Digitalização para a Mineração 4.0

O NMB reproduz aqui um artigo escrito por Carlos Fernando Albuquerque, consultor sênior da Siemens, sobre analítica e indústria 4.0 para o portal de notícias BrasilAlemanha News.

Digitalização para a Mineração 4.0

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A indústria global de mineração encara desafios significativos como preços decrescentes de commodities, demanda global declinante e riscos crescentes de segurança, assim como expectativas crescentes dos acionistas. Para manterem-se competitivas, as empresas de mineração precisam tornar-se mais enxutas, mais fortes, e mais inovadoras. A digitalização é chave para obter estas metas por oferecer novas possibilidades de aumentar a produtividade e a excelência operacional.

Os elementos principais da competitividade são produtividade e excelência operacional. Esta realidade não mudou ao longo do tempo. O que mudou, contudo, foram as possibilidades que a tecnologia moderna oferece, especialmente para aqueles que são abertos a repensar o processo de mineração como um todo. Neste contexto, a digitalização desempenha um papel crucial.

Os desafios fundamentais da indústria de Mineração hoje são:

1. Teores menores

a. Decréscimo contínuo do teor de minério médio

b. Menor número de depósitos grandes de alta qualidade

2. Maiores profundidades

a. De minas a céu aberto para minas subterrâneas

b. Novas operações subterrâneas

3. Segurança, saúde e meio ambiente (SSMA)

a. Segurança, Saúde e Meio Ambiente em ambientes hostis

b. Consciência de cuidado ambiental

c. Falta de talentos com experiência

4. Custos

a. Eficiência no CAPEX

b. Redução no OPEX

c. Otimização de organizações e processos

d. Padronização

5. Produção

a. Aumento na recuperação do minério

b. Eficiência e Cofiabilidade dos Ativos

c. Eficiência de Produção e de Recursos

Indústria 4.0 para Mineração

O que é indispensável para obter o próximo nível de aumento de produtividade na indústria de mineração? Uma plataforma integrada de hardware, software e serviços que permitam a captura e uso inteligente de volumes enormes de dados de processo. Um assim chamado "gêmeo digital" da planta real serve desta forma de base para um modelo de dados uniforme.

A digitalização é a alavanca mais efetiva para a melhoria da competitividade na indústria de mineração, suportando a tomada de decisão em uma qualidade nunca antes vista, de forma rápida, informada e baseada em fatos, criando de maneira sucessiva oportunidades inteiramente novas para a otimização contínua das plantas de mineração ao longo de todo o ciclo de vida.

Do gêmeo digital para a operação integrada

E se já fosse possível hoje detectar quebras futuras da planta? E se os dados operacionais e de engenharia pudessem ser utilizados inteligentemente pela sua conservação, e a performance da planta pudesse ser otimizada centralmente em todas as minas? Isto significaria usufruir das oportunidades da digitalização hoje. Os processos estão se tornando mais transparentes e produtivos devido a integração ponta a ponta do projeto da planta para o comissionamento, operação, e manutenção, assim como para a otimização constante de processos baseados em uma plataforma de dados que cobre todo o ciclo de vida da planta.

Neste cenário, a redução dos intervalos de manutenção ao mesmo tempo com o aumento da disponibilidade de planta é um fator crucial. A chave aqui é a planta digital, que representa um grande passo adiante deste a engenharia integrada até a operação integrada. O gêmeo digital permite que todas as disciplinas que participam num projeto de planta possam coordenar o seu trabalho usando um modelo comum de dados. Desta forma, as atividades sequenciais de engenharia podem ser executados simultaneamente, permitindo assim economias de tempo e custo significativas e, ao mesmo tempo, melhorando a qualidade de engenharia, além de suportar a simulação virtual de plantas antes da fase crítica de comissionamento e também uma implementação segura do projeto.

Adicionalmente, o gêmeo digital oferece um grande valor adicionado posterior no ciclo de vida da planta ao disponibilizar uma imagem digital continuamente atualizada da planta. Através da troca bidirecional de dados de planta e de processo, as ações de manutenção e a disponibilidade de planta podem ser otimizadas. Isto requer a integração de dados em vários níveis - dede o campo à automação até o nível de gerenciamento.

Para a indústria de mineração, a passagem da "engenharia integrada" para as "operações integradas" é um passo crucial para abrir o caminho para a Indústria 4.0, através de soluções integradas para a todo o ciclo de vida da planta, baseado em um modelo de dados integrado. A digitalização prepara o caminho para a Engenharia Integrada, Operações Integradas, e gerenciamento abrangente de planta, conduzindo para a Indústria 4.0. As ferramentas de software e uma base de dados comum proporcionam um planejamento homogêneo, comissionamento virtual e asseguram a eficiência durante operação e manutenção da planta de mineração.

Motivação para o aumento da performance

Implementar as inovações na indústria de mineração sempre requer um certo grau de abertura, já que a inovação vai de mãos dadas com uma mudança na tradição e na cultura. Hoje não é mais suficiente apenas otimizar equipamentos existentes e tecnologias possivelmente antiquadas.

Qualquer empresa de mineração que luta por uma extração melhor e mais econômica deve abraçar a inovação. Muitos das tecnologias diferenciadoras de hoje são extremamente automatizadas ou mesmo inteiramente autônomas. O espectro inclui robótica e sistemas de mineração suportados por GPS, assim como sistemas de transporte ferroviário autônomos, entre outros.

Outro tópico de inovação que deve ser endereçado é a melhoria no gerenciamento de ativos de maneira tal que possa ajudar as empresas de mineração a olhar além do amanhã. Um gerenciamento de ativos melhorado é chave para a execução de estratégias de reparo e manutenção inteligentes, contribuindo para a maximização da disponibilidade e produtividade com esforço mínimo. Entre os ativos mais valiosos na indústria de mineração estão os sistemas de acionamento. Eles devem satisfazer demandas sempre crescentes em extração, transporte, e beneficiamento, onde a interação perfeita entre sensores, TI e mecânica, em conjunto com estratégias de serviço inteligentes são elementos-chave.

Design e engenharia de planta para temos de execução de projeto minimizados

A digitalização pavimenta também o caminho para o aumento de eficiência nas rotinas diárias de empregados através da disponibilização das informações certas para a pessoa certa no tempo certo. Com uma plataforma de dados unificada o software de engenharia e colaboração assistida por computador (CAE) providencia para todas as partes envolvidas um fluxo contínuo de dados que satisfazem as suas necessidades específicas durante todas as fases de projeto.

Os terabytes de dados de planta e projeto estabelecem desafios maiores para projetistas e operadores de plantas, até mesmo tão cedo quanto na fase de planejamento. O gerenciamento do ciclo de vida da planta implementa de forma consistente a integração completa de todos os processos - tanto durante a fase de engenharia quanto durante a fase de operação/manutenção.

Esta ligação próxima entre as etapas individuais e a plataforma de dados uniforme contribuem significativamente para o aumento da disponibilidade de planta e da segurança do processo, tirando proveito de uma integração homogênea de engenharia de planta e de automação e de um fluxo bidirecional consistente de dados. Por exemplo, ao apertar de um botão, a estrutura física inteira da planta de mineração pode ser gerada no sistema de controle a partir dos dados de engenharia, estando os dados de planta disponíveis em tempo real.

Eficiência aumentada no comissionamento e operação

Hoje, as ferramentas de software são utilizados cada vez mais para simulações de processo. O comportamento de uma planta pode ser simulado até mesmo antes da finalização da obra, e os erros podem ser detectados e resolvidos em uma fase inicial. Isto abre a possibilidade de comissionamento virtual antes do teste de aceitação de fábrica final. Pôr plantas ou unidades de planta em operação mais rapidamente requer um fluxo de trabalho otimizado do lado da engenharia e automação, em conjunto com tempos mais curtos possíveis para setup, teste, e comissionamento. O software de simulação permite simulação e emulação em tempo real, permitindo uma revisão abrangente dos componentes e soluções de automação, permitindo assim a realização de comissionamento virtual de maneira simples e flexível.

Adicionalmente, o software de simulação permite disponibilizar um treinamento seguro e eficiente num ambiente virtual (Sistema de Treinamento de Operador - OTS) A equipe de operação pode então ser familiarizada otimamente com a planta antes mesmo que esteja comissionada.

Um exemplo da aplicação da tecnologia de simulação na indústria de mineração é o Modelo de Simulação de Transportador, para aumento da tonelagem de correias transportadoras, onde a combinação da taxa de carregamento/ velocidade que consome a mínima quantia de potência de motor, simulando efeitos sobre o sistema de carregamento é usada para investigar perdas maiores, por exemplo, largura/ espaçamento ocioso/massas rotativas a fim de fornecer as seguintes vantagens:

  • Definição de maneira melhor para aumentar a capacidade da esteira transportadora
  • Predição de possíveis áreas críticas sobre o sistema transportador durante a operação

Outro exemplo é o uso de ferramentas de simulação para ajudar no aumento da produção de equipamentos existentes, tal como acionamentos gearless.

Verificação em tempo real da saúde dos equipamentos

Na indústria de mineração até mesmo as medidas de manutenção requerem máxima eficiência. O Gerenciamento de saúde dos ativos habilita que máquinas tais como sistemas transportadores, moinhos, e esmagadores possam ser provedoras de dados adicionais. A análise destes dados fornece todas as informações necessárias para a tomada de decisões de manutenção bem embasadas, baseadas em fatos a qualquer momento - e planejar de forma otimizada as ações de manutenção e serviço antecipadamente.

Gerenciamento de performance de Ativos (Asset Performance Management - APM)

O gerenciamento de performance de ativos suporta o planejamento, implementação, e análise eficiente das suas atividades de manutenção, incluindo a conexão de dispositivos portáteis para serviços remotos. Todos os aspectos de gerenciamento, planejamento, operação e a manutenção, incluindo a documentação da planta, são executados em um único sistema. Isto significa que qualquer mudança na planta de mineração causada pelos processos de manutenção também passa a estar imediatamente disponível no sistema de engenharia. E estações de manutenção integrada disponibilizam uma visão geral completa do estado de todos os componentes da planta, oferecendo assim diagnóstico efetivo, serviço, e manutenção da planta. Adicionalmente, softwares de visualização 3D apresentam de forma realista modelos de planta extremamente complexos baseados nos dados técnicos de engenharia 3D.

As tecnologias APM disponibilizam eficiência máxima no planejamento e monitoramento, treinamento de operadores, e no planejamento futuro, simulação, e implementação das atividades de manutenção e serviço.

Serviços Digitais

Os serviços digitais estão crescendo em importância para o monitoramento online de partes remotas de uma planta de mineração, manutenção preditiva, gerenciamento de dados de energia, e para planejamento de recursos. As decisões podem ser tomadas baseadas nos dados do processo, desta forma aumentando a confiabilidade da planta e, assim, a sua produtividade. Os serviços digitais, combinados com produtos e processos em rede, permitem não só uma produção mais eficiente e flexível mas também a otimização de cadeias de valor complexas. Isto resulta em um potencial enorme para aumento da produtividade e a competitividade de plantas de produção.

As plataformas de nuvem escaláveis, na modelo de negócio de Plataforma como Serviço (PaaS) para o desenvolvimento de aplicações de Analítica de Big Data industrial, mostram-se como o caminho a ser seguido para a implantação dos serviços digitais. Um sistema operacional aberto para Internet de Coisas (IoT) torna possível melhorar a eficiência de plantas de mineração através do registro e análise de grandes volumes de dados de produção, por exemplo nas áreas de manutenção preditiva, gerenciamento de energia, e otimização de recursos, através do uso de tecnologias como inteligência artificial e aprendizado de máquina propiciando:

  • Otimização de ativos
  • Disponibilidade de ativos e uptime aumentados
  • Maior eficiência de manutenção

Aplicações de analítica de performance de malhas de controle e analítica de conjuntos de acionamentos são exemplos concretos do uso desta tecnologia em plantas de mineração.

 Analítica de Performance de Malhas de Controle

Nas plantas de beneficiamento de minério, a performance de controle de processo regulatório é uma alavanca importante para atingir as metas de produção. A malha de controle individual é o núcleo inicial para cada aplicação de controle de processo. Os estudos mostraram que aproximadamente metade de todas as malhas de controle não estão corretamente sintonizadas, aproximadamente 25 por cento são ineficazes, e outros 25% apresentam performance de controle decrescente. Aproximadamente um terço de todas as malhas de controle são executadas em modo manual e 25% ainda usam os parâmetros de sintonia definidos durante o comissionamento. Em muitos casos, uma performance de controle ruim indica também problemas nos ativos tais como atrito estático.

Adicionalmente, em uma planta de processamento de minério em grande escala, um engenheiro de controle de processo é responsável por centenas de malhas de controle. A avaliação da performance de controle em vários estados de processo em correlação com os alarmes da planta requer muito tempo e experiência. A descoberta de possíveis áreas para otimização e sintonia de malhas de controle não é um trabalho que possa feito apenas uma vez, devido as contínuas mudanças de processo devidas ao uso e desgaste dos equipamentos.

Os benefícios trazidos pelo monitoramento analítico contínuo da performance das malhas de controle de uma planta de beneficiamento de minério são os seguintes:

  • KPIs comparáveis com descoberta de estado automática
  • Conhecimento de processo melhorado
  • Descoberta de válvulas em serviço relevantes para manutenção preventiva
  • Identificação priorizada de potenciais de otimização
  • Descoberta automática de estado e cálculo de KPIs para vários estados de controle
  • Transparência avançada através de uma visão geral de performance de controle baseada em KPIs
  • Uma visão geral hierárquica de planta desde o ponto de vista de gerenciamento geral até o detalhe de malhas de controle individuais
  • Analítica de dados constante e automatizada para apoio á otimização de processo de longa duração, incluindo a geração de sugestões para otimizações adicionais
  • Relatórios especializados adicionais para malhas de controle críticas
  • Melhoria na performance de ativos da planta através da correlação entre dados de processo com possíveis problemas dos ativos, tais como atrito estático

Analítica de Conjunto de Acionamentos (Drive Train Analytics) para detecção antecipada de falhas futuras antes de paradas de emergência

Para assegurar a produtividade e a disponibilidade de produção em qualquer hora, a operação suave de máquinas rotativas em ambientes de produção é a chave. Uma alavanca importante para otimizar a disponibilidade é estabelecer a manutenção baseada em condição para acionamentos, motores, e redutores. Um plano de manutenção baseada em condição permite achar a melhor combinação de medidas de manutenção e planos de produção.

A descoberta antecipada de defeitos iminentes é essencial para um plano de manutenção baseado em condição otimizado, com monitoramento baseado em nuvem de todo o sistema de acionamento.

A Analítica de conjunto de acionamento é um sistema de monitoramento contínuo para acionamentos chave, objetivando a diminuição dos tempos de parada, trazendo as seguintes vantagens:

  • Redução de custos pela manutenção baseada em condição
  • Análise do sistema de acionamento completo com a experiência do fabricante
  • Detecção de antecipada de anomalias com o recebimento de indicações sobre defeitos iminentes, para aumento da disponibilidade da planta
  • Monitoramento e análise contínua de todos os dados do sistema de acionamento

Sistema de Execução de Manufatura (MES) em plantas de mineração para um melhor controle da produção em tempo real

O uso inteligente de dados de processo disponibiliza outra alavanca efetiva para aumento de produtividade. A fim de utilizá-lo como base para maximizar o processo de decisão de tempo real, estes dados precisam ser integrados com o nível ERP (Gerenciamento do Negócio).

O sistema MES pode providenciar tudo o que é necessário para coleta, análise, visualização eficaz e compartilhamento dos dados de processo, que podem ser utilizado na execução da produção e no nível do ERP. O Sistema de Execução Manufatura (MES) converte dados de produção em tempo real em indicadores de execução de negócio, fornecendo transparência global sobre indicadores de execução para melhores decisões de negócio em tempo real.

Os ganhos relevantes são uma maior produtividade de trabalho e redução de horas improdutivas dos ativos de plantas de mineração, suportadas pela maior disponibilidade das informações para o processo de decisão. O aumento da agilidade e a redução de horas improdutivas são obtidos por um nível mais alto da integração com sistemas de automação que fornecem dados imediatos e seguros, além de requerer menos trabalho manual (como digitação, por exemplo) e por uma interface de operação mais intuitiva para operadores. Outra grande vantagem é que o MES permite a padronização de conceitos e indicadores nas várias plantas de uma empresa de mineração, capturando a inteira experiência operacional destas plantas em uma base de dados digital, facilitando a comparação de performance de planta, a replicação de melhores práticas e o benchmarking interno para a identificação de pontos para o melhoramento de processo, tornando assim o processo de tomada de decisão mais dinâmico e competitivo para permitir o aumento da produtividade. A implementação de um sistema MES permite o aumento da produtividade para redução de custo e otimização de margem.

Uma implementação multisite de sistema MES em uma empresa de mineração cobrindo todas as seções de uma planta de mineração (Escavação/Beneficiamento de Material/Estoque de

Materiais/Expedição de Material, encontradas tipicamente em minas de minério de ferro, potássio e manganês) proporciona as seguintes vantagens:

  • Integração de sistemas existentes para automatizar a extração de dados
  • Controle integrado de todas as áreas de armazenagem para gerenciamento de capacidade flexível e eficiente
  • KPIs transparentes atualizados em tempo real

Confiabilidade na tomada de decisão com a Inteligência de Operações de Planta

Uma plataforma de Inteligência de Operações de Planta cria a base para a otimização contínua, permitindo a visualização dos processos operacionais das plantas de mineração em tempo real, criando a base para decisões concretas e bem suportadas, ajudando a aumentar a performance e a reduzir custos operacionais, assim como aumentar a produção. O software de inteligência de operações coleta, analisa e apresenta dados operacionais e comerciais, habilitando o gerenciamento de performance em tempo real e o apoio à tomada de decisão para melhor produtividade e competitividade. Esta transparência de dados pode ajudar as empresas de mineração na otimização da sua inteira cadeia de fornecimento, e, onde necessário, repensar o seu modelo operacional, melhorando assim a excelência operacional.

As soluções de Inteligência de operações disponibilizam visualizações em tempo real, baseadas em dados operacionais e comerciais combinados em tempo real. Nas operações de mineração, há várias áreas nas quais isto pode ajudar a melhorar as operações:

  • A gerência de frotas permite a supervisão em tempo real de equipamentos móveis, aumentando a segurança dos sites pela redução de risco de incidentes, e permite o acesso mais rápido às informações para prevenção e remediação de incidentes
  • O monitoramento integrado de equipamentos para o controle de ativos fixos (moinhos, transportadores, etc.) e móveis (ex: escavadores) ajuda a reduzir incidentes e downtime de equipamentos, além de facilitar a manutenção
  • Dashboards de gerenciamento de ativos ajudam companhias a melhorar a confiabilidade, fazer projetos e controlar orçamentos de manutenção, e a administração de ativos por exceção
  • O gerenciamento de energia em tempo real ajuda a reduzir o consumo de energia e custos, disponibilizando acesso mais rápido às informações críticas para otimização de planejamento e produção, e permitindo a exploração das oportunidades de aproveitamento das flutuações de preço de mercado spot de energia para compra/venda
  • A visualização conjunta de equipamentos e ordens de trabalho pode reduzir a diferença entre sistemas informação de engenharia, manutenção e de processos, melhorar processos de trabalho, e reduzir custos de ciclo de vida de equipamentos
  • O gerenciamento de performance em tempo real disponibiliza um contexto de agregação e apresentação de dados global para acesso rápido às informações críticas para tomada de decisão, e redução de riscos e perdas operacionais

Excelência operacional em Mineração hoje e amanhã

No passado, aumentar excelência operacional na indústria de mineração frequentemente não significava nada mais do que simplesmente cortar custos. Mas agora, a tecnologia moderna está abrindo novas maneiras para obter inovações em produtividade. As principais empresas de mineração em todo o mundo estão continuamente investindo em automação em estado-da-arte para processos de mineração extremamente automatizados, gerenciamento de energia, e novos sistemas de perfuração para aumentar a intensidade da atividade de mineração, com custos mais baixos de pessoal e energia.

Os operadores, empresas de engenharia, e fornecedores de equipamentos devem concentrar-se em utilizar sinergias e potencial de otimização a fim de permanecerem competitivos em um mercado cada vez mais desafiante e volátil. A digitalização pode providenciar várias alavancas para isto. Desde o gerenciamento de ativos melhorado até processos de compras inteligentes e colaboração global eficiente, softwares e dados podem ajudar as empresas de mineração a otimizar os seus processos, a fim de obter níveis de excelência operacionais mais altos e lucros maiores.

Mais informações:

https://www.siemens.com/global/en/home/market-specific-solutions/mining-industry/digitalization.html

https://www.siemens.com/global/en/home/company/topic-areas/digitalization/mindsphere.html

https://www.siemens.com/customer-magazine/en/home/industry/digital-change.html

https://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-the-future/industry-and-automation/digtial-factory-trends-industrie-4-0.html

Carlos Fernando Albuquerque é consultor sênior para Digitalização de Indústria e Processos da empresa Siemens.

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