Artigos Técnicos
Sistema Digital de Controle Distribuído: robustez e alta
disponibilidade
Flávio Bemelmans, Supervisor de Engenharia de Aplicação da Yokogawa América do
Sul.
Sistema aberto
Os aqui chamados Sistemas Digitais de Controle Distribuído – SDCDs
(originalmente DCS – Digital Control System) tiveram suas primeiras
aplicações a partir dos anos 70, tornando-se amplamente utilizados nos
anos 80 com a proposta de controlar e otimizar processos de produção,
reduzindo as intervenções do operador no controle do processo,
aumentando a estabilidade operacional. Nos anos 90, os critérios de
redução de custo e gestão empresarial tornaram-se importantes e,
assim, os requisitos dos clientes mudaram para a busca pela melhor
solução em sistemas de gestão (ou ERPs - Enterprise Resource Planning)
e sistemas de logística (ou SCMs – Supply Chain Management). As
demandas de hoje incluem arquitetura aberta e redução de custos, que
são ainda necessidades essenciais, mas a interação com sistemas de
gerenciamento de informações é o mais importante e um problema
atual.
Até meados da década de 80, os SDCDs utilizavam microprocessadores
de 16 bits. A garantia de robustez e desempenho era sustentada por
sistemas operacionais e dispositivos eletrônicos proprietários,
especialmente desenvolvidos pelo fabricante do sistema de controle.
Esse esquema, entretanto, constituía uma arquitetura fechada que
desagradava aos usuários.
Com a evolução dos microprocessadores, os SDCD adotaram o sistema
operacional Unix como ponte para troca de informações através da rede
corporativa do usuário. Ao final da década de 90, a robustez atingida
pelas máquinas compatíveis com IBM-PC, aliada à estabilidade
comprovada pelo sistema operacional da Microsoft, tornou a dupla
Windows-Intel a especificação de hardware padrão para os dispositivos
de interface homem-máquina (IHM) dos sistemas de automação e
controle.
A plataforma Windows abriu para o mercado de automação de processo
as mais variadas soluções de análise e gerenciamento desenvolvidas
sobre tecnologias de informação (TI) emergentes ao custo de aplicação
de escritório. Hoje o SDCD é um sistema aberto que adota padrões de
fato e tecnologias emergentes tanto de TI quanto da indústria de
automação.
Do lado de TI, os navegadores Web aliados a componentes Active-X e
controles Java permitem visualização remota e ininterrupta do processo
produtivo. A tecnologia OPC (OLE para Controle de Processo) viabiliza a
troca de informações com sistemas Midleware PIMS/LIMS – Sistemas de
Gerenciamento de Informações de Planta e Laboratório, ou com os
corporativos como SCM/ERP – Logística de Vendas e Suprimentos e
Gestão de Recursos.
Do lado da indústria, a referência são os protocolos de campo Fieldbus
Foundation, Profibus, Hart, além de muitas outras interfaces sobre
RS232, RS485 e Ethernet, que garantem a conectividade entre o SDCD,
a instrumentação inteligente e os demais equipamentos (balanças,
CCMs, etc) existentes na planta.
Confiabilidade
O aspecto mais essencial do SDCD vem de seu projeto. Os
administradores de plantas e fábricas reconhecem que o sistema de
controle não deve parar por qualquer tipo de problema ou anormalidade
na planta. Paradas inesperadas causam atrasos de produção e,
conseqüentemente, perda de negócios e crédito junto aos seus clientes,
ocasionando sérios prejuízos financeiros.
Além da robustez de cada parte individual, o SDCD usa arquitetura
tolerante a falhas. A redundância total entre módulos garante a
operação ininterrupta em cada uma das três fases associadas à falha de
um componente.
1. Detecção: Funções de autodiagnóstico em cada módulo do sistema
detectam a anormalidade e informam a operação no espaço de um
segundo, mesmo que diversas falhas ocorram ao mesmo tempo.
2. Recuperação: O chaveamento do controle ente módulos redundantes
é realizado dentro de um segundo, garantindo que a aplicação (controle
de seqüência e regulatórios) não seja afetada pela anormalidade
detectada.
3. Manutenção: O módulo defeituoso deve ser trocado por um novo. A
característica de troca à quente (hot -swap) e on-line de módulos do
SDCD garante, ao final de tudo, o retorno do sistema à condição normal
de operação sem que qualquer variação no processo possa ser notada.
A redundância é uma concepção de projeto e diferente de configuração
dual. Isso significa que não são usados relês ou outros componentes
externos para a realização do chaveamento, bem como nenhum esforço
adicional de engenharia de configuração.
Blocos de função para controle regulatório e seqüencial
É vital assegurar a confiabilidade do controle, independente do processo
ser caracterizado como contínuo ou de batelada (batch). No SDCD todas
as aplicações de controle e execução de seqüências residem nas
estações de controle redundantes.
O desenvolvimento da aplicação no SDCD pode ser realizado através de
diversas ferramentas (ou linguagens), entre as quais, os blocos de
função são os mais comuns. Qualquer lógica de controle, seqüência ou
intertravamento pode ser implementada através da parametrização e
conexão desses blocos. São blocos diversos, inteligentes e versáteis, que
permitem a configuração da estratégia de controle de forma fácil e
rápida. A incorporação de filtros de entrada, funções de conversão e
controle de alarme nesses blocos propicia confeccionar um diagrama de
controle limpo, porém eficaz.
A adoção do modelo S88 para padronização da estrutura da linguagem e
controle de processo de batelada traz benefícios específicos a esse tipo
de aplicação. Caracterizada por freqüentes modificações, a modularidade
e reusabilidade impostas pela norma de maneira transparente permitem
racionalizar a engenharia, diminuindo o custo associado ao longo de seu
ciclo de vida.
Engenharia eficiente e confiável
Do ponto de vista do esforço de engenharia, a abordagem dada às
ferramentas de configuração de projetos em sistemas SDCD traz o
benefício de redução de custo de desenvolvimento em cada uma das
etapas do processo: configuração, validação e carga.
1. Configuração concorrente: A ferramenta permite que um único PC
comporte vários projetos e que cada projeto possa ser compartilhado
por mais de um engenheiro. Dessa maneira, projetos grandes podem ser
divididos em partes e configurados paralelamente, diminuindo o tempo
total de implementação.
2. Teste virtual e simulação: Novamente, a confiabilidade da aplicação
reside na capacidade de gerar aplicações livres de erros. A função de
teste virtual possibilita a depuração das funções de controle, sem que
qualquer estação de controle esteja realmente disponível. A estação de
engenharia dispara um simulador de controlador em memória e todas as
entradas e saídas de sinal são virtualmente executadas. Uma interface
especial para testes permite adicionar formas de onda específicas ou
atrasos entre blocos para simulação realística do processo, sem a
necessidade de alterações no diagrama lógico original.
3. Modificações on-line: Como já citado, o processo produtivo deve ser
ininterrupto para não gerar prejuízos financeiros. Ao longo do tempo,
entretanto, pequenas modificações (às vezes grandes) são necessárias
para que o controle se mantenha alinhado às variações do processo e/ou
do mercado. A capacidade de o SDCD realizar alterações na configuração
sem exigir a parada do controlador garante que as duas exigências
acima sejam satisfeitas.
Suíte de soluções integradas
A tecnologia associada ao SDCD não está limitada tão somente às
funções de controle do processo. Existe uma suíte de produtos e
soluções apoiadas sobre o núcleo de controle, que pode ser a
responsável por adicionar o diferencial competitivo esperado.
1. Modelamento da planta orientado ao negócio: Informações do
processo são agrupadas e relacionadas com informações de negócio.
Qualidade e produtividade são relacionadas com logística e finanças,
possibilitando que uma série de análises possam ser executadas, tais
como balanço de massa e energia, contabilidade e planejamento de
produção, monitoração da capacidade e eficiência produtiva,
monitoração e controle da qualidade produtiva e ambiental, entre
outros.
2. Assistência operacional avançada: Em reposta aos desafios de
competição pela sobrevivência, o SDCD criou o conceito de “ciclo de
aumento da eficiência operacional” decomposta em três estágios
(identificados por três ferramentas): A análise dos eventos de alarmes
de processo contra os eventos e ações operacionais identifica limites de
alarmes mal dimensionados ou redundantes, bem como operação
excessiva ou inadequada. A criação de Procedimentos Operacionais
Padrão automáticos, semi-automáticos ou manuais, através da
experiência real dos operadores, auxilia na uniformização do padrão de
qualidade operacional num patamar elevado. A incorporação de sistemas
de treinamento dedicados, através das funções básicas de teste virtual
(já citada anteriormente), ou por meio de simuladores dinâmicos de
processo on-line ou off-line auxiliam na manutenção da eficiência
operacional.
3. Controle avançado, otimização e predição: O controle regulatório
convencional mostra-se incapaz de atender às exigências de
racionalização de recursos e, ao mesmo, tempo garantir a qualidade e os
volumes mínimos de produção. A técnica de controle multivariável
possibilita o modelamento de planta com alta precisão, permitindo a
compensação de distúrbios não mensuráveis. A técnica de otimização
usa a associação de valores às matérias-primas para parametrizar o
controle do processo em função do menor custo. Quando o processo de
verificação da qualidade do produto final toma mais tempo do que o
permitido, as técnicas de modelo linear de regressão múltipla ou modelo
não linear de rede neural realizam a estimativa da qualidade de modo
racional e de baixo custo.
Conclusão
Os SDCDs são adequados para uma vasta lista de segmentos industriais,
tais como: refino de óleo, petroquímico, químico, papel & celulose, vidro,
farmacêutico, alimentício & bebidas, energia, ferro & aço e, tratamento
& suprimento de água. O SDCD contribui da maneira mais otimizada
possível para o controle e operação desses tipos de plantas, através de
soluções estado da arte em suas várias camadas de aplicações – do
controle ao gerenciamento.
Seu núcleo de controle é desenvolvido visando robustez e alta
disponibilidade. O controle pode se distribuir de modo consistente por
subsistemas inteligentes usando conexões com tecnologias padrão de
fato da indústria. A operação e a monitoração são eficientes e usam
tecnologias emergentes de TI. Ferramentas de assistência operacional e
controle avançado aumentam o desempenho e a qualidade da planta.
Finalmente, o modelamento orientado ao negócio relaciona os dados de
processo aos dados corporativos, proporcionando análises que levam ao
diferencial competitivo esperado.