Análise de sistemas de comunicação para automação de minas subterrâneas com
tecnologias Modbus e Leaky Feeder
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Neste aspecto as redes industriais são a melhor solução
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segundo), ou ainda, 802.11 WiFi para galerias
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C. Interfaces de rede
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dado mineral). No passado o trabalho de mapeamento
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Figura 6. Sistema de comunicação subterrâneo via Leaky Feeder.
[Autor]
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No controle do sistema de ventilação os comandos
serão realizados via protocolo de enlace Modbus e
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Figura 9. Exemplo para diagrama da solução SCADA. [Autor]
VI. CONCLUSÃO
Com o projeto proposto é possível tornar dinâmico ...
[8] Filippo Filho, Guilherme. Automação de processos e
sistemas – 1ª edição –São Paulo – S.P. Editora Érica, 2014.
[9] Ace...
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Study about mining and new tecnologies by automation on Mine sectors.

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  1. 1. Análise de sistemas de comunicação para automação de minas subterrâneas com tecnologias Modbus e Leaky Feeder Carlos Eduardo de Oliveira (carloseduardo1984@gmail.com) Thiago Madureira Braga Celso Peixoto Garcia Coordenação de curso de engenharia em Controle e Automação Resumo – Este trabalho trata da avaliação e projeto de tecnologias para implantação de um sistema de automação e comunicação para minas subterrâneas, incluindo a análise de viabilidade e levantamento de vantagens e desvantagens das tecnologias disponíveis para este tipo de ambiente particular. Será abordado o uso de sistemas de comunicação Modbus no padrão RS485 e o meio semi-cabeado via Leaky Feeder para controle automático em sistemas de ventilação e os respectivos instrumentos para tal aplicação. Palavras-chaves  Automação, Modbus, Leaky Feeder e instrumentos, minas subterrâneas. I. INTRODUÇÃO Nas atividades em mineração subterrânea existe o desafio que é o de aplicar sistemas de comunicação e automação visando atender toda cobertura, a segurança e a automação para otimização dos processos, minimização de falhas e redução de custos. Tal atividade necessita do levantamento do perfil de alcance da mina, tipo de geologia envolvida, equipamentos mais adequados para automação e meio físico ou sem fio que atendam as demandas de comunicação e automação simultaneamente. Projetos de automação para minas subterrâneas exigem níveis de robustez e confiabilidade elevados, pois a mineração engloba uma série de recursos e premissas de segurança rigorosas. Diante disto, muitas vezes, o desenvolvimento dos sistemas de automação visa a adequação para sistemas de comunicação mais simplificados com foco em minimizar as possibilidades de falhas o que restringe os tipos de automação possíveis. Neste sentido, faz-se necessário compatibilizar a velocidade de comunicação com o sistema de automação e meios físicos como requisito para o desenvolvimento. Citando o processo de ventilação, que é um dos mais críticos, pois sem ele as atividades nos níveis mais profundos podem ser letais aos operadores devido à concentração de gases tóxicos como CO² advindos dos maquinários e da poeira presente condensada devido a não circulação do ar. Visando tal aspecto, insuflar ar e exaurir os gases é uma operação primordial para viabilizar os processos, além de efetuar o sensoriamento de gases tóxicos. Portanto, neste projeto o foco primário será a automação de ventilação e controle de presença dos operadores, onde as tecnologias envolvidas podem abranger mais que o controle para ligar e desligar ventiladores à distância. Para isso serão apresentados alguns conceitos e tecnologias primordiais para o processo de elaboração e concepção deste projeto. II. REFERENCIAL TEÓRICO A coleta de informações referentes à aplicação de sistemas de comunicação subterrâneos no setor de mineração trata-se de um dos trabalhos mais minuciosos realizados para controle de operações em mineração e sujeitos a diversas variáveis a serem consideradas. Como um primeiro item a se avaliar será discutido a característica das redes industriais, onde podemos delinear o inicio do projeto. A. Redes industriais para automação Este é um item decisivo para projetos de mineração e de alto valor agregado, tal como a maioria dos sistemas de automação na busca e interação dos controladores, atuadores e sensores, assim como o
  2. 2. monitoramento dinâmico para melhoria dos processos. Neste aspecto as redes industriais são a melhor solução para acompanhamento e atuação remota e consequentemente flexibilizando o acesso aos dados dos processos. Para projetar redes industriais são necessários três grupos de elementos essenciais: meio(s) físico(s), hardware(s) de interface e interfaces humanas.  Os meios físicos são os responsáveis pelo tráfego das informações geradas pela automação como dados dos controladores, atuadores e sensores.  As interfaces de hardware são geralmente dispositivos eletrônicos responsáveis pela conversão, padronização e interpretação dos sinais que trafegam pelo(s) meio(s) físico(s) como repetidores, hubs e roteadores.  As interfaces humanas são os dispositivos responsáveis pela entrega dos dados aos operadores do processo para interpretações, ações e relatórios dos processos industriais, como computadores, interfaces supervisórias e indicadores visuais. Na sequência do desenvolvimento deve-se classificar o tipo de rede quanto ao seu perfil de cobertura podendo ser classificadas em dois tipos: LAN ou WAN. As redes LAN são redes locais para pequenas distâncias, com grau de complexidade simples, muito aplicadas em indústrias ou ambientes de pequeno número de interfaces humanas, pois o mesmo é limitado. Já as redes WAN são para longas distâncias e números elevados de interfaces humanas. Em ambas a velocidade de comunicação de dados pode variar de quilo bytes por segundo até a ordem de Megabytes por segundo, ou seja, a quantidade e velocidade de acesso aos dados do processo onde a rede industrial está presente dependem diretamente da velocidade da rede por onde os dispositivos de automação estão conectados. Por isso ao projetar sistemas de automação deve-se avaliar qual tipo de rede industrial melhor atende as necessidades do processo, sendo decisiva para dimensionamento dos equipamentos a serem utilizados e tipo de recursos possíveis. Também referente às redes industriais deve-se mencionar o modelo OSI, criado pela Organização Internacional para a Normalização (ISO) em 1984, sendo um padrão permite uma analogia da comunicação entre máquinas heterogêneas e definir conceitos genéricos para uma construção de redes entre interfaces humanas (de curta, média ou longa distância) independente da tecnologia utilizada. Subdividido em sete camadas e cada nível engloba uma série de protocolos que definem a complexidade de informações da rede conforme ilustrado na figura 1. Figura 1. Modelo OSI (esquerda da figura) e modelo de redes para automação (direita da figura). [12] Em redes de automação para mineração os níveis de protocolos das camadas: física, ligação ou enlace e aplicação, geralmente atendem ao nível de comunicação solicitada pelos dispositivos de rede para automação, porém deve-se levar em consideração o tipo de dado e velocidade necessários, pois quanto maior o nível de precisão e velocidade exigidos pela rede maior é a necessidade de protocolos mais complexos para atender com confiabilidade a entrega de dados. Como exemplo de redes de automação pode-se citar a rede Hart, um tipo de rede dedicada ao monitoramento de vazão de fluidos com nível de complexidade médio. Para mineração o uso de sistemas com meios físicos RS-485 ou RS-232 e enlace no protocolo Modbus tem sido muito explorados, porém com limitações de taxa de comunicação de no máximo 115200 Bps (Bytes por
  3. 3. segundo), ou ainda, 802.11 WiFi para galerias subterrâneas maiores.[1] Na maioria das vezes são redes mistas com a rede de comunicação que geralmente é feita com meios cabeados ou semi-cabeados, por fibra ótica ou Leaky Feeder, para redução nas instalações. Nestas redes a vantagem é que somente um cabo é necessário, porém há o risco de perda de ambos os sistemas, comunicação e automação, caso o meio físico sofra avarias. Considerando tais informações o projeto para interface de monitoramento em tempo real se faz necessário para assegurar o pleno funcionamento das operações na mineração. B. Meio físico Segundo o autor BANDYOPSDHYAY em seu livro “Wireless Communication in Underground Mines” as tecnologias de meio físicos mais utilizados para comunicação em mineração subterrânea podem ser definidos conforme a seguinte estrutura [1]:  Sistemas Cabeados Estes sistemas são baseados em um meio físico composto geralmente por pares de fios condutores energizados, em alguns casos recobertos por uma “blindagem” eletromagnética composta por uma malha trancada metálica ou uma fina camada de papel alumínio onde a mesma é conectada ao ponto de aterramento do sistema de comunicação para dissipar sinais externos de ruído aos filamentos do cabo interno e é utilizado tanto para sistemas de telefonia como redes industriais. Pode operar na ordem de quilômetros, porém necessita de repetidores amplificadores no caso de coberturas em longas distâncias (entre 350 e 1000 metros). Sua alimentação geralmente varia entre 12 a 48 volts contínuos, sendo a distância de alcance também relacionada a esta magnitude. Outros fatores também podem influenciar no alcance desta rede, sendo: a resistividade do material dos filamentos, ruído da fonte de alimentação, temperatura ambiente, umidade e outros.  Sistemas Semi-cabeados São sistemas que utilizam os sistemas cabeados, porém também fornecem a cobertura sem fio em suas proximidades graças ao efeito de irradiação decorrente de seu arranjo de fabricação. Sua montagem é feita de tal maneira que a blindagem externa contenha orifícios que possibilitam a dispersão de sinais de rádio em suas proximidades, cerca de até 40 metros em faixas que variam do VHF (Very High Frequency – de 30 a 300MHz), UHF (Ultra High Frequency – de 300MHz a 3Ghz). [1] Esta tecnologia também é conhecida como Leaky Feeder . Tecnologia desenvolvida desde a década de 50 para mineração subterrânea. Indicada para sistemas mistos onde a velocidade de trafego é exigida e o acesso remoto é necessário para mobilidade.  Sistemas de Ondas Curtas É a tecnologia que transmite sinais através das paredes das galerias em minas subterrâneas baseado no conceito de propagação de ondas de baixa frequência. Capaz de atravessar até 35 metros em paredes rochosas. Mesmo com baixo alcance é indicado para aplicações para comunicação em situações de risco como soterramento. Sua faixa de operação varia de 27 a 270 kHz e suas antenas tem tamanhos diferenciados, geralmente entre 5 e 35 metros dependendo da frequência e distancia de alcances desejados.  Sistemas Sem Fio São projetados para propagação de sinal no vácuo pelo principio de ondas eletromagnéticas, popularmente conhecidas como ondas de rádio, necessitando de antenas bem dimensionadas e dimensionamento dos equipamentos de transmissão e recepção normatizados para um bom desempenho. São regulamentados geralmente por órgãos governamentais para controle de telecomunicação, por exemplo: Anatel para Brasil e FCC para Estados Unidos e Canadá. [7] Geralmente operam nas faixas de VHF ou UHF e suas antenas variam de 10 a 50 centímetros. Os equipamentos mais conhecidos são os chamados rádio amadores, na maioria das vezes nas faixas de 155 MHz ou 900MHz e Wifi na faixa de UHF em 2,4GHz.
  4. 4. C. Interfaces de rede Para qualquer um dos meios selecionados para automação de minas subterrâneas as interfaces de rede são necessárias para adaptação com o sistema de voz, também nomeadas como dispositivos conversores derivadores para adaptar os dados de automação ao meio físico. Um cuidado necessário para os dispositivos para meios cabeados ou semi-cabeados é a compatibilização da impedância característica, onde a mesma pode atenuar os sinais e até mesmo derrubar todo o sistema de comunicação caso não dimensionado corretamente. Para enlaces de longa distância em meios cabeados ou semi-cabeados são os necessários dispositivos repetidores, geralmente “necessários em intervalos de 100 a 350 metros”.[1] Os repetidores têm como finalidade principal manter o nível de tensão e qualidade de sinal e basicamente são compostos por um filtro amplificador na faixa da frequência de operação do sistema em uso, no caso VHF. Outro dispositivo também para manter a impedância do sistema, são os terminadores, que devem ser instalados nas terminações dos cabos para manter sua impedância e evitar pontos desbalanceados susceptíveis a ruídos externos. Por fim ao se mencionar a característica de impedância, vale reforçar que todos os dispositivos para meios cabeados ou semi-cabeados devem conter a mesma impedância, caso contrário perdas por reflexão de sinal podem ocorrer. Figura 2. Diagrama de casamento de impedância em cabos [10]. D. Enlace ou ligação Seguindo a estrutura para redes industriais um segundo itens de relevância para o projeto é a camada de enlace, também chamada de ligação. Nela é tratado o protocolo de comunicação e o tipo de dados a serem utilizados na rede e os padrões de comandos. No projeto foi definido o protocolo Modbus para estabelecer comunicação entre os dispositivos que irão controlar os ventiladores e transmitir os dados de posicionamento por RFID que será tratado em um tópico especifico. O enlace ou protocolo Modbus é utilizado como meio de conexão entre o meio físico e os dispositivos de Aplicação como computadores do sistema SCADA no caso deste projeto. O protocolo de enlace Modbus utiliza o algoritmo cliente-servidor, também conhecido como mestre- escravo que se comunica através do método de trocar de dados por mensagens.[16] A técnica mestre-escravo permite que somente um dispositivo (mestre) possa iniciar a troca de informação na rede e os outros dispositivos (escravos) respondem de acordo com o pedido do mestre, ou de acordo com a tarefa em questão.[16] Após o mestre iniciar a comunicação um dos dispositivos escravos (controladores de ventilação) processa a informação e responde com a informação solicitada para o mestre. Os comandos do protocolo de mensagem Modbus são padronizados na forma de uma tabela de registro onde funcionam como um mapa fixo para configuração e controle de entrada e saída de dados na rede. A transmissão pode ser realizada de duas formas no protocolo Modbus: por ASCII ou RTU. Ambas definem o conteúdo da mensagem a ser transmitida na rede e como a informação da mensagem será tratada na roca de mensagens. O modo ASCII (American Standard Code for Information Interchange) o protocolo opera da seguinte forma: a em cada byte de caractere em uma mensagem é enviado dois caracteres sem geração de erros. No modo RTU (Remote Terminal Unit), cada mensagem é tratada diferente, pois nele a cada 8 bits é inserido dois caracteres hexadecimais de 4 bits. Em ambos os bits ou bytes são reunidos e forma um quadro de mensagens que é usado para marcar o início e
  5. 5. o fim da informação a ser enviada ou recebida. Desta forma o dispositivo receptor determina qual dispositivo está sendo endereçado e saber quando a mensagem está completa. Como padrão cada mensagem é colocada no quadro e transmitida para o dispositivo com seu endereço de destino. Cada quadro desta mensagem recebe um bit de inicio, fim e de paridade. “No modo ASCII, a palavra tem o tamanho de 7 bits enquanto no modo RTU a palavra é de 8 bits. Todavia, os 8 bits da mensagem RTU são na verdade 11 bits quando adicionado o bit de start, stop e paridade neste quadro. ”[16] Em ASCII, os dispositivos ficam monitorando em tempo real a rede, verificando se existe o início de uma mensagem e se a mesma é direcionada a ele.. O primeiro dados de uma mensagem no protocolo Modbus é o endereço e os caracteres seguintes transmitem todos os campos hexadecimais de 0 a 9 e A a F referentes a informação que se deseja transmitir. Ao reconhecer o endereço apenas um dispositivo dá procedimento a comunicação e os demais ficam em modo “silêncio”, ou seja, aguardam um intervalo de silêncio. Nele por alguns instantes os demais dispositivos aguardam a troca de dados do mestre- escravo e após este intervalo retornam sua comunicação verificando se existem dados da rede conforme o padrão do protocolo. Caso após o intervalo de silêncio a mensagem não tenha sido transmitida por completo o processo deve ser repetido até que o mestre confirme o recebimento da mensagem. Figura 3. Quadro de mensagem Modbus. [17] Ao receber uma mensagem o escravo envia a resposta, onde é inserido seu endereço que o mestre identifique sua resposta. Na sequencia o código da função que se deseja realizar segundo padrão Modbus é enviada conforme ilustrado na tabela 1. Função Descrição 0x01 Lê um número variável 1 de saídas digitais 0x02 Lê um número variável1 de entradas digitais 0x03 Lê um número variável1 de registros retentivos (saídas analógicas ou memórias) 0x04 Lê um número variável1 de registros de entrada (entradas analógicas) 0x05 Força uma única saída digital (altera o estado de uma saída digital) 0x06 Preset de um único registro (altera o estado de uma saída analógica) 0x07 Lê exceções2 (registros de erro) 0x08 Várias funções de diagnóstico 0x0F Força uma quantidade variável1 de varias saídas digitais 0x10 Preset de uma quantidade variável1 de registros (saídas analógicas) Tabela 1. Quadro de algumas das principais funções Modbus. Na sequencia os dados digitais ou analógicos digitalizados são adicionados ao quadro e por fim os dados de checagem de erro. O erro pode ser verificado por dois métodos no protocolo Modbus: checagem de paridade par, impar, ou sem paridade e checagem de quadro na mensagem de quadro (CRC no modo RTU ou LRC no modo ASCII).[16] Neste projeto o uso do protocolo Modbus com o modo ASCII é suficiente para atender as necessidades do projeto. E. Dispositivo da camada de aplicação Após o tratamento do protocolo de enlace a entrega dos dados e atuação é realizada pela camada de aplicação, onde são apresentados os dados e direcionados os comandos de atuação. Os dispositivos de acionamento e sensoriamento são pontos cruciais para tornar possíveis as ações e coletas de dados de processos dinâmicos. Os dispositivos de
  6. 6. acionamento devem assegurar a proteção adequada e permitir ligar e desligar o(s) equipamento(s) alvo(s) do controle que se deseja aplicar. Os atuadores mais conhecidos são os contatores, soft-startes, chaves seccionadoras e disjuntores. [3] A maioria das aplicações na indústria baseiam-se no comando automático ou à distância para eliminar risco e agilizar a atuação em situações de risco. Os sensores industriais são os responsáveis pela coleta e medição das condições físicas ocorridas geralmente em tempo real, seja de forma direta, como chaves de fim de curso, ou de forma indireta, sensores de temperatura PT-100, por exemplo, onde a temperatura é medida por meio de sua variação de resistência convertida em um sinal elétrico. Com um conjunto de atuadores e sensores é possível alimentar uma rede industrial com os dados necessários para realização e avaliação de processos industriais assim como na mineração subterrânea. Sendo assim é necessário considerar as limitações físicas e tempos de resposta de cada dos elementos de aplicação para dimensionar de forma adequada as ações do sistema. F. Identificação por transmissor de rádio - RFID Na aquisição de dados além dos sensores é possível também utilizar dispositivos de Identificação por transmissor de rádio, mais conhecidos como dispositivos RFID (sigla de Radio Frequency Identification), tecnologia desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial. Os equipamentos de RFID funcionam da seguinte maneira: um sinal enviado a um transponder (equipamento receptor-transmissor), o qual é ativado e reflete de volta o sinal (sistema passivo) ou transmite seu próprio sinal (sistemas ativos) com seu dado de identificação. [15] Figura 4. Principio do rádio RFID passivo. [5] O RFID utilizando UHF foi avaliado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1999 em caráter de teste para avaliar a utilização de etiquetas de RFID de baixo custo em produtos de varejo, para rastreá-los. A ideia consistiu em colocar apenas um número serial em cada etiqueta RFID reduzir sua complexidade (utilizando-se apenas de um circuito integrado simples que armazenaria apenas pouca informação). A informação associada ao número serial de cada dispositivo pode ser armazenada em qualquer banco de dados externo, acessível inclusive pela Internet. No setor de mineração o uso de RFID tem sido difundido para identificação de equipamentos seguindo o mesmo foco do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, porém para monitorar caminhões, carregadeira, perfuratrizes e até mesmo operadores. Como vantagens para o setor de mineração pode-se citar: personalização dos equipamentos com número de série próprio, controle de tráfego, identificação de zonas de risco e etc. Apesar de muitas vantagens existem certas limitações que devem ser consideradas no uso de RFID como a quantidade de dispositivos para o sistema, vida útil das baterias e intervalo entre leituras do transponder. G. Sistemas de supervisão Trata-se de um sistema de monitoramento, controle e supervisão remotos via rede industrial, concentradas em computadores onde os alarmes, mensagens e dados de acionamentos e sensores são coletados, controlados e monitorados de forma a assegurar o pleno funcionamento do processo em questão. Suas principais vantagens são: a redução dos custos operacionais, prevenção de falhas, permitir relatórios do processo e o controle estatístico do processo (CEP), “permitir traçar estratégias de operação para aperfeiçoar o retorno financeiro (maior produção, qualidade e eficiência)”. [7] O sistema SCADA é composto por uma estação mestre e unidades remotas conectadas ao mestre via rede industrial, coletando dados e enviando à estação. A estação mestre é composta por um computador com software específico para monitoração e controle,
  7. 7. além de uma interface (placa) de rede conforme o padrão selecionado (Modbus, Profibus, DeviceNet e etc). As unidades remotas são dispositivas para interface de rede, conforme padrão do mestre, para os acionadores e instrumentos do sistema, de forma a atuar e enviar os dados conforme premissas do sistema para alcançar as metas de custo e processo. Como referência mundial a IEC – Comissão Internacional de Eletrotécnica desenvolveu a norma IEC60870 como referência para o protocolo de comunicação SCADA em nível mundial. A plataforma física em ambientes SCADA não difere da automação industrial, porém os aplicativos para sistemas SCADA exigem uma elaboração mais detalhada para ilustrar de forma eficiente e fiel o processo, fornecer os relatórios e alarmes necessários, compatibilizar as entradas de dados e comandos de acionamento, classificar os níveis de acesso e garantir a interação confiável com a rede de automação e seus dispositivos. Figura 5. Modelo de interface para sistema SCADA. [13] H. Geologia e ambiente subterrâneo Para o projeto de automação de minas subterrâneas é necessário avaliar o aspecto geológico envolvido, onde por consequência do tipo de minério e terreno existe a presença de umidade, poeira composta por materiais ferrosos ou ácidos. Também decorrente do tipo de perfil geológico existe a possibilidade outros fatores adversos como eventuais inundações ou paredes rochosas que dificultam a fixação e instalação de equipamentos. A umidade e a presença de poeira no ambiente exigem que dispositivos e cabos utilizados, seja de comunicação como automação sejam adequados a este tipo de presença, ou seja, invólucros para os equipamentos elétricos com grau de vedação IP68 ou superiores (IP68 – proteção contra poeira, contato das partes internas e submersão) [1]. Para interfaces de hardware a mesma robustez é exigida e a poeira, no caso do Leaky Feeder pode ser um atenuante do sinal, visto que podem existir partículas metálicas que atenuam sinais de rádio. Além da poeira, as paredes dos túneis subterrâneos são constituídas, na maioria das vezes, por compostos minerais ferrosos e como consequência também influenciam na transmissão de sinais de rádio o que deve ser considerado no dimensionamento de projetos para comunicação sem fio. Figura 6. Perfil de análise geológica, por amostra de perfuração. [11] I. Mapeamentos de minas subterrâneas O mapeamento espacial em minerações subterrâneas tem como desafio histórico de acompanhar as constantes a velocidade de execução dos processos e constantes modificações que ocorrem durante os processos de manufatura e extração na mineração devido a evolução dos equipamentos e tecnologias. É essencial mapear o ambiente subterrâneo para planejar onde alocar os sistemas de comunicação, automação, ventilação, a rede elétrica e também o curso das operações. As alterações do mapeamento dependem diretamente das amostragens de minerais extraídos e
  8. 8. suas respectivas qualidades (índice de concentração de dado mineral). No passado o trabalho de mapeamento era baseado em diagramas e mapas desenhados manualmente, onde as coordenadas eram coletadas e atualizadas conforme o andamento das operações, porém um trabalho demorado e impreciso muitas vezes. A partir da década de 80 com o surgimento de novas tecnologias na área de computação as ferramentas de desenho assistido por computador (CAD) foram desenvolvidas para auxiliar a indústria e possibilitar desenvolvimentos mais ágeis e detalhamentos mais dinâmicos do ambiente de mineração. Em consequência destas evoluções na década de 90 surgem também os primeiros equipamentos de escâner com princípio ótico e o radar de superfície, ambos com foco em coletar coordenadas em tempo real para área de geologia e mapeamento de minas. Estes recursos possibilitaram a redução do tempo de mapeamento na ordem de meses para dias, em alguns casos em horas. III. LIMITAÇÕES PARA PROJETOS EM MINAS Diante das tecnologias mencionadas certas considerações devem ser mencionadas como:  Para sistemas cabeados a comunicação fica limitada em pontos fixos o que restringe a cobertura e acesso dos operadores;  Para sistemas de ondas curtas o alcance somente atende condições de desastres e não de operação;  Para sistemas de rádio a poeira pode acarretar em uma cobertura ineficaz;  A rede de automação deve ser confiável e simplificada de forma a atender os níveis de robustez para ambientes subterrâneos, assim como os instrumentos utilizados para automação;  A geologia e mapeamento devem ser fidedignos ao perfil real do ambiente do projeto, representando corretamente os níveis e galerias para evitar cálculos errôneos e falta de cobertura da rede de comunicação e automação;  Assim como o mapeamento o sistema de supervisão deve representar de forma eficiente e fiel o processo para contribuir de forma efetiva no controle, monitoramento e supervisão dos processos de mineração subterrânea. IV. SELEÇÃO DOS COMPONENTES DO PROJETO Diante da variedade de meios existentes para minas subterrâneas, os critérios para seleção e do ponto de vista do processo de mineração pode-se citar que “a automação deve responder com aumento de produtividade, flexibilidade, qualidade e segurança”. [8] Considerando esta observação o meio de comunicação deve manter sistemas existentes e agregar soluções de mobilidade visando à adaptabilidade as constantes mudanças de operação e extração de minérios, basicamente: manter a mobilidade de operadores, caminhões, escavadeira e perfuratrizes. Os sistemas mais comuns são rádios na faixa de VHF, de 155 a 175MHz, com canais de 20Khz distribuídos ao longo desta faixa e com a distribuição por Leaky Feeder, o que possibilita o uso de interfaces para rede Modbus para acoplar os instrumentos de automação. Figura 7. Cabo Leaky Feeder [1]. Com base nestes dados o meio semi-cabeado Leaky Feeder é o indicado para implantar a rede de automação devido à possibilidade de operar como uma rede física e possibilitar o uso de dispositivos móveis em redes sem fio que no caso possibilitara a montagem de uma rede industrial mista com o sistema de comunicação de voz.
  9. 9. Figura 6. Sistema de comunicação subterrâneo via Leaky Feeder. [Autor] Somando isso à integração com a interface Modbus de leitores de RFID para identificar os rádios dos operadores e os maquinários, onde estes teriam a fixação de transponders para tal aplicação, possibilitando o controle e monitoramento de posicionamento destes. Com isso a implantação de telemetria em sistemas automatizados de operações para acompanhar em tempo real a extração e localização dos maquinários, controle da ventilação e consequente economia dos gastos com energia e desperdícios com máquinas fora de operação é possível, atendendo ao foco de melhoria, redução de custos e segurança do projeto. Figura 7. Mapeamento de minas subterrâneas. [9] Como primeira etapa para implantar a rede industrial é necessário o mapeamento e mensuração da extensão da rede Leaky Feeder , número de operadores, maquinários, interfaces remotas e instrumentos. V. SOLUÇÃO O projeto foi realizado com base em uma rede industrial para monitoramento, controle e supervisão dos setores subterrâneos através de uma rede Modbus (2 fios), para garantir a segurança e eficiência dos processos, ou seja, coletar os dados e envia-los ao sistema SCADA e quando necessário possibilitar a atuação no controle de ventilação e monitoramento de fluxo dos maquinários e operadores por meio dos transponders RFID. No sistema de automação os dispositivos conversores derivadores, também chamados somente de derivadores, possibilitam a recepção e transmissão dos sinais da rede Modbus oriundos dos instrumentos leitores de RFID e assim identificar os sinais dos transponders fixados nos rádios dos operadores, caminhões e demais maquinários móveis para monitoramento de posição e controle das operações via sistema SCADA via cabo Leaky Feeder. É possível ainda utilizar derivadores para criar um novo seguimento da rede Leaky Feeder, porém cada ramificação deve conter em seu extremo obrigatoriamente um dispositivo terminador. Além do sistema RFID na rede Modbus estão alocados os controladores digitais e contatores que atuam no sistema de controle liga e desliga da ventilação, interfaces Modbus simples. Para uma solução mais complexa os controladores digitais podem ser substituídos controladores lógicos programáveis (CLP) ou ainda inversores de frequência com interface Modbus. A rede Modbus acoplada ao sistema Leaky Feeder utilizara o padrão RS-485, que é um padrão ideal para solução, pois utiliza 2 fios e é compatível com sinais de 12 a 48 Volts, ambos compatíveis com a estrutura física do cabo Leaky Feeder .
  10. 10. No controle do sistema de ventilação os comandos serão realizados via protocolo de enlace Modbus e monitorados pelo sistema SCADA. Na interface SCADA o acionamento da ventilação é correlacionado com a presença de operadores mapeados em determinado setor com auxílio do sistema RF ID direcionando a operação dos ventiladores para ambientes com maior concentração de operadores e maquinários. Para segurança pode ser adicionado ao projeto o uso de sensores de gases tóxicos como CO² (gás carbônico) e incorporá-los à rede Modbus e assim ampliar os algoritmos de segurança na interface SCADA, adicionando alertas na tela caso ocorra alta concentração em determinado sensor. No diagrama final do projeto são ilustrados os dispositivos necessários para implantação e a partir deste e o mapa da mina em questão será gerada interface SCADA para monitoramento e a listagem de insumos necessários para o projeto com todos os itens necessários para concepção do mesmo, como número de repetidores, considerando as distâncias de cobertura, o número de derivadores para acionamento da ventilação e quantidade de derivadores para os leitores de RFID para inserir o monitoramento dos operadores e maquinários no sistema proposto no projeto, assim como os transponders de RFID para os operadores e maquinários. Figura 8. Diagrama da solução proposta. [Autor] O dimensionamento e quantização de dispositivos derivadores (na figura 6 – Deriv.), amplificadores repetidores de sinal (na figura 6 – Rep.), a interface mestre, aplicativo SCADA e suas respectivas telas de controle e monitoramento dependerão exclusivamente do ambiente e extensão da rede, devendo ser considerados todos os critérios anteriores para sua seleção. Na ventilação os controles discretos via interfaces Modbus e relés contatores podem ser considerados uma solução de baixo custo e é como consequência geram economia de energia. O controle de ventilação pode ser melhorado com o uso de sensores de fluxo e controle de atuação analógico via inversores de frequência. Esta solução possui de maior custo de investimento, porém tornando possível dimensionar o fluxo de ventilação ideal para cada setor com o controle proporcional de velocidade via Modbus e introduzir a partida suave dos ventiladores de forma a aumentar a vida útil dos ventiladores e reduzindo também custo de manutenção, além de possibilitar a customização do sistema à real necessidade de vazão de ar e garantindo a segurança dos operadores. Na solução a interface do sistema SCADA o mapa com a distribuição de todos os dispositivos apresenta os seguintes itens: derivadores das interfaces Modbus, leitores de RFID, sensores, ventiladores, sejam os mesmos como entradas ou saídas do sistema, assim como o número de operadores e maquinários em cada leitor RFID, consequente posicionamento. Desta forma possibilita o monitoramento, supervisão e controle das operações assim como as condições dos dispositivos em tempo real, como ventiladores ligados ou desligados, percentual de velocidade, nível de concentração de gases nos sensores, alerta de concentração de gases, e demais informações fornecidas pelo sistema.
  11. 11. Figura 9. Exemplo para diagrama da solução SCADA. [Autor] VI. CONCLUSÃO Com o projeto proposto é possível tornar dinâmico o controle, monitoramento e supervisão do processo de mineração subterrânea e em consequência reduzir os custos originados por máquinas paradas, gastos de energia elétrica com ventilação desnecessária em determinados setores e redução do risco de acidentes por exposição dos operadores a gases tóxicos. Outro fator que indica a atratividade do projeto é que o investimento necessário é somente o do sistema de automatização e sua adequação ao meio de comunicação existente, ou seja, o meio de comunicação será mais bem utilizado e resulta numa economia para implantação do projeto, no caso o Leaky Feeder e os rádios de comunicação em VHF. O retorno de investimento dependerá do nível de extração e tipo de minério em questão. Um Engenheiro especialista em automação para mineração foi entrevistado sobre o tema do trabalho visando avaliar a aplicabilidade do projeto. O entrevistado mencionou que já trabalhou na implantação de um sistema semelhante e que usou grande parte das tecnologias mencionadas no projeto para automação para este trabalho. Segundo o entrevistado o projeto apresentou economia depois de instalado, na ordem de 50 mil reais de redução nos custos em energia elétrica e retorno do investimento em 12 meses. Para esta solução foram investidos 600 mil reais, incluindo o custo de licença para uso do sistema SCADA e todos os itens de enlace e aplicação. Foi questionado também o nível de eficiência após a conclusão e o especialista informou que o desempenho após implantação foi considerado processo produtivo foi satisfatório, cerca de 30 por cento de aumento no volume de extrações, redução de máquinas paradas, assim como grandes melhorias no monitoramento, segurança e controle das operações. Viável e de grande atratividade, o projeto deixa ainda abertura para melhorias no aspecto de controle de telemetria e manutenções para maquinários como monitoramento de pressão dos pneus de caminhões, temperatura dos motores, número de movimentações de pás e ciclos de carga e descarga. Fica evidente neste trabalho a gama de possibilidade de automação para o setor de mineração subterrânea onde a busca por recursos tecnológicos tem aumentado gradativamente com a necessidade de aumento da eficiência nos processos de mineração. REFERÊNCIAS [1] Bandyopadhyay , Chaulya, L.K.; S.K.; Mishra, P.K. Wireless Communication in Underground Mines - RFID- Based Sensor Networking, First eddition, New York, Springer Science-Business Media, 2010. [2] Bega, Egídio Alberto – Instrumentação Industrial – 2ª Ed. – Rio de Janeiro – Ed. Interciência: IBP, 2006. [3] Fialho, Arivelto Bustamante. Instrumentação Industrial – Conceitos e Aplicações – 6ª ed. - São Paulo - Ed. Érica – 2008. Página 59. [4] MultiCOM - Application and Installation Manual from Leaky Feeder s Systems - El-Equip Inc. - Canada – 2000. [5] Laliberté, Pierre. Summary Study of Underground Communications Technologies – Final Project Report. CANMET Mining and Mineral Sciences Laboratories. Ed. Crown – Canada, 2009. [6] Updyke, Dana T.; Muhler, Wayne C.; Turnage, Howard C. An Evaluation of Leaky Feeder communication in underground mines – Final Report. United States Department of the Interior Bureau of Mines – June 1980. [7] Albuquerque, Pedro Urbano Braga de. Redes industriais: aplicações em sistemas digitais de controle distribuido – 2ª edição – São Paulo – S.P. Editora Ensino Profissional, 2009. 5 2 Entrada Saída Carga 3Operadores Caminhões vazios Caminhões carregados Derivador e leitor de RFID 20% CO² 35% CO²
  12. 12. [8] Filippo Filho, Guilherme. Automação de processos e sistemas – 1ª edição –São Paulo – S.P. Editora Érica, 2014. [9] Acedido pelo site http://www.maptek.com em maio de 2015. [10] Apostila de Ondas e Propagação da UDESC, Prof. Dr. Airton Ramos. [11] Acedido pelo site http://www.br.srk.com em maio de 2015. [12] Revista Controle & Instrumentação – Ed. nº 119 – 2006. [13] Revista Minérios & Minerales – Ed. nº 364 – 2015. [14] Nota de esclarecimento: Fundamentos da RFID: Entendendo e usando a identificação por radiofrequência . Acedido por http://www.intermec.com.br/ em maio de 2015. [15] Artigo: RFID(Radio-Frequency IDentification). Acedido por http://www.ppgia.pucpr.br/ em maio de 2015. [16] O Protocolo Modbus. Vitor Amadeu Souza. Acedido por http://www.cerne-tec.com.br/Modbus.pdf em maio de 2015. [17] Protocolo MODBUS. Revista Mecatrônica Atual. Nº42 de 20 de agosto de 2013.

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