Modernização do Sistema de Controle e
Monitoração da Propulsão e Auxiliares das
Fragatas Classe “Niterói”.
Uma Grande Experiência de Engenharia
Autor: Leopoldo Jorge de Souza, MSEE, Capitão de Mar e Guerra (RRM)
Coordenador de Projetos do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo
Tecnologias Utilizadas:
a) Controle baseado em PC, plataforma INTEL PENTIUM ™ em VMEBus
b) Controle desenvolvido sob “Ladder Logic” com IEC-1131-3
c) Sistema em Tempo Real com VxWorks OS
d) Aplicação de “Espelhamento de Memória em Tempo Real”
e) IHM desenvolvido em Fix Dynamics, sob Windows NT
f) Simulação da Planta através de MatLab
Divisão do Trabalho:
a) Sistemas
b) Arquitetura e Eletrônica
c) Modelagem e Controle de Processos
d) Interface Homem Máquina
e) Simulação da Planta
f) Documentação
1.
Introdução
As fragatas da classe “Niterói” foram
projetadas e construídas pelo estaleiro
inglês Vosper Thornycroft na década
de 70. Seus sistemas internos utilizam
tecnologia da década de 60, que era
utilizada pelos sistemas eletrônicos
disponíveis comercialmente para
instalação a bordo de navios de guerra
no início do projeto das fragatas. Estes
sistemas, no limiar do século 21, estão
chegando ao final de sua vida útil, a
qual é determinada pela possibilidade
de poderem ser recuperados por
manutenção preventiva e corretiva.
A Marinha do Brasil atribuiu ao Centro
Tecnológico da Marinha em São
Paulo (CTMSP) a tarefa de projetar um
novo sistema de controle e monitoração
da propulsão e auxiliares para essa
classe de navios, considerando que a
planta propulsora deveria ser mantida
inalterada. Foi ainda estabelecido um
orçamento restrito e um prazo exíguo
para a realização de tal
desenvolvimento, de forma que a
obtenção do sistema dentro do País
fosse competitiva com os preços e
prazos do mercado internacional.
2.
O Problema
As fragatas classe “Niterói” são navios
que dispõem de dois eixos, com hélices
de passo variável, e podem ser
propulsionadas por diferentes
configurações de máquinas. Podem
operar com um ou dois diesel, ou uma
turbina por eixo. Essas possíveis
configurações de máquinas permitem
obter combinações de pares rotação do
eixo / passo do hélice definidas através
de testes de mar pelo estaleiro
construtor como os mais adequados à
propulsão do navio.
A modernização envolveu projetar um
sistema digital de controle distribuído
que realizasse todas as funções do
sistema original e, ainda, devido às
facilidades decorrentes de uma
implementação funcional em software,
adicionasse inúmeras facilidades
operacionais identificadas como de
interesse ao longo da prática
operacional obtida durante mais de
vinte anos. Envolveu ainda a introdução
de controle eletrônico para os diesel e a
substituição de enlaces de sinais
pneumáticos, de difícil manutenção.
Acrescente-se a necessidade de
projetar e implementar um simulador de
planta propulsora e auxiliares que
permitisse validar o novo sistema em
desenvolvimento.
3.
Estratégia do Projeto
Os aplicativos de software deveriam
ser, como parte da estratégia,
desenvolvidos sob sistemas estáveis, a
fim de minimizar os “bugs” dos próprios
softwares e sistemas operacionais. Se
possível deveriam ser também de larga
utilização no país, de forma a facilitar o
recrutamento de engenheiros de
desenvolvimento.
Devido ao prazo limitado, cerca de dois
anos do início do projeto aos testes de
aceitação em fábrica, a estratégia de
“outsourcing” foi fundamental. Todos os
insumos identificados como adequados
e disponíveis a nível nacional e
internacional foram considerados, e,
somente os não disponíveis foram
desenvolvidos “in house”.
A tendência de utilização de aplicativos
compatíveis com o Windows NT®, foi
também amplamente explorada, devido
ao seu crescente uso no mercado.
Assim a arquitetura de hardware foi
dirigida para ambiente de
processadores Pentium INTEL®.
A utilização de PLC’s, apesar de
facilitar a programação, foi abandonada
por se constituírem em arquiteturas
proprietárias e que tornariam a
implementação do sistema dependente
de determinados fornecedores.
Naturalmente, a opção adotada foi a de
solução baseada em IEC-1131-3. A
plataforma de desenvolvimento
escolhida é capaz de gerar código em
C++ a partir de diagramas escritos em
“Ladder Logic”.
O software selecionado e parte do
hardware de aquisição foram
escolhidos de um mesmo fornecedor
sendo portanto “naturalmente”
compatíveis.
4.
Concepção
Arquitetura
Software
do Sistema
de Hardware
e
O sistema SCMPA compõe-se dos
seguintes subsistemas:
a.
b.
de Operação Normal
de Aquisição de Dados e
Controle da Planta
c.
de Controle dos Motores
Diesel
d.
de Controle da Turbinas
e.
de Controle de Passo
Cada um destes subsistemas foi
concebido com arquiteturas particulares
e interage com os demais através de
interfaces definidas.
a - Subsistema de Operação Normal
Tela de Desenvolvimento em IEC-1131
Foi ainda decidido que se tentaria obter
por engenharia reversa toda a
funcionalidade do sistema original,
capturando toda a experiência de
projeto da Vosper Thornycroft,
envelopando-a numa nova
implementação de moderna tecnologia.
É composto pelos consoles de
operação. Os consoles são nós de uma
rede Ethernet, sob Windows NT®
versão 4.0, e, o aplicativo de IHM
(interf ace h o m em-máquina) é
desenvolvido em Fix Dynamics. Existe
redundância entre esses nós de forma
a se aumentar a robustez do sistema.
Uma regra seqüencial permite migrar a
funcionalidade entre consoles no caso
de avaria. O console do passadiço
fornece ao Comando do navio todas as
informações necessárias para conhecer
o estado das máquinas e permite
através de telégrafos de ordens, o
exercício do comando da máquina
através de solicitações de ligar ou
desligar, selecionar uma dada
configuração de máquinas, solicitar
m á q u i n a e m s i t u a ç õ e s p ré programadas para manobra e ajuste
fino para velocidade de cruzeiro.
b - Subsistema de Aquisição de
Dados e Controle da Planta
Toda estratégia de controle é
implementada em software padrão IEC1131-3, que é o moderno padrão
internacional para sistemas de controle,
sob sistema operacional VxWorks, que
possui excelente desempenho por ser
um sistema nativo de tempo real.
Consoles do Centro de Controle da
Máquina
Unidade Remota
É composto por dois gabinetes
eletrônicos de aquisição de dados e
atuação.
Cada gabinete controla um dos bordos
do navio.
A cablagem original do navio chega a
esses gabinetes e neles os sinais de
campo são isolados e convertidos para
um padrão elétrico compatível com o
hardware comercial atual, digitalizados
e tratados pela CPU que realiza o
controle da planta de cada bordo. As
CPU desse subsistema se comunicam
com as CPU dos consoles de operação
através de uma rede dupla de fibra
ótica (Memória Refletiva), que provê
redundância e comunicação em alta
velocidade (Tempo Real), sem a
possibilidade da perda de desempenho
que ocorre numa rede Ethernet em
caso de saturação de dados.
Esse subsistema possui proteção por
“whatchdogs” que garantem ação
imediata do sistema em caso de
problema na CPU de forma a isolar a
planta e manter seu funcionamento
inalterado enquanto se entra em um
modo operacional de “back-up”. Nesses
modos é possível se comandar os
motores diesel e o passo remotamente,
do Centro de Controle da Máquina
(CCM).
c - Subsistema de Controle dos
Motores Diesel.
É um sistema já testado a bordo das
fragatas com pleno êxito. Ele possui um
controlador eletrônico para cada motor,
associado
a
um
atuador
eletropneumático que em caso de falha
do processador eletrônico, assume o
controle e mantém a rotação do motor
inalterada.
forma
a
não
carregar
desnecessariamente o software de
simulação.
5.
Controle dos
Diesel
d - Subsistema de Controle das
Turbinas
É o mesmo original, tendo sido apenas
alterada a interface elétrica de
comando de velocidade, de forma a
casar o controle das turbinas com o
novo sistema. Não foi adicionada
nenhuma funcionalidade. As turbinas
são o sistema menos desgastado de
bordo uma vez que sua utilização
restringe-se apenas a situações que
necessitem de altas velocidades.
e - Simulador da Planta
Para possibilitar a validação dos
algoritmos de controle da planta
propulsora, assim como garantir um
total entendimento da operação do
sistema global de propulsão do navio,
(sistema propulsor mais planta
controlada), foi necessário desenvolver
um simulador de planta. A
implementação foi realizada utilizando
software MatLab. Inicialmente tanto os
algoritmos de controle quanto a
modelagem da planta foram realizados
em MatLab. Após a validação
funcional, os algoritmos foram
implementados em software IEC-1131
e o modelo da planta permaneceu em
MatLab, sendo executado em Tempo
Real. Os sinais não correlacionados
com o software foram simulados em
painéis de chaves “on-off” e LEDs de
Projeto do Produto
O desenvolvimento de software foi
realizado pelo CTMSP. Para reduzir o
custo e o tempo de desenvolvimento foi
escolhido software aplicativo que
permitisse alta produtividade na
programação.
Para a interface homem-máquina foi
utilizado Fix Dynamics, tanto por ser um
produto bastante confiavel, devido a
sua maturidade, como por
disponibilidade de larga base de
conhecimento no País dentre o pessoal
que trabalha em projetos para a
indústria.
Para controle do processo, teve-se
como meta o uso do padrão IEC-1131-3,
que vem sendo o paradigma nos
últimos anos.
A interface entre ambos deveria ser
OPC, padrão de interface internacional
para esse tipo de aplicação. A
necessidade de soluções de
compromisso, abaixo comentadas,
obrigaram a se realizar desvios em
relação a essas metas, mas as
soluções adotadas revelaram-se
plenamente satisfatórias além de
coincidirem com padrões que vêm
recentemente sendo adotadas pela US
Navy.
Os requisistos de robustez decorrentes
da aplicação do sistema exigiram
características de arquitetura bem
diferentes dos padrões industriais
conhecidos no País. A necessidade de
suportar choque e vibração exigiram
que a arquitetura dos cartões de
circuito impresso utilizassem o padrão
VME, para o qual constatou-se que a
maior parte dos aplicativos de controle
de processos disponíveis
internacionalmente (padrão
IEC1131-3), não dispõe de drivers
comerciais. O desenvolvimento de
drivers específicos para o projeto pode
elevar muito o custo de cada sistema
se a demanda quantitativa for baixa,
como é o caso de sistemas navais. Isto
foi um dos fatores limitantes
enfrentados por esse projeto,
obrigando à adoção de soluções de
compromisso quanto à adoção do
hardware e do software.
Os consoles exigiram um projeto “inhouse” pois seu desenho estrutural é
particular para o “hardware” que vão
abrigar. Os perfis arredondados
obrigatórios nos sistemas navais foram
os únicos insumos estruturais não
nacionais.
A tecnologia de projeto, incluindo
validação em laboratórios de medição
de vibração e choque, foi toda
desenvolvida no CTMSP.
Atualmente o CTMSP está
estruturado para prestar serviços desta
natureza para a indústria petroquímica,
siderúrgica, farmacêutica, papel e
celulose, alumínio e naval , projetando
e fornecendo sistemas para controle de
processos.
Maiores informações podem ser obtidas
com o CTMSP pelo telefone (011)
3817-7290.
Visão Geral do Sistema
Visão Geral do Sistema