X CONGRESSO NACIONAL DE EXCELÊNCIA EM GESTÃO 08 e 09 de agosto de Introdução

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1 ISSN APLICAÇÃO DO MÉTODO AHP CLÁSSICO NA ESCOLHA DE UM MODELO DE CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) PARA A INSTALAÇÃO EM UM NOVO PROJETO DE PLATAFORMA MARÍTIMA Édio Pereira Neto, Vinícius W. M. M. C. De Paiva, Edwin Benito Mitacc Meza, Dalessandro Soares Vianna (Universidade Federal Fluminense - UFF / Petróleo Brasileiro S.A. - PETROBRAS) Resumo: Um Controlador Lógico Programável (CLP) é um equipamento industrial que processa uma lógica, adquirindo sinais de variáveis físicas em canais de entrada, e após o processamento interno, envia sinais proporcionais aos canais de saída para acionar cargas externas. A escolha de um CLP para aplicação industrial é uma tarefa que deve considerar diversos fatores, tomando como base os critérios técnicos, de qualidade e de compras. Este artigo utiliza o software Expert Choice, para aplicar o Método de Análise Hierárquica (AHP - Analytic Hierarchy Process) visando auxiliar a decisão da escolha do modelo de um Controlador Lógico Programável (CLP) a ser instalado em uma Plataforma de petróleo, que possui uma planta de processamento primário. São analisados três modelos dos principais fabricantes de CLP do mercado atual. Palavras-chaves: AHP; CLP; Plataforma de petróleo

2 1. Introdução Uma planta de processamento primário de petróleo de uma Unidade Estacionária de Produção ou Plataforma de petróleo tem por finalidade receber o óleo bruto proveniente dos poços de produção e separar em três fases distintas: água, óleo e gás. Segundo Thomas (THOMAS, 2004) para realização de tal processamento, as plataformas dispõem de uma série de instrumentos de medição de variáveis físicas e elementos de controle que são integrados em malhas, através de um controlador de aplicação industrial, automatizando as ações na separação e tratamento dos seus produtos finais. De acordo com Groover (GROOVER, 2001), a automação industrial é a tecnologia utilizada para completar um processo sem a participação do ser humano. Tal tecnologia envolve a utilização de sensores de diversas grandezas físicas (pressão, temperatura, vazão, etc.), que enviam sinais de entrada para controladores, onde são executados programas de instruções, resultando em sinais de saída para atuadores (bombas, válvulas, compressores, etc.) que irão alterar o processo, com a finalidade de manter as variáveis nos valores de referência pré-determinado no controlador. Dentre os diversos tipos de controladores de aplicação industrial, o Controlador Lógico Programável (CLP) possui grande utilização em diversos processos, apresentando ótimo desempenho no controle destes. Segundo Bolton (BOLTON, 2014) um CLP é um sistema baseado em microprocessador que usa memória programável para executar instruções e implementar funções como lógica sequencias, temporizadores, funções aritméticas, visando controlar máquinas e processos. E no projeto de uma nova planta de processamento de petróleo, a escolha do CLP ideal se depara com diversas especificações a serem levadas em conta, tais quais: número de elementos de entrada e saída, tipo dos sinais (analógicos ou digitais), acessórios suportados, comunicação com outros equipamentos, entre tantos outros. É importante ressaltar, que existem no mercado diversos modelos disponíveis quando se pretende atender às especificações de um projeto, o que pode tornar o processo de decisão da compra de um determinado CLP uma tarefa árdua. Assim, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma ferramenta baseado no modelo AHP (Analytic Hierarchy Process), proposto por Saaty (SAATY, 1991), que permita auxiliar na identificação da melhor oportunidade na aquisição de um Controlador Lógico Programável (CLP), que atenda as especificações para utilização em uma futura plataforma marítima de produção de petróleo. Na seção 2 é discutido o processo de tomada de decisão, seus elementos principais e quais as suas consequências. A seção 3 descreve o problema previamente apresentado, onde existe mais 2

3 de uma opção de Controlador Lógico Programável que atenda as especificações para ser instalado em um novo projeto de plataforma marítima. Os aspectos conceituais dos critérios, levantados com auxílio de manuais de operação e especialistas, são descritos na seção 4. Na seção 5 são apresentados os passos utilizados na aplicação do método AHP clássico para este caso, e finalmente na seção 6 são apresentadas as conclusões. 2. O processo de tomada de decisão Um processo de tomada de decisão pode tornar-se algo mais complexo do que simplesmente preferir A em relação a B, a depender das consequências da escolha. Muitas vezes uma decisão errada pode trazer consequências catastróficas, principalmente na indústria. Para evitar este tipo de situação, uma análise criteriosa, bem estudada e formada por uma equipe de especialistas faz-se necessário para que seja feita a melhor escolha. Russo e Schoemaker (1993) dividem o processo de tomada de decisões em quatro fases: Fase I Estruturar: Definir o que deve se decidir e determinar critérios para preferir uma opção em relação à outra; Fase II Coleta de informações: Procurar fatos reconhecíveis e "não-reconhecíveis", necessários para tomar a decisão; Fase III Conclusões: Considerar que uma estruturação perfeita e boas informações não garantem uma decisão correta, pois mesmo com dados de qualidade, critérios intuitivos não irão auxiliar em boas decisões; Fase IV Aprender com o feedback: Manter o acompanhamento do que se esperava. Para o item de conclusões, um método bastante utilizado é o AHP, que foi desenvolvido pelo professor Thomas Saaty (SAATY, 1991) para auxiliar em decisões que possuam diversos critérios a serem levados em consideração. Este método divide-se em três etapas: a) Decomposição modelagem do problema de decisão em uma rede hierárquica, com o objetivo central no topo e critérios, subcritérios e alternativas abaixo (Figura 1). b) Julgamentos comparativos com ajuda dos integrantes do grupo de decisão são construídas matrizes para efetuar comparação entre critérios e subcritérios em cada faixa da hierarquia. Para tal, Saaty em (SAATY,1991) apresentou uma escala de comparação para expressar a preferência de uma alternativa em relação a um determinado critério, 3

4 conforme Tabela 1. Cabe ressaltar, que nesta etapa também é analisado a consistência dos julgamentos. c) Síntese de prioridades calcula-se um peso composto para cada alternativa baseada em preferências derivadas da matriz de comparação. Objetivo Global Critério 1 Critério 2 Subcritério 1.1 Subcritério 1.2 Subcritério 2.1 Subcritério 2.2 Subcritério 2.3 Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Figura 1 Modelo hierárquico Tabela 1: Escala Fundamental de Saaty Intensidade em escala absoluta Definição 1 Igual importância Explicação As duas atividades contribuem igualmente para o objetivo 3 Importância pequena de uma sobre a outra A experiência e o juízo favorecem uma atividade em relação à outra 5 7 Importância grande ou essencial Importância muito grande ou demonstrada 9 Importância absoluta A experiência ou juízo favorece fortemente uma atividade em relação à outra Uma atividade é muito fortemente favorecida em relação à outra. Pode ser demonstrada na prática. A evidência favorece uma atividade em relação à outra, com o mais alto grau de segurança. 2, 4, 6, 8 Valores Intermediários Quando se procura uma condição de compromisso entre duas definições Fonte: Thirumalavaisan e Karmegan (2001) 4

5 Detalhes sobre a descrição do fundamento matemático deste método, podem ser encontrado em Costa (2006). Cabe ressaltar, que na literatura existem diversos trabalhos que abordam a revisão da literatura sobre as aplicações desta metodologia, destacando-se o trabalho de Vaidya e Kumar (2006), cujo artigo teve por finalidade abordar um conjunto de trabalhos, que poderiam ser de grande interesse para os pesquisadores e profissionais interessados na aplicação desta metodologia. 3. Descrição do problema de escolha de CLPs A automação industrial tem total participação na segurança dos processos, através da operação remota de equipamentos, melhor interação com o operador e diagnósticos mais precisos; na qualidade dos produtos, otimizando os processos, reduzindo desperdícios e aumentando o nível de controle; e na preservação do meio ambiente. Nesse contexto, a escolha do controlador ideal se faz necessária para garantir a otimização do processo, a continuidade operacional, além de preservar a segurança do processo, das pessoas e do meio ambiente. Considerando-se um projeto de uma plataforma marítima de produção de petróleo, que apresenta certa complexidade, os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) indicados no mercado são do tipo modular com cartões de entrada e saída distribuídos. Ou seja, sua fonte de alimentação, CPU, cartões de barramento de entrada e saída, cartões ethernet e de comunicação com outros dispositivos são separados em módulos e podem ser substituídos independentemente, se contrapondo aos CLPs do tipo compactos, onde todos estes componentes estão encapsulados em um só módulo. Ao buscar um equipamento que atenda as especificações da futura planta de processo, que previamente já tem definido: a quantidade de sensores (dispositivos de entrada), a quantidade de atuadores (dispositivos de saída), a voltagem de alimentação, o processo na qual será utilizado, condição ambiental a que ficará exposto bem como requisitos de comunicação, de processamento e de software, as opções apresentadas para atendê-las não são poucas. Com estas especificações de projeto atendidas por mais de uma opção de equipamento, é necessário analisar outros critérios para determinar qual destes será instalado na planta em questão. É então que a utilização de um método de auxílio multicritério à decisão é importante. Para o levantamento dos principais aspectos que devem ser considerados na escolha do equipamento, foram consultados manuais técnicos e três especialistas em manutenção e operação 5

6 com os mesmos. O objetivo, neste caso, foi definir aspectos relevantes a serem levados em conta no processo de decisão, que será descrito na próxima seção. 4. Aspectos relevantes no processo decisório A definição dos parâmetros de decisão é importante para aplicação posterior na ferramenta de tomada de decisão. Portanto, a seguir são definidos os aspectos relevantes para a escolha de um Controlador Lógico Programável no projeto de uma plataforma marítima: a) Tamanho Físico: devido a que os CLPs serão instalados em uma plataforma de petróleo, onde espaço para instalação de equipamentos deve sempre ser levado em consideração, quanto menor a dimensão dos CLPs e de seus componentes melhor; b) Valor: este é um aspecto importante para qualquer equipamento, porém no caso dos CLPs o custo/benefício deve ser mais relevante do que somente o preço em si, pois um equipamento mais barato e menos eficiente pode trazer prejuízos maiores posteriormente; c) Velocidade de Processamento: um dos principais componentes do CLP é a CPU (Central Processing Unit), responsável por processar todos os dados do equipamento. O tempo em que ele é capaz de fazer a leitura dos sinais de todos os sensores (dispositivos de entrada), executar a lógica e enviar os sinais para os atuadores (dispositivos de saída) é chamado de tempo de scan, e isso varia de CLP para CLP. Portanto, torna-se um aspecto fundamental na escolha do mesmo; d) Memória Disponível: cada CLP possui uma quantidade de pontos disponíveis para que seja desenvolvida a lógica de intertravamento a ser processada. Para uma planta complexa, tal qual a de uma plataforma, este é um fator que deve ser levado em consideração, pois no caso de atingimento do limite, um novo equipamento deverá ser implementado; e) Confiabilidade: segundo os especialistas, o uso de experiências anteriores com cada uma das marcas disponíveis, baseado em probabilidade ou frequência de falhas e a facilidade de identificação e correção destas, permitem definir a confiabilidade de cada um dos equipamentos e prever as chances da continuidade operacional de acordo com a escolha; f) Interoperabilidade: filosofia na qual os fornecedores de hardware e software concordam em obedecer padrões e normas de produção que permitam a troca de dados entre seus produtos. Este item é de suma importância, pois alguns fornecedores trabalham 6

7 com protocolos de comunicação proprietário, que não permitem troca de dados com equipamentos de outros fabricantes; g) Treinamento: o conhecimento dos profissionais que irão realizar a instalação e operação dos equipamentos deve ser levado em consideração, a fim de garantir uma manutenção preventiva e corretiva de qualidade, otimizando a produção; h) Tempo de Fornecimento: o CLP possui diversos cartões que por algumas vezes precisam ser substituídos. A agilidade e capacidade de suprimento de sobressalentes das empresas, quando solicitado, é um fator essencial na garantia do funcionamento contínuo do equipamento; i) Suporte: um equipamento que opera initerruptamente e que toda a planta de processo dependa dele, também necessita de suporte técnico para qualquer eventualidade. A qualidade e o tempo de resposta para este serviço podem ser fundamentais na escolha da marca do CLP agregando maior confiabilidade ao mesmo. 5. Aplicação do método AHP e análise dos resultados Uma vez definidos os aspectos relevantes do problema, foram agrupados em três critérios principais: Técnicos, Qualidade e Compras. Para a seleção do CLP foram definidas as seguintes premissas: a) Tipo de Aplicação: Plataforma de Produção de Petróleo b) Número de entradas analógicas: acima de 450; c) Número de saídas analógicas: acima de 200; d) Número de entradas digitais: acima de 960; e) Número de saídas digitais: acima de 960; f) Tensão de Alimentação: 24 Vcc. Com base nessas premissas, foram definidos três modelos de CLPs de três fabricantes diferentes. O modelo A é de uma empresa norte-americana de mais de 50 anos de mercado, que fornece controladores lógicos programáveis, cartões de instrumentos de entrada/saída, Interfaces Homem-Máquina e softwares de automação. Dentre os CLPs, estão disponíveis os do tipo compacto, modular e modular de expansão de entrada/saída, sendo esse escolhido para análise, por ser mais utilizado em plataformas marítimas e por ser mais complexo. O modelo B é de um conglomerado de engenharia europeia, voltada para indústria, energia e medicina. Dentro do segmento de indústria, está a automação, com produtos de controle 7

8 regulatório, controle numérico, softwares, máquina-ferramentas, instrumentação industrial, entre outros. Também foi escolhido um CLP do tipo modular de expansão de entrada/saída. Já o modelo C é de um conglomerado americano que atua em diversos segmentos. No segmento de Soluções Industriais, possui amplas soluções para medição sensorial, monitoramento e controle. Como diferencial, tem uma fábrica de seus componentes no Brasil. Foi escolhido o seu CLP mais moderno, também modular de expansão de entrada/saída. Na Figura 2, é apresentada a estrutura hierárquica para o modelo proposto para escolha do CLP, com os modelos para escolha, os critérios e subcritérios utilizados no método. ESCOLHER CLP TÉCNICOS QUALIDADE DE COMPRA VELOCIDADE PROCESSAMENTO MEMÓRIA DISPONÍVEL INTEROPERABILIDADE VALOR TREINAMENTO TEMPO DE FORNECIMENTO CONFIABILIDADE SUPORTE Figura 2 Estrutura hierárquica para o modelo proposto para escolha de um CLP A próxima etapa foi realizar a comparação entre os critérios principais e os subcritérios com os modelos selecionados, baseado nas ponderações dos especialistas. Para tal foram elaborados matrizes de comparação, representadas no Quadro 1 e nas Figuras 3 e 4. OBJETIVO TÉCNICOS DE QUALIDADE CRITÉRIO DE COMPRAS 8

9 TÉCNICOS DE QUALIDADE CRITÉRIO DE COMPRAS / /3 1/7 1 TOTAIS 1,67 4,14 11,00 Quadro 1 Matriz de comparação entre os critérios Figura 3 Matrizes de comparação entre subcritérios Tamanho Físico Confiabilidade Interoperabilidade A B C A B C A B C A A A 1 1/2 1/3 B 1/2 1 2 B B 2 1 1/2 C 1/3 1/2 1 C 1/2 1/2 1 C Processamento Qualidade Suporte Treinamento A B C A B C A B C A 1 1 1/2 A A B 1 1 1/2 B 1/5 1 1/3 B C C 1/3 3 1 C Memória Disponível Valor Tempo Fornecimento A B C A B C A B C A A A B 1/2 1 1/2 B 1/3 1 1/2 B 1/2 1 1 C C 1/2 2 1 C 1/2 1 1 Figura 4 Matrizes de comparação entre os modelos e os subcritérios 9

10 Após a definição de todos os dados, foi utilizado o software ExpertChoice para auxiliar a escolha do melhor modelo de CLP. A Figura 5 mostra o resultado dos pesos dos critérios em relação ao objetivo geral: Figura 5 Pesos dos critérios em relação ao objetivo geral É possível visualizar na figura que o critério de maior relevância, com 0,669, foi a Qualidade, que leva em consideração as visões de confiabilidade e de qualidade do suporte prestado pelo fornecedor. Cabe ressaltar, que foi obtido um valor máximo de 0,00669 de Razão de Consistência (RC), e como este valor é menor que 0,1 pode-se concluir que os valores das prioridades relativas utilizadas estão consistentes. Comparando-se os subcritérios, por exemplo do Critério Técnico o mais importante foi a Velocidade de Processamento (0,508), da Qualidade foi a Confiabilidade (0,750), e no Critério de Compra foi o Treinamento (0,584). Após o cruzamento entre todas as alternativas, em todos os subcritérios e critérios, pode-se determinar a prioridade final de cada uma das alternativas em relação ao objetivo global, conforme mostrado na Figura 6. Assim, pode-se notar que o modelo A se mostra como melhor opção, com um grau de priorização de 0,404 em relação ao modelo B com valor de 0,317 e o modelo C com um valor de 0,279. Figura 6 Diagrama em barras do resultado final 10

11 6. Conclusão Este trabalho tratou da escolha de um Controlador Lógico Programável a ser instalado em uma planta de processamento de petróleo de uma plataforma, onde foram selecionados para análise três dos principais modelos de CLP em evidência no mercado atual, de empresas consolidadas na área de automação industrial. A aplicação do método AHP é uma excelente ferramenta para suporte à decisão em situações que possuem múltiplos objetivos. Pode-se perceber sua eficiência devido ao fato dos equipamentos apresentados possuírem características de desempenho muito semelhantes, o que dificulta a escolha de um deles. Conseguiu-se então provar que o modelo A é o mais adequado tratando-se de uma aplicação em plataformas marítimas de produção de petróleo. Referências AZEREDO, J. S.; JUNIOR, G.G.P.; SANTOS, R.B.O.; BARRETO, D.N.S.; GONÇALVES, T.J.M. Utilização do método de Análise Hierárquica (AHP) para a seleção de um Sistema Integrado de Gestão (ERP), XXIX Encontro Nacional de Engenharia de Produção, Salvador, BOLTON, W. Instrumentation and Control Systems, Elsevier Science & Technologies Books, COSTA, H. G. Auxílio multicritério à decisão: método AHP. Rio de Janeiro: ABEPRO, FERRABOLI JÚNIOR, R. Exercício real de decisão com a aplicação do método Analytic Hierarchy Process (AHP), Revista Integração, Universidade São Judas Tadeu, Ano XII, n.46, p , GROOVER, M. P. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura, 3ª ed., São Paulo: Ed. Pearson, RUSSO, J. E.; SCHOEMAKER, P. J. H. Tomada de decisões armadilhas, São Paulo: Ed. Saraiva, SAATY, T. L. Método de Análise Hierárquica, 2ª ed., Rio de Janeiro, Makrom Books, THIRUMALAIVASAN, D.; KARMEGAM, M. Aquifer vulnerability assessment using Analytic Hierarchy Process and GIS for upper palar watershed. 22nd Asian Conference on Remote Sensing, Singapura, 2001 THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Interciência, v. 2, p , VAIDYA, O. S.; KUMAR, S. Analytic hierarchy process: An overview of applications. European Journal of operational Research, n.169, p. 1-29,

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