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
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.
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.
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.
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.
Concepção
do Sistema - Arquitetura de Hardware e Software
O
sistema SCMPA compõe-se dos seguintes subsistemas:
de Operação
Normal
de Aquisição de Dados e Controle da Planta
de Controle dos Motores Diesel
de Controle da Turbinas
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
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 (interface homem-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 máquina em situações pré-programadas
para manobra e ajuste fino para velocidade de cruzeiro.
b
- Subsistema de Aquisição de Dados e Controle da
Planta
Unidade
Remota
É composto
por dois gabinetes eletronicos 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.
Toda
estratégia de controle é implementada em software padrão
IEC-1131-3, 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
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.
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 forma a não carregar desnecessariamente o software
de simulação.
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
IEC-1131-3), 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 "in-house" 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
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