Modernização do Sistema de Controle e Monitoração da Propulsão e Auxiliares das Fragatas Classe Niterói. Uma Grande Experiência de Engenharia

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1 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 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

2 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. 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 modernização envolveu projetar um sistema digital de controle distribuído

3 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 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 do Sistema - Arquitetura de Hardware e Software O sistema SCMPA compõe-se dos seguintes subsistemas: a. de Operação Normal b. 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 (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 préprogramadas para manobra e ajuste fino para velocidade de cruzeiro.

4 b - Subsistema de Aquisição de Dados e Controle da Planta Toda estratégia de controle é implementada em software padrão IEC , 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.

5 forma a não carregar desnecessariamente o software de simulação. 5. Projeto do Produto 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 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 , 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

6 de processos disponíveis internacionalmente (padrão IEC ), 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) Visão Geral do Sistema

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