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

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

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.

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

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

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,

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

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.

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 .

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.

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

3 Operadores

Caminhões vazios

Caminhões carregados

Derivador e leitor de

RFID

20%

CO²

35%

CO²

[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.