostra uma tela de supervisão que
disponibiliza os dados registrados por
aquele equipamento em tempo real, como se o usuário estivesse na frente do
próprio medidor (figura 5).
Alarmes – O módulo de alarmes envia mensagens de variações de grandezas monitoradas e status de equipamentos para celulares, via mensagem
SMS, ou por e-mail, segundo condições definidas pelo usuário.
Eventos – Essa interface disponibiliza dados históricos referentes a desligamentos de alimentadores, indicando com precisão o horário de início e
término de cada ocorrência, o que permite o acompanhamento de indicadores de disponibilidade física da planta: DIC, FIC, DEC, FEC, e atuações
dos controladores de demanda e de fator de potência.
Programação – Através destes módulos é possível alterar e manipular todos os parâmetros programados nos diversos modelos de medidores de energia.
Configuração – Permite a configuração dos parâmetros de segurança do
gerenciador de energia e dos caminhos
de armazenamento de dados do sistema.
Uma aplicação Web
O SGME - Sistema de Gestão de
Matriz Energética é um sistema Web
que disponibiliza as informações de
mais de mil medidores de energia na
Intranet de uma planta industrial de extração e beneficiamento de minério.
Essas informações são consolidadas a
partir dos sistemas de gerenciamento
de energia instalados na rede de automação das unidades mineradoras. A
tela inicial do SGME é apresentada na
figura 6.
158 EM MARÇO, 2011
Fig. 5 – Interface de supervisão
As informações estão disponíveis a
todos os usuários que precisem de dados de gestão da matriz energética, em
qualquer ponto em que o portal corporativo da empresa seja acessível. O sistema mostra as grandezas de energia
elétrica estruturadas de acordo com o
diagrama unifilar de alimentação de
energia de cada unidade mineradora.
Para consolidar as informações dos
diversos sistemas de gerenciamento de
energia em um único sistema Web, os
dados de todos os medidores de energia são gravados em um servidor
conectado à rede de automação da empresa, que assume a função de gerenciador de energia principal. Um segundo
servidor hospeda as telas do “ambiente” Web e disponibiliza as informações solicitadas pelos usuários a
partir da Intranet da empresa. Todas as
solicitações de dados feitas ao servidor
Web são requeridas apenas por esse
servidor ao gerenciador de energia
principal. Isso é apresentado de forma
simplificada na figura 7 (pág. 161).
O SGME disponibiliza todas as
grandezas medidas de cada medidor na
forma de gráficos, relatórios e dados
on-line, em tempo real, além de mostrar também os históricos de medição
de pontos com até dez anos de dados
registrados. O projeto do sistema foi
concebido com base nos conceitos de:
• Escalabilidade: à medida que a rede
de medidores cresce, esses novos pontos de medição são alocados na interface Web (o sistema pode integrar milhares de pontos);
• Custo: o sistema Web foi implementado utilizando a infra-estrutura de rede
de medição e gerenciamento de energia
que já existia, ou seja, a implementação centrou-se na elaboração de telas
Web e CGIs, sem necessidade de desenvolvimento de novas funcionalidades no sistema de gerenciamento de
energia;
• Segurança: o uso de interfaces Web e
autenticação digital garante mais segurança — a massa de dados do gerenciador de energia está totalmente disponível aos usuários, mas estes não podem alterar as informações do servidor
gerente;
• Conexões simultâneas: o sistema
propicia a conexão de usuários em diversos pontos da empresa simultaneamente, através do terminal server e do
conector padrão IIS do Windows, via
browser Internet Explorer;
• Facilidade de desenvolvimento evolutivo: a solução não deve ficar obsoleta em um curto/médio prazo. O desen-
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volvimento de novas telas, funcionalidades e relatórios é facilitado por que
existem diversos prestadores de
serviços para aplicação Web no mercado.
Vantagens dos sistemas
Web para os usuários
Sistemas de gerenciamento de energia disponibilizados em ambiente Web,
como o SGME, trazem uma série de
benefícios para as indústrias que os utilizam, os quais são listados a seguir:
• Medição e coleta de dados independente da concessionária;
• Conferência dos dados de faturamento e gerenciamento das contas de energia;
• Controle de demanda automático,
impedindo a ocorrência de multas por
ultrapassagem do valor contratado;
• Controle de fator de potência através
do acionamento/desligamento de disjuntores que alimentam os bancos de
capacitores/filtros de harmônicos, permitindo economias pelo controle mais
preciso e evitando o pagamento de
multas;
• Disponibilidade de informações em
tempo real e históricos de dados,
através de gráficos e relatórios, diretamente aos requisitantes de dados, permitindo decisões e ações imediatas;
• Automatização do monitoramento e
controle da operação de circuitos de
alimentação;
• Individualização dos custos de con-
Fig. 6 – Tela inicial do SGME
sumo de energia, através da medição
setorial, permitindo o acompanhamento e o controle em níveis mais detalhados do processo e a conseqüente identificação de novas oportunidades de redução de custos;
• Gerenciamento do consumo específico global e setorial da empresa;
• Melhorias na eficiência e produtividade, decorrentes das decisões operacionais permitidas pelas informações
referentes à melhor utilização de
ativos;
• Alarme e notificação de situação
emergencial, reduzindo os impactos
de sobrecargas, desligamentos intempestivos com parada de processo e
agilizando os religamentos;
• Provimento de dados a comissões internas de conservação de energia, permitindo o monitoramento da eficiência
e identificação de possíveis melhorias;
• Disponibilização de métricas para
justificar e implementar projetos de aumento de eficiência, comprovando-se a
viabilidade desses projetos;
• Viabilização do estabelecimento de
metas de redução de consumo;
• Planejamento e orçamento da utilização da energia elétrica, através de um
refinado gerenciamento do
uso e dos custos de forma
setorizada e ao nível gerencial;
• Otimização do fornecimento de energia e gestão
do contrato de fornecimento, permitindo a adequação
da demanda contratada quando necessário;
• Melhoria do fator de carga do sistema;
• Melhoria do fator de utilização do sistema;
Fig. 7 – Estrutura de servidores
• Avaliação dos índices de
qualidade de fornecimento e de utiliza- comercialização de energia, historiação da energia elétrica;
dores de dados e sistemas de gestão es• Alavancagem de negócios através da tratégica da empresa.
informação qualificada, permitindo à
empresa obter vantagens competitivas Conclusões
A implementação de sistemas de
através da negociação de energia no
gerenciamento de energia permite ao
mercado;
• Descentralização da informação e consumidor utilizá-los como ferradisponibilização de dados para análise menta de gestão industrial, com o
a funcionários dos níveis estratégicos e acompanhamento do comportamento
táticos da empresa, com a redução do da planta com foco na eficientização
trabalho de geração de relatórios para energética, no controle de demanda e
de fator de potência e na disponibilizaclientes de dados específicos; e
• Interoperabilidade com sistemas de ção de dados para estudo, obtendo, as-
sim, vantagem competitiva.
A disponibilização dos
dados dos sistemas gerenciamento de energia por
meio de sistemas de interface Web permite a descentralização da informação,
que passa a ser disponível
para análise de funcionários
dos níveis estratégicos e
táticos da empresa. Isso permite a transformação dos
dados de medição em informações consistentes para a
melhor gestão da energia
utilizada na planta industrial.
Referências
[1] Ferreira Franco, E.; Lapa, C.: Novidades em geren ciamento energético. Revista “Controle & Instrumentação”,
edição de março de 1999.
[2] Ferreira Franco, E.: Gerenciamento de energia – Controle
de demanda e fator de potência em uma indústria de be bidas. Revista Eletricidade Moderna, edição n 295,
outubro de 1998.
[3] Gomes, F.: Soluções em automação para eficiência ener gética. Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2003.
[4] ht tp://w w w.cck.com.br: Gerenciamento de Energia.
Sistema – Implantação - Conectividade. CCK Automação
(acessado em 05/10/2010).
[5] ht tp://w w w.cck.com.br/sistema/drivers.shtml: Com patibi lida de de equipamentos Modbus (drivers). CCK Automação
(acessado em 05/10/2010).