| Revista Controle & Instrumentação
– Edição nº 116 – 2006
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| ¤ Cover Page
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| Usinas inteligentes | |
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Em busca de melhora da qualidade, redução
de custo e aumento da segurança operacional, indústrias
de mineração e siderurgia programam inteligência
computacional e redes digitais no controle de processos.
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Melhora da qualidade, redução de custo
e aumento da segurança operacional. Como fazer com que os
processos ocorram exatamente da forma programada, especialmente
num segmento que já possui alto grau de automação? |
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| Acesita: em busca de integrações menos complexas | |
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| A Acesita tem um ambicioso plano
para atualizar, em três anos, toda a unidade fabril instalada
em Timóteo / MG. O Plano Diretor de Automação
prevê a migração dos processos para configurações
“mais integradas e limpas” – ou com menos interfaces.
“Sair do nível de sensores e atuadores e chegar até o plano de produção, numa agilidade e numa flexibilidade maior, é perfeitamente possível. Trata-se de um trabalho muito grande na compreensão das necessidades e simplificação das configurações”, explica o gerente de automação da Acesita, Cristiano de Castro Santa Rosa. O engenheiro explica que a empresa já emprega sistemas de automação em toda a cadeia produtiva. Mas há espaços para a introdução de novas tecnologias da informação, modelamentos matemáticos, inteligência artificial, e de integração da cadeia produtiva. “Estamos partindo para análise de aplicações de inteligência artificial, com aplicações já testadas no próprio mercado brasileiro”. Única produtora integrada de aços inoxidáveis e siliciosos na América Latina, dentro da Acesita são seis as principais fábricas dentro da unidade industrial: altos fornos, aciaria carbono / silício, aciaria inox, laminação de tiras a quente, laminação inox e laminação silício. Nesse processo de transformação de minério de ferro em bobinas e chapas de aço, os ganhos estão diretamente relacionados à produção e à produtividade – porque os preços da matéria-prima seguem cotação de mercado internacional. Isso significa um campo fértil à aplicação das tecnologias de automação. A atual capacidade instalada da Acesita é de 900 mil toneladas/ano – a produção cresceu desde a criação da empresa, mas a modernização do controle do processo esteve, durante uma década, limitada ao que permitia a reserva de mercado imposta à informática. “As indústrias concentraram os trabalhos na digitalização de variáveis analógicas e discretas – transformando aqueles painéis antigos, que tinham a instrumentação convencional, em uma leitura através de telas de interface homem-máquina. Pouco avançou no ponto principal, que era mudar o comportamento da planta, produzindo mais e com melhor qualidade”, explica Cristiano Santa Rosa. Se o período de reserva de mercado retardou a evolução tecnológica, por outro lado formou bons profissionais, que foram impostos a tirar o máximo de configurações limitadas. O desafio agora é reconquistar esse tempo – e utilizar a automação como ferramenta para obter ganhos de produtividade. E nada de cair novamente nas soluções fechadas, ou as chamadas “caixas-pretas” – já que a integração e domínio das aplicações são necessárias para garantir a independência operacional dos sistemas. O trabalho envolve uma integração maior entre os técnicos envolvidos no processo e os fornecedores de tecnologia. “O grande desafio da equipe de automação é a mudança comportamental, passando a se preocupar com o entendimento das reais necessidades da produção”, ressalta. O gerente de Automação da Acesita explica que, diante da diversidade de softwares e hardwares disponíveis no mercado, a interação com a área produtiva é fundamental para se conhecer as reais necessidades. “E tentar fazer uma implantação com o mínimo de ‘colcha de retalhos’, de forma simples e menos onerosa”. Uma pulverização de tipos de equipamentos e softwares de diversos fabricantes pode até garantir uma competição maior, mas gera para a Acesita um volume grande de peças de reposição – o que onera o capital imobilizado com sobressalentes – e complexidade de interligação entre sistemas – que em grande parte trabalham com software proprietário. “Temos que pensar muito bem na configuração, para não engessar o fornecimento, e muito menos engessar a própria criatividade de cada fornecedor naquele processo a ser controlado. O importante é focar o processo a ser controlado: não compramos hardware e software, compramos uma aplicação. Hardware e software são apenas ferramentas”, avalia o engenheiro. A configuração estabelecida para as fábricas segue uma estrutura típica: os sistemas de aquisição de dados são baseados em CLP, que sempre se mostram mais adequados para tratar variáveis discretas – predominantes nos processos siderúrgicos. |
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| Acima estão os sistemas supervisórios,
modelamentos matemáticos, sistemas de otimização,
a camada PIMS e um servidor de área duplicado – os RTDS
(real time data sistems) – que pega os equipamentos isoladamente
e faz uma integração de fábrica. Toda a estrutura
está ligada ao Planejamento e Controle da Produção
– fora do real time. “Logicamente cada área passa por uma avaliação detalhada, para se adaptar o existente ao pretendido, pois o Plano é um direcionador, sem engessar as necessidades específicas de cada processo”. A instrumentação de campo – a cargo da área de manutenção – segue o caminho da digitalização. “A partir do momento em que você coloca um dado compatível com quem vai tratar uma informação de forma digital, não faz sentido ficar usando instrumentos que não permitam esta compatibilidade”, comenta. O Centro de Energia – como é chamada a área de utilidades – já utiliza comunicação fieldbus. Isso porque nessa área a instrumentação está, geograficamente, mais dispersa – e a opção se mostra menos dispendiosa. Nas fábricas, o padrão de comunicação é a rede Ethernet – com redundância e comunicação em anel. “Essa tendência de segurança de comunicação já temos estabelecido no Plano Diretor”, ressalta Cristiano. Dentro das fábricas, cada equipamento produtivo é um demandador de otimização e de modelamento matemático – que num processo siderúrgico é bastante diversificado, co-existindo técnicas igualmente diversificadas. E o pessoal da área de automação da Acesita acumulou um know how significativo, bem como soluções criativas para processos diversificados. O cronograma de implantações dos projetos será ditado pela demanda das fábricas. A próxima modernização, já em fase de detalhamento, será o repotenciamento da Laminação de Silício – o fornecimento ficará a cargo da ABB. Em fase de concorrência está a implantação do PIMS em toda a usina e Atualização do sistema de supervisão do Lingotamento Contínuo 1. Outros projetos são a complementação do Centro de Utilidades – em fase de especificação – e a atualização do sistema de supervisão das Aciarias – em estudo de viabilidade. “Apesar de existir um Plano Diretor de Automação, os investimentos são priorizados mais em função do mercado. De acordo com a disponibilização de investimentos, vamos caminhando para, num prazo estimado de três anos, ter a fábrica toda atualizada tecnologicamente”, finaliza o engenheiro. |
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| Alunorte: o campo inteligente | |
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| 1360 instrumentos de campo com tecnologia
fieldbus – trata-se da maior aplicação com a tecnologia
de comunicação digital já registrado numa indústria
de mineração no Brasil. Estamos falando da Alunorte
– refinaria de alumina que passou a utilizar instrumentação
em Fieldbus Foundation nas linhas 4 e 5. “Se tenho duas opções pelo mesmo preço, escolho a de melhor qualidade. Não vou ficar com uma tecnologia ultrapassada, mesmo que isso represente um desafio enorme em nível operacional”, explica o gerente da Área de Manutenção da Alunorte, Carlos Roberto Trindade. E coloque desafio nisso. “Tivemos receio do impacto que isso traria, mas até agora as pessoas têm se adaptado de uma forma rápida”, observa Trindade. A Alunorte produz alumina – matéria-prima para a produção do alumínio – a partir do refinamento da bauxita. Com o investimento em duas novas linhas de produção na planta localizada em Barcarena / PA, a empresa elevou a capacidade de produção para 4,4 milhões de toneladas por ano. O projeto de expansão foi concluído em três anos e totalizou investimentos de aproximadamente R$ 2 bilhões. No processamento da alumina, o desafio da operação é aumentar o desempenho industrial – já que os preços das commodities seguem cotação internacional. “E se você não tiver um sistema robusto e confiável, não opera a planta”, explica o engenheiro da Alunorte. Tanto as linhas 4 e 5 como as linhas anteriores – 1 e 2, do projeto original, e 3, da primeira expansão – tiveram tecnologia de automação fornecida pela ABB. A diferença é a adoção da comunicação digital – até então os instrumentos eram baseados na tecnologia analógica 4~20 mA. “Devemos instalar mais 250 instrumentos e seis controladores na fase II dessa segunda expansão, com uma desaguadroa e duas caldeiras e um sistema de manuseio de carvão na Área de Utilidades”, adianta o engenheiro de projetos da ABB, Luiz Carlos Simões. Ganhos A instalação de instrumentos com a tecnologia Fieldbus Foundation prepara a Alunorte para obter informações úteis não só para o controle de processos, mas também para a Área de Manutenção. Trindade explica que não seria possível fazer um gerenciamento de ativos sem conhecer detalhes operacionais que não são identificados por instrumentos tradicionais. Um exemplo de informação útil que poderá ser medida a partir de agora é o consumo de energia elétrica individual dos instrumentos: com relés inteligentes, o cálculo passa a ser mais apurado, e os técnicos reúnem subsídios para gerenciar de uma forma melhor os ativos. “O gerenciamento de ativos nos dá uma cobertura maior para a gestão de todos os equipamentos e máquinas, performando um gerenciamento maior dos custos. Muitas vezes o técnico de manutenção sabe se os equipamentos vão bem ou não só ao final do mês – com o gerenciamento de ativos, ele tem condição de, em tempo real, saber como está a performance, e agir preventivamente”, avalia Trindade. Por enquanto, a implantação de programas para gerenciamento de ativos são projetos dentro da Alunorte. Mas a empresa já começa a mensurar os resultados da implantação do fieldbus. Só a economia com fiação já seria um ganho: enquanto na tecnologia 4~20 mA seria necessário um fio para cada equipamento, no fieldbus todos os equipamentos são instalados em uma rede. O Foundation Fieldbus também permite fazer loops no próprio campo – uma válvula, por exemplo, pode conter um bloco PID. A Alunorte, por enquanto, preferiu usar os loops no controlador – e ao passo em que a tecnologia for sendo dominada, poderá tentar resolver no campo algumas malhas mais simples, e com isso liberar controlador. Um ganho foi a redução do tempo gasto com o comissionamento da planta – que começou em novembro do ano passado e já via a primeira linha partir em janeiro deste ano. Caso os instrumentos operassem em comunicação 4~20 mA, o tempo de comissionamento da planta aumentaria em cerca de quatro semanas. “Grande parte do tempo de comissionamento é gasto checando as ligações e cabos – e isso é um custo que não é traduzido apenas em metros de cabos a mais, mas também em mão de obra e engenharia. Comparando a composição de custos da tecnologia padrão com a tecnologia fieldbus, no mínimo há um empate, mas os benefícios são bem menores, porque não podemos obter mais informações do processo além daquelas variáveis”. No campo, além dos 1360 instrumentos em Fieldbus Foundation, o sistema comporta mais 1.250 equipamentos em Profibus e 100 instrumentos em 4~20mA. Todos ligados a 13 controladores AC800m da ABB. A empresa também forneceu as estações de operação, os sistemas de servidores e os link device – que fazem a interface entre o nível HSE (controlador) e o nível H1 (instrumentação). “Do lado do controlador, o HSE opera em 100 mbites, e o H1 é 31.25 kbites. Então um dispositivo para fazer esse link entre os dois níveis é uma das peças-chave”, explica Luiz Carlos Simões. Os instrumentos são divididos em seis sub-redes HSE, cada uma contendo entre 300 e 400 instrumentos. Até 32 instrumentos estão conectados em quatro troncos H1 – a norma permite até 16 instrumentos, mas o consenso dos técnicos decidiu por instalar oito por tronco. Em cada switch há até dez link devices. Uma conexão vai para o controlador AC800M, enquanto outra conexão segue para o servidor OPC Server FF. Tanto o servidor quanto o controlador estão interligados com o nível de operação. O controlador pega as variáveis de processo (comunicação cíclica) e faz todo o controle – as malhas de controle estão nessa área. E pelo OPC (comunicação acíclica), o operador tem acesso ao diagnóstico e configuração. No nível 2 estão as estações de operação – para controle foi instalado o sistema híbrido 800xA, também da ABB. Toda a supervisão de processo de produção está dentro das aplicações do PI – a base de dados que detém os relatórios de acompanhamento e de laboratório. Há também, no nível 3, o APC e o KM – que tem função de interface entre a rede de dados de controle e os aplicativos mais periféricos. As consolidações daqui saem para o ERP – a Alunorte utiliza da Oracle – que está acima desse conjunto. A configuração dos instrumentos é feita em uma estação de engenharia instalada na sala de controle. “A estação de engenharia tem aplicativos específicos que se comunicam diretamente com o instrumento FF. O operador consegue interagir com os instrumentos, abrir terminais e configurar completamente qualquer instrumento”, explica Simões. O Profibus ainda limita essa operação. Para configurar os CCM, o instrumentista precisa ir às salas com um notebook. “Para fazer com o Profibus o que fazemos com o Fieldbus, seria necessário segregar a rede em dois masters. Por outro lado, não conheço outra rede que seja tão segura, em nível de confiabilidade, do que o Profibus”, compara Trindade. Trindade explica que o Fieldbus Foundation foi escolhido por ser mais dedicado para instrumentação de campo – a tecnologia permite, por exemplo, fazer loops no próprio campo. “Trata-se de uma tecnologia que tem todas as propriedades para ocupar o lugar da instrumentação. O Profibus já existe há muito tempo, é mais indicado para controle de motores e equipamentos de conversão”. Tanto é que em todas as salas de CCM foi adotada comunicação digital Profibus – com as remotas, inversores, CCM, PLCs e IHMs. Essa configuração ainda deu espaço para cerca de 100 instrumentos de comunicação 4~20mA – os que ainda não tinham opção fieldbus disponível, ou para processos que poderiam ser impactados por problemas de tráfego de informações. É o caso dos filtros de desaguamento, que têm um processo de batelada extremamente rápido – o equipamento trabalha com uma câmara a vácuo e exige sincronismo das válvulas de entrada e saída. Para a comunicação analógica, em que a ciclicidade está programada no controlador, o tempo de atraso entre a emissão da ordem e a atuação da remota é conhecido, e não depende de tráfego. “Aquele tempo estando bem controlado, e conhecendo quais são os limites, dá uma maior segurança ao processo. Na rede fieldbus podemos ter problemas de tráfego que podem impactar no processo. Não é uma simples medição de variáveis, que podem independer de um tempo real perfeito para o controle”, explica o engenheiro da Alunorte. A tecnologia fieldbus até que poderia superar esses embaraços – mas como ainda não foi certificada em outras aplicações, os projetistas não sentiram a segurança suficiente, e preferiram não arriscar. “É uma tecnologia que não dominamos, então decidimos fazer a automação mais tradicional, para evitar que esse seja um problema de garantia de performance operacional”. |
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| Integração Para evitar contratempos, o processo de engenharia e implantação iniciou o comissionamento na unidade da ABB, em São Paulo. Quando os equipamentos seguiram para Barcarena, já tinham praticamente todas as questões resolvidas, necessitando apenas de ajustes no campo. “Quando o sistema de automação chega da fábrica, as telas já estão todas aprovadas pela operação, e todos os controles testados. É só uma questão de montar e configurar, e esperar que a planta parta para fazer o comissionamento. Se fôssemos deixar para certificar telas e controles durante o comissionamento, não saberíamos distinguir o que era comissionamento e o que era reparo”, comenta o gerente da Alunorte. Andrés Sancho, gerente de Desenvolvimento de Negócios da ABB, cita ainda como vantagem a integração entre a fornecedora do sistema e os fabricantes dos instrumentos. “Houve uma integração: abrimos as portas para alguns concorrentes, para fazer todos os testes aqui na fábrica antes de os equipamentos seguirem para a Alunorte. Isso foi um ponto fundamental para o sucesso do projeto, porque deu a confiança necessária para o pessoal da Alunorte, que não teria grandes problemas no comissionamento e start-up”. “Primeiro trouxemos engenheiros da Alemanha e da Índia para fazer a integração básica dos dispositivos. Em paralelo, a Alunorte enviou um modelo de cada instrumento para a ABB na Índia, para fazermos a integração com o sistema. Hoje, cada um desses instrumentos utilizados faz parte da biblioteca do 800xA, e podem ser usados em qualquer instalação no mundo”, completa Luiz Carlos Simões. A etapa mais crítica, na opinião de Trindade, foi a estratégia. Porque era necessário fazer um bom desenho conceitual e tomar as decisões corretas. “Uma vez tomada a decisão errada, não teríamos como remediar. Depois de vários milhões de dólares gastos com equipamentos moldados especificamente para aquilo que foi planejado, não poderíamos mudar a idéia. Por isso o planejamento é fundamental – você tem que ter uma segurança muito grande na decisão que você vai tomar”. Os próximos passos já estão definidos: em setembro estará operacional a fase II dessa expansão, com ampliação da Área de Utilidades – com duas caldeiras e um sistema de manuseio de carvão – e uma desaguadora que passará a operar quando o mineroduto estiver trazendo bauxita de uma outra fonte fornecedora de matérias-primas. Contabilizando, serão mais 250 instrumentos e seis controladores. A partir de 2008, a Alunorte contará com mais duas linhas de produção – essa terceira expansão, que deve ter suas obras iniciadas já no segundo semestre de 2006, seguirá a mesma estratégia de automação – com fornecimento já acertado com a ABB. “Temos um frame agreement com a ABB já desde a primeira expansão. Não compramos pacote, mas fazemos os projetos de automação em ações conjuntas. Isso é bem mais eficiente porque nós temos a tecnologia operacional e a ABB tem o know how de como fazer os equipamentos”, finaliza Trindade. |
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