Edição 260 - MAI/2004 - Revista Petro & Química

MATÉRIA DE CAPA II – Edição 260 - Maio de 2004

Para agilizar a tomada de decisões, empresas investem em soluções que vão desde o gerenciamento de ativos até a integração entre o chão-de-fábrica com o nível corporativo.

Antes de fechar um negócio, o executivo consulta em seu palm top algumas informações de sua linha de produção e cruza com cotações de mercado. Futurístico? Nem tanto: em nome da agilidade, os executivos ligados à área de refino da ExxonMobil já utilizam essa ferramenta – que transforma a informação do processo em informação de negócios.

O Data Visualization – ou visualizador de dados – implementado pela empresa permite ao executivo acessar dados de processo de 25 unidades de refino espalhados pelo mundo, e integrá-los com outros dados de mercado – como cotações do petróleo ou das commodities.
“A função do Data Visualization é proporcionar um ambiente que congregue as informações que o executivo necessite. Essas informações incluem dados de chão-de-fábrica e informações que estão fora da empresa”, explica Luiz Eduardo Ganem Rubião, diretor geral da Siemens/Chemtech – empresa de TI que implantou o sistema na ExxonMobil.

Esse sistema é apenas uma das ferramentas que vem sendo utilizadas por executivos quando a tomada de decisões precisa ser ágil. As soluções adotadas pelas empresas abrangem desde o gerenciamento de ativos até a integração entre o chão-de-fábrica com o nível corporativo. A tendência é transformar os relatórios em papel em informações eletrônicas, seja via OPC ou via Ethernet.

Tome como exemplo essa ferramenta adotada pela ExxonMobil: a idéia é integrar em uma única tela – que pode ser até mesmo em Internet Explorer – informações de diversos sistemas, como da produção, do laboratório, dados do desempenho industrial e até mesmo cotações do mercado financeiro. Em tese, sem esses sistemas integrados, só ao final do mês o executivo teria acesso a esses dados de uma forma consolidada.

O sistema implementado na petroleira tem por base o XHQ – software de visualização de dados fabricado pela Siemens / IndX – que agrega e relaciona em uma única tela dados operacionais e de negócios em tempo real. Conceitualmente, esse tipo de software funciona como um hub de informações, buscando dados de vários sistemas diferentes. E, quando um usuário procura uma informação, esse software busca o dado onde ele estiver – com a vantagem de adicionar informações que nem sempre estão ligados à fabrica, como dados meteorológicos ou a cotação do dólar.

“Para facilitar a tomada de decisões, o ideal seria ter, por exemplo, vinte informações de uma maneira simples, sem que o executivo precise percorrer vinte sistemas diferentes, ou que fosse necessário manter várias equipes gerando relatórios em papel, mas sim ter esses parâmetros online”, comenta Rubião.

A ferramenta não chega a ser um MES – sistema voltado para integrar o chão-de-fábrica com o nível corporativo. Também não é simplesmente uma aquisição de dados do sistema de gerenciamento de informações do processo (PIMS) ou um módulo do Sistema de Gestão – imagine quantas licenças de software seriam necessárias para disponibilizar tudo isso num sistema corporativo...

Por falar em MES, essa ferramenta tem viabilizado a manipulação de quantidades muito maiores de informações – principalmente nas indústrias de Papel e Celulose e de Metal e Mineração. É esse sistema que traduz as informações do nível corporativo em ordem de produção – ou dados do processo em informação gerencial.

O MES não precisa ser, necessariamente, uma interface entre o ERP e o chão-de-fábrica. Há casos em que a ferramenta é utilizada para a criação de índices – que são utilizados para comparação de performance e direcionamento de investimentos – ou então para fazer com que algum dado de programação de produção chegue ao chão-de-fábrica, garantindo uma padronização de procedimentos e uma maior precisão das informações. “O maior ganho acontece quando existe a integração, devido à sinergia”, comenta o diretor da Chemtech.

Mas alto lá! Essa integração entre o ERP com o chão-de-fábrica tem seu preço: a vulnerabilidade a ataques externos. A segurança talvez seja o maior desafio para as empresas de TI – e aí surgem desde as senhas criptografadas e firewalls até engenhosas arquiteturas para permitir que a empresa disponibilize seu processo na web com segurança.

Esse assunto é uma das pautas de discussão da ISA – entidade que congrega instrumentistas e técnicos de automação – que está preparando uma norma técnica sobre o assunto.

“À medida que redes corporativas estejam interligadas com o chão-de-fábrica, torna-se mais delicado”, comenta Vitor Finkel, vice-presidente eleito da ISA para o Distrito IV – que inclui o Brasil e outros países da América do Sul.

Finkel lembra que o maior problema não é o hacker – que não entende muito do processo industrial – mas sim o ex-funcionário em situação de conflito com a empresa. “Se ele acessa o sistema, sabe exatamente onde colocar a casca de banana”.

Qual a saída, nesse caso? Somente interligar os sistemas quando for necessário. “As soluções de informática não são garantidas, porque se o sujeito tem acesso, e souber o que está fazendo, consegue fazer uma malícia, por mais que se coloque dispositivos de proteção. O que o pessoal faz é separar, sempre que possível, aquele cabo com conector RJ-45. O técnico liga o cabo, faz o que precisa fazer, e desliga em seguida”, aconselha Finkel.

Para quem precisa que os sistemas estejam interligados ininterruptamente, a solução é minimizar o risco com medidas que vão desde o isolamento de alguns “pedaços” da rede ou a inserção de firewalls. Um bom conselho é adotar uma máquina intermediária entre o controlador do processo e os níveis gerenciais – ou até mesmo trabalhar na arquitetura do software. “Às vezes, tomar uma decisão errada pode significar um prejuízo maior para a empresa do que um hacker derrubar uma planta por uma hora”, avalia Rubião.

Que tal instalar um sistema especialista que simule uma produção antes da ordem ser disparada para o controlador? Mesmo que aconteça um erro, não há interferência na planta.

A preocupação com a perenidade dos investimentos

O que preocupa a industria química quando o assunto é automação? O primeiro desafio é compatibilizar o avanço tecnológico com a vida útil da planta. A busca é por soluções que, por exemplo, não tenham que ser totalmente trocadas a cada três anos.

Enquanto uma planta é projetada para trabalhar 20 anos ou mais, os sistemas operacionais aparecem com upgrades e novas funcionalidades a cada ano. No mínimo. E o pior: por ficarem obsoletos, esses sistemas são descontinuados em menos de cinco anos.

Claro que os instrumentistas preferem trabalhar com sistemas up-to-date – cada vez mais íntegros e com mais recursos. “Todo avanço é bem vindo, desde que se justifique. Uma empresa não pode dizer ao cliente: ‘você vai pagar mais caro porque a minha produção é altamente sofisticada’”, comenta o coordenador da Comissão de Automação da Abiquim, Sidney Puosso da Cunha.

É preciso avaliar muito até na hora de fazer um simples upgrade. “Cada empresa tem que alinhar sua pauta de investimentos à sua aplicação específica. Em alguns casos, um pequeno upgrade pode dar uma vantagem significativa, já em outros não causa impacto. Porque se a industria estiver no gargalo de produção, qualquer upgrade que dê uma vantagem produtiva vai interessar”, aconselha Finkel.

Isso sem contar que a troca de um software ou de um equipamento pode significar uma dor de cabeça: uma parada no processo, e mais um tempo extra para resolver todas as surpresas desagradáveis, eliminar eventuais bugs e retomar a produção total... “Tem um custo que não é unicamente do upgrade, mas também dos problemas que aparecem depois”, completa Finkel.

Outra questão é encontrar uma tecnologia que aproveite algo do que já foi feito – algo semelhante ao conceito de softwares modulares, nos quais apenas uma camada é modificada sem interferir no conjunto. “Se você conseguir encapsular a tecnologia que está por trás do hardware, fica mais fácil trocar apenas a cápsula de acesso ao hardware, e o resto da solução está mantida”, explica Rubião.

Aqui, a base é o uso de técnicas de programação estruturada.
Cabe ao fornecedor trabalhar sempre com novidades que aproveitem a tecnologia já instalada – para causar o menor distúrbio possível na produção do usuário. Vai dar mais trabalho desenvolver o produto com o conceito de encapsulamento, mas bem que viabilizaria a troca de um módulo sem interferir na planta inteira, nem ter que refazer todo aquele trabalho inicial.

E o que falar então de plataformas abertas? Isso tem sido um assunto exigido por todos os usuários – que querem sair de soluções proprietárias. É claro que o fabricante nem sempre estará disposto a abrir sua arquitetura – como uma forma de assegurar a presença nos futuros investimentos.

Mas questão não é só essa: imagine quando a empresa precisar trocar um circuito integrado que não está mais sendo fabricado...

“É confortável ter um bom fornecedor, que tenha tudo, mas também dê a chance para o usuário poder incluir peças de outros fornecedores”, conta o gerente da Chemtech.

O segredo para o sucesso de uma arquitetura aberta está na palavra interoperabilidade: os vários instrumentos e sistemas precisam “conversar” entre si, garantindo a integridade das informações. “Hoje é difícil uma empresa manter a comunicação através de um protocolo proprietário. Porque há uma enorme concorrência entre fabricantes, e o usuário busca a melhor alternativa técnica e econômica”, explica Sidney Cunha.

Mas por quê uma tecnologia inovadora demora para ser absorvida pela indústria química? Não é uma questão de conservadorismo: atualmente as plantas trabalham com ocupações próximas a 100% da capacidade instalada, e qualquer parada – seja por troca do sistema ou por erro de configuração – representará perda na receita operacional.

“A industria química não admite ser cobaia, e ficar testando tecnologia. Porque, em nome da competitividade e da produtividade, cada vez mais as empresas procuram parar o mínimo possível as unidades”, completa o coordenador da Comissão de Automação da Abiquim.

Sistemas híbridos: entre o CLP e o SDCD

A pergunta clássica é: qual a arquitetura escolher? Sabe aquela velha receita: para processos onde predominem entradas e saídas discretas, a solução é CLP. E para processos onde há um número maior de variáveis analógicas, a melhor opção é um SDCD? Esqueça.
A tendência agora é o sistema híbrido – ou Hybrid Control Systems – destinado ao controle de processos onde possa existir uma predominância tanto de sinais analógicos quanto de sinais discretos. A questão é distribuir a inteligência pelo processo.

A principal vantagem de uma arquitetura híbrida é ter sido desenvolvida com CPUs dos controladores, e software com poder computacional, para possibilitar a conversação digital – entre controlador e dispositivo de campo – e também o tratamento da grande quantidade de informações para o controle do processo. Esse processamento distribuído permite, por exemplo, que um alarme detectado em um transmissor Foundation Fieldbus informe ao inversor conectado, via Device Net, o inter- travamento de um motor.
Não há números oficiais sobre a quantidade de usuários de sistemas híbridos, mas um breve levantamento, entre os próprios fabricantes, dá conta de mais de 200 plantas com esses sistemas já instalados no Brasil.

“Existem conceitos que sempre foram exclusivos para certos tipos de processos, que estão sendo utilizados por outras indústrias. Hoje é comum ver controle avançado, por exemplo, em industrias que têm spray drier. Então acabamos partindo para a solução híbrida. E as empresas de automação estão apostando nisso, evitando o rótulo ‘ser só de CLP ou ‘ser só de SDCD’”, explica Rubião.

O próprio controle avançado já vem sendo encarado como uma ferramenta adequada para produções em batelada – que auxilia até mesmo a minimizar o uso de matérias-primas. É possível, por exemplo, organizar uma seqüência de produção de forma a diminuir a lavagem dos equipamentos e respectivas instalações entre duas produções – e aí economizar tempo e recursos como também os impactos ambientais decorrentes, atendendo o Programa de Atuação Responsável da Indústria Química.

Os fabricantes já disponibilizam softwares para coleta de dados, gerenciamento de produção em batelada, controle estatístico de processo, e de programação de produção. “Quando a empresa compra um sistema, não precisa necessariamente comprar todos os pacotes de software”, conta Sidney Cunha.

Uma opção, para quem não vai implantar o controle avançado, é potencializar a performance com controle regulatório, através de sintonia de malhas. A Petrobras implantou recentemente um projeto para monitorar as variáveis importantes para a sintonia das malhas do controle anti-surge na plataforma P-25. Com isso, garantiu a vazão mínima necessária para o compressor não entrar em surge, mantendo a vazão acima do set-point.

Sintonia de malhas era um assunto que, até pouco tempo, não recebia muita importância em plantas de produção de petróleo. Mas, em algumas malhas de controle, um desvio de set point, por exemplo, não implica diretamente em um produto fora de especificação, mas pode acarretar paradas de produção se forem atingidos os limites de segurança dos equipamentos.

E o nosso velho CLP? Ele vem sendo utilizado em pacotes de máquinas, como compressores e unidades de refrigeração – o fabricante da máquina entrega o pacote pronto, e o usuário integra à rede existente.

O equipamento pode até ser encontrado em aplicações de pequeno porte – com poucas malhas e sem grande complexidade. Só que, quando for necessário ampliar o controle ou o número de malhas, será preciso integrar vários controladores.

Como mensurar as variáveis de qualidade?

Uma outra pedida, no nível de chão-de-fábrica, é a mensuração das variáveis de qualidade – tema normalmente associado a análises laboratoriais. É só prestar atenção na grande quantidade de analisadores online espalhados pelo campo.

O enfoque está mais voltado ao controle de processos do que à emissão de certificados de produto final. “Quando você controla o produto final, é tarde: o que fazer se o produto estiver fora da especificação? Por isso que o controle online é importante”, explica Finkel.

Como encarar essa questão? Aqui há duas opções: instalar analisadores sofisticados diretamente na planta ou investir mais no laboratório, colocando na planta analisadores mais simples.

No primeiro caso, é a simples instalação de analisadores específicos na planta. O conceito seria implantar um laboratório diretamente na linha e, então, medir a propriedade diretamente durante a produção – isso sem o inconveniente de ficar carregando amostras. O problema é o alto custo destinado a esses sistemas que englobam instalação, pessoal especializado e equipamentos. “Também esses custos se tornam proibitivos quando teríamos de ter redundância”, pontua Sidney Cunha.

Mas também é possível instalar analisadores mais simples – como um condutivímetro – e deixar outros sistemas mais complexos para o laboratório. Só que a desvantagem é não ter uma medida direta – porque, nesse caso, o analisador medirá apenas uma propriedade física ou química, que deve ser então relacionada com as propriedades finais do produto.

“Diminuímos a utilização de analisadores em laboratório, por economia de tempo. Gasta-se muito mais com um analisador em linha do que com uma análise em laboratório, mas o retorno que ele dá, em produção com o tempo da resposta da informação, justifica o investimento”, explica o vice-coordenador da Comissão de Automação da Abiquim.

A novidade é o controle por modelagem matemática – um assunto mais sofisticado, tendo em vista que montar uma planta virtual demanda um excelente conhecimento matemático do processo. No computador, o usuário mantém uma planta virtual, onde simula várias situações, baseado em informações do processo.

“O computador que faz o controle de processo virtual já sabe qual é a melhor estratégia e gera online a estratégia para controlar a planta real”, explica Vitor Finkel.

Agora pouca gente sabe que é possível montar uma planta virtual mesmo sem uma rede neural. Porque muitas vezes, só é necessário montar uma equação simples, em que os parâmetros signifiquem um dado físico.

“Se no modelo os parâmetros têm significado físico, é possível trabalhar em várias áreas. A rede neural só trabalha bem no conjunto de dados em que está treinada – e se operar fora daquilo, pode ter um resultado errado. O modelo com significado físico já não corre esse risco. Por outro lado, o usuário abre mão das medidas de qualidade”, comenta Rubião.

Independente de qual tipo de laboratório, a empresa não pode deixá-lo isolado do processo – e para isso precisa de um gerenciador de informações do laboratório ligado ao sistema de controle. “O LIMS (Laboratory Information Management System) tem que ficar conversando, o tempo todo, com o PIMS (Process Information Management System). O laboratório pode fazer a análise das amostras e o cross-check com os resultados do processo ou do laboratório virtual”, explica o diretor da Chemtech.

O gerenciamento de ativos através
de auto-diagnósticos

Há algo de errado com o processo? Hoje já é possível detectar possíveis problemas a partir de uma análise química ou através de dados fornecidos pelos equipamentos de campo.

Os chamados “instrumentos inteligentes” já possibilitam ao operador não só ter informações sobre sua condição, mas também da performance da planta. O desenvolvimento desses equipamentos vem permitindo o auto-monitoramento do instrumento, e a substituição da manutenção preventiva por diagnosticos não-intrusivo nos instrumentos.

Na Refinaria de Paulínia, por exemplo, quase todos os transmissores são inteligentes, com comunicação digital Hart – o que permite intervenções remotas para calibração e diagnósticos. E parte das válvulas de controle tem posicionador inteligente – também em Hart – o que permite ao operador, entre outras funções, obter diagnósticos preditivos da condição de operação, levantamento das curvas iniciais de movimentação, comparação entre a condição de “nova” e a condição atual de operação, e detecção de vazamento de ar de comando.

“A penetração da informática no ambiente industrial trouxe uma riqueza de informações que até então não existia na instrumentação. E o pessoal descobriu que, com isso, consegue fazer diagnóstico de falhas prematuras, descobrir o grau de precisão do instrumento, e até comparar instrumentos”, comenta Finkel.

Mas não basta ter o instrumento inteligente: o sistema tem que ser capaz de receber e tratar essa informação. A Replan utiliza o programa AMS integrado à instrumentação inteligente, que registra os alarmes de manutenção preditiva e as intervenções e modificações nos instrumentos.

Aí, mais uma vez, é preciso que o sistema trabalhe em uma plataforma aberta – que receba e trate informações fornecidas por equipamentos de fabricantes e tecnologias diferentes.

E é justamente no diferencial dos softwares supervisórios que os fabricantes estão investindo. Isso porque, com a padronização dos barramentos de campo, os instrumentos começaram a ficar muito parecidos – e então o software aparece como valor agregado para um equipamento que, por si só, tem preço de custo. “É um diferencial de qualidade da instrumentação, um campo onde os fabricantes estão brigando para conquistar mercado não só no preço”, explica Finkel.

Sistemas de shutdown: segurança dedicada

Quando o assunto é desligamento de segurança, o consenso é: os critérios para desenvolver o projeto de segurança não podem ser os mesmos para desenvolver um sistema de controle. Isso porque o sistema de controle está sendo operado o tempo inteiro – e se uma malha travar, por exemplo, o operador recebe o sinal no momento exato e pede socorro à área de manutenção.

Já o sistema de segurança passa praticamente todo o tempo em stand by. Só que, justamente na hora em que for requisitado, o operador pode descobrir que um transistor de saída está queimado, ou a válvula de bloqueio está emperrada. Complicado não?

“Sistemas de shutdown exigem critérios de projeto e manutenção mais cuidadosos para diminuir o risco a um nível aceitável”, explica Vitor Finkel, uma das maiores autoridades brasileiras no assunto.

Falhas como essa podem acontecer, por exemplo, em caldeiras: a chama se apaga, mas a válvula não interrompe a vazão de gás. Por isso é necessário que o instrumento apresente o diagnóstico e que o software preveja o tratamento da informação.

A saída é desenhar um projeto onde o sistema seja testado periodicamente – e com certa redundância, como requerem as normas IEC-61508 e IEC-61511 (européias) e S-84.01 (americana) para Safety Instrumented Systems (SIS) e Safety Integrity Level (SIL).

Com base num estudo de Análise de Riscos de Processo (PHA), o usuário determina o nível SIL de uma função de segurança – que varia do nível 1 ao 4, dependendo do impacto de um acidente.

É a partir dessa classificação que o projeto de automação será desenhado – com redundância de instrumentação, separação do sistema de controle regulatório ou até mesmo codificação de um CLP.
“O primeiro passo é buscar alternativas para reduzir o grau de risco, antes de adotar qualquer dispositivo. Outros procedimentos, que podem ser simplesmente a alteração de uma rotina de trabalho ou a retirada de um equipamento de um local, pode reduzir o grau de risco, sem a necessidade de comprar ou alterar um sistema específico”, comenta Sidney Possuo da Cunha.

A Braskem, por exemplo, vem substituindo os antigos painéis de relés por um sistema instrumentado de segurança nas unidades de PVC de Alagoas e Bahia. O primeiro passo foi analisar e classificar as malhas de segurança existente e, na seqüência, o emprego da metodologia Lopa (Layer of Protection Analysis) – uma técnica semi-quantitativa focada no estudo das camadas de proteção existentes em cada situação de risco.

O projeto, desenvolvido pela Chemtech, avaliou cerca de mil malhas de segurança em cada unidade, gerando as recomendações quanto à arquitetura de separação do controle e à redundância pertinentes para o atendimento às normas de segurança. Entre as malhas avaliadas, 32% foram classificadas acima de SIL1 (no máximo como SIL2) e, através de uma análise detalhada, foi possível reavaliar algumas malhas inicialmente classificadas como SIL 3, o que diminuiu significantemente o custo final do sistema SIS.