A Marinha do Brasil encarregou, em 1998, o Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo, a tarefa de projetar um novo Sistema de Controle e Monitoração da Propulsão e Auxiliares(foto acima dos consoles a noite) para as suas Fragatas Classe Niterói. A modernização implicou em projetar um sistema digital de controle distribuído que realizasse todas as funções do sistema original e, ainda, devido as facilidades decorrentes da implementação funcional em software(programs de computador), acrescentasse inúmeras funções identificadas como de interesse ao longo da prática operacional de mais de vinte anos. Envolveu ainda a introdução de controle eletrônico para os motores diesel e a substituição de enlaces de sinais pneumáticos, de difícil manutenção, por enlaces elétricos. Finalmente com o objetivo de validar o projeto do novo sistema de controle, foi desenvolvido um simulador da planta propulsora e auxiliares com algoritmos implementados, sendo executado em tempo real. Foi ainda estabelecido um orçamento restrito e um prazo exíguo para a realização de tal desenvolvimento, de forma que a obtenção do novo sistema dentro do País fosse competitiva com os custos e prazos do mercado internacional. Seguindo a política de repasse de tecnologia para a produção dos insumos para a MB por Empresas Nacionais, o CTMSP selecionou a Empresa Phoenix Contact com sede no Estado de São Paulo, como uma das fornecedoras de componentes para o Sistema de Propulsão do ModFrag.
Uma Grande Experiência de Desenvolvimento Tecnológico*
As fragatas da Classe
Niterói
foram projetadas e construídas durante a década
de 1970. Seu sistemas internos utilizam tecnologia da década de 1960 e
disponíveis comercialmente para instalação a bordo de navios de guerra no início do projeto das fragatas.
A
foto ao lado serve para ilustrar a concepção de uma casa de máquinas com
sistemas analógicos, muito próximos aos existentes nos navios da Classe
Niterói. Esses sistemas, no século 21, estão chegando no final de sua vida
útil, a qual é determinada pela impossibilidade de poderem ser recuperados por
manutenção preventiva e corretiva. Além do alto custo para manter sistemas
sem mais peças de reposição disponíveis no mercado, compensando em larga
escala sua substituição completa.
O Problemas dos Sistema de Controle e Monitoração da Propulsão e Auxiliares(SCMPA) das Fragatas NITERÓI
As fragatas Classe "Niterói" são navios que dispõem de dois eixos, com hélices de passo variável, e podem ser propulsionados 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. Esses diferentes pares para cada configuração de máquinas são associados a uma figura de demanda de potência propulsora denominada DESSI. Assim, quando se solicita um determinado valor de DESSI, o sistema automaticamente ajusta suas máquinas de forma a se obter o par rotação/passo pré-programado para atender ao comando.
A modernização envolveu projetar um sistema 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, por enlaces elétricos. Envolveu ainda o projeto de um simulador da planta propulsora e de auxiliares que permitisse validar o novo sistema em desenvolvimento.
1- Estratégia de Projeto
A estratégia de projeto visou o domínio total do conhecimento funcional do sistema, da implementação de software aplicativo e da integração do sistema. Devido ao prazo limitado de obtenção, cerca de dois anos do início do projeto aos testes de aceitação de fábrica, a estratégia de "outsourcing" foi fundamental. Todos os insumos que puderam ser identificados como adequados e possíveis de obtenção em qualquer fornecedor a nível nacional e internacional foram considerados. Foram desenvolvidos "in house" os insumos não disponíveis comercialmente, como a condução técnica do projeto, a engenharia de sistemas, a técnica de modelagem e de controle de processos, a técnica de projeto da interface operacional (MMI), o desenvolvimento de software, alguns módulos de hardware de características particulares e únicas para a aplicação nas fragatas, o projeto e fabricação dos consoles de operação e a montagem dos gabinetes eletrônicos.
Os aplicativos de software a serem utilizados, como parte da estratégia, deveriam ser maduros, de forma a minimizar "bugs" no próprio software de desenvolvimento, e serem, se possível, de largo uso no País, de forma a facilitar recrutamento de engenheiros de desenvolvimento. A tendência de uso de aplicativos compatíveis com Windows NT também foi explorada, devido ao seu uso crescente no mercado, dirigindo, dessa forma, a arquitetura de "hardware" para o ambiente de processadores Pentium Intel. O uso de PLCs, apesar de facilitar a programação, foi abandonado por se constituírem em arquiteturas proprietárias e que tornariam a implementação do sistema dependente de determinados fornecedores.
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.
2- Organização do Trabalho
A equipe de projeto foi estruturada em grupos funcionalmente coesos e a interação entre esses grupos foi facilitada e estimulada por um ambiente sem barreiras físicas e que induzia ao trabalho em conjunto de forma natural.
Os grupos de projeto atuaram nas áreas de sistemas, responsável pelo projeto global e suas interfaces; de arquitetura e eletrônica, responsável pela validação da arquitetura de hardware e software, pelo projeto elétrico dos gabinetes e consoles e pelo projeto de módulos de hardware não disponíveis comercialmente; de modelagem e controle de processos, responsável por realizar por engenharia reversa a modelagem de todos os elementos da planta propulsora e dos algorítmos de controle; de interface homem máquina, responsável por levantar todas as características operacionais do sistema original e projetar a interface operacional do novo sistema; de produto, responsável pelo projeto físico dos consoles e gabinetes do novo sistema, em atendimento a requisitos militares para os ambientes de vibração, choque, salinidade, eletromagnético e umidade previstos em operações navais; e de documentação, responsável por desenvolver e elaborar toda a documentação a ser transferida ao usuário para operação e manutenção do sistema.
Esses grupos foram permanentemente acompanhados, coordenados e estimulados por uma gerência técnica que verificou a consistência entre planejamento, ações e resultados obtidos, e garantiu o fornecimento de insumos de forma a possibilitar que os trabalhos pudessem ser conduzidos de forma contínua e sem transientes.
3- Concepção do Sistema – Arquitetura do 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 das turbinas
de controle do passo
Cada um desses subsistemas foi concebido com arquiteturas particulares e interage com os demais através de interfaces definidas.
O subsistema de operação normal
é composto pelos consoles de operação(foto ao lado). Não entraremos nesta descrição na
forma de se conduzir a operação degradada, para a qual existem diversos
modos. Os consoles são nós de uma rede ethernet, sob Windows NT versão 4.0,
e o aplicativo de MMI (interface homem-máquina) é desenvolvido em Fix
Dynamics. Existe redundância entre esses nós de forma a se aumentar a
robustez do sistema. Um regra seqüencial permite se migrar a funcionalidade
entre consoles no caso de avaria. A concepção operacional básica do sistema
original, que corresponde à doutrina operacional normal em navios de guerra,
foi mantida. 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 velocidades de cruzeiro. O operador do console do Centro de
Controle da Máquina (CCM) recebe as solicitações do passadiço via telégrafo
e confirma ou não ao sistema a solicitação. Caso confirmado, o sistema
exerce automaticamente todo o controle sobre os componentes da planta,
mantendo o operador informado de toda a seqüência de eventos correntes, até
ser atingida a situação demandada.
Subsistema de aquisição de dados e controle da
planta é composto por dois gabinetes eletrônicos de aquisição de dados e atuação.
Cada gabinete controla um bordo do navio. A cablagem original do navio chega a
esses gabinetes e neles os sinais do 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 um dado bordo. As CPU
desse subsistema se comunicam com as CPU dos consoles de operação através
de uma rede dupla de fibra ótica, que provê redundância e comunicação em
alta velocidade, sem a possibilidade da perda de desempenho que ocorre numa
ethernet em caso de saturação de dados. Toda a 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. Esse
subsistema possui proteção por "watchdogs" 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).
Subsistema de controle dos motores diesel
é um sistema Woodward, já tendo sido 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. Os controladores
se comunicam de forma a manter o balanceamento de carga entre os motores de um
mesmo eixo. O sistema, dada a sua robustez, provê alta confiabilidade
operacional aos motores diesel, tornando ínfima a possibilidade de queda súbita
da velocidade do navio por avaria elétrica. Além disso, a regulação desses
controladores, conforme comprovado em teste de mar, é bem superior à dos
reguladores atuais dos motores diesel das fragatas. Esse sistema possui duas
unidades no CCM que permitem o controle manual da operação dos motores
diesel em caso de falha do subsistema de aquisição de dados e controle da
planta.
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 devido ao seu uso restringir-se a situações que requeiram altas velocidades.
Subsistema de controle do passo
é o mesmo original, tendo sido trocado o enlace pneumático de comando de
passo por um elétrico, e, além disso, acrescentada a capacidade de operação
remota a partir do CCM, em modo de "back-up", em caso de avaria do
subsistema de aquisição de dados e controle da planta. Também foi submetido
a teste no mar, tendo correspondido e apresentado desempenho mais confiável
que o original, que encontra-se degradado pelo uso.
O Simulador da Planta
Para possibilitar a validação dos algorítmos de controle da planta propulsora, assim como garantir um total entendimento da operação do sistema global de propulsão do navio (sistema de controle mais planta controlada), foi desenvolvido um simulador da planta. A implementação foi realizada utilizando o software de simulação MatLab. Inicialmente tanto os algorítmos de controle quanto a modelagem da planta foram realizados em MatLab. Após a validação funcional, os algorítmos foram implementados em software IEC 1131-3 e o modelo da planta permaneceu em MatLab, sendo executado na versão de tempo real.
O 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 permitesse alta produtividade na programação. Para a interface homem máquina foi utilizado Fix Dynamics, tanto por ser um produto bastante confiável, devido à 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 adotados pela US Navy.
Os requisitos 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 para o padrão IEC 1131-3 não dispõe de drivers comerciais. O desenvolvimento de drivers específicos para um 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.
Os gabinetes, onde se encontra um número maciço de componentes eletrônicos, foram todos projetados em CAD para que se estimasse sua capacidade de abrigar toda a eletrônica e, posteriormente, adquiridos em fornecedores capazes de gerar produtos dentro de normas militares. O projeto detalhado da montagem e sua implementação também foram atividades "in-house", de forma a se manter estrito controle sobre os custos de produção.
Integração do Sistema
A estratégia de software adotada para o projeto, baseando o trabalho em ambiente Windows NT, permitiu que a integração fosse iniciada desde cedo no ciclo de vida do projeto. Apesar de todo o hardware ter sido importado especialmente para o projeto, devido a sua não disponibilidade no País, pode-se casar o "timing" de aquisição com o de integração, de forma a minimizar atrasos decorrentes de indisponibilidade de ambiente de desenvolvimento.
O desenvolvimento da implementação do projeto teve, como embrião, a modelagem do sistema realizada em MatLab. Ali foi desenvolvida a funcionalidade inicial, tanto da MMI (Interface Homem Máquina) quanto do controle de processos. As interfaces entre os processos de software começaram a ser ali definidas e validadas. Quando a modelagem amadureceu, ela foi secionada em três partes. A do simulador da planta, que permaneceu em ambiente MatLab, migrando para um PC convencional que se tornou o núcleo do próprio simulador da planta; a do controle de processos, que foi reprogramada em software IEC 1131-3 (linguagem "ladder") e migrou para a CPU de controle de processos definitiva; e a de MMI, que foi programada em Fix e migrou para a CPU de MMI definitiva.
O desenvolvimento, a partir de então, ocorreu com o software de controle de processos sendo constantemente validado contra o do simulador e estabelecendo paulatinamente os necessários canais de comunicação com o software de MMI, através da rede de tempo real.
Paralelamente, a equipe de sistemas amadureceu a descrição do sistema e de suas interfaces enquanto interagia com as equipes de implementação, possibilitando um crescimento gradativo do núcleo do sistema e uma compreensão gradualmente crescente de sua funcionalidade.
O projeto e construção de consoles e gabinetes, em atendimento ao projeto de arquitetura, desenvolveu-se e, logo que foram se disponibilizando, estes receberam o software e passou-se a validar o software diretamente no hardware definitivo, aumentando a confiança no produto que surgia.
A estratégia de integração do sistema foi concebida como uma extensão natural da integração do trabalho decorrente de sua decomposição em equipes de alto grau de coesão interna e de fácil acoplamento entre si, segundo as normas da boa engenharia de sistemas.
Conclusão – Legado do Projeto
O processo de desenvolvimento do projeto, acima descrito, deixa claro que a abordagem de engenharia simultânea, que se torna clara na descrição da integração do sistema, onde as várias equipes de projeto cooperam desde o início na formulação do planejamento e na realização das atividades, é altamente eficaz na obtenção de resultados. O comprometimento de todos com o todo e o poder da indução da vontade do grupo sobre os indivíduos impulsionam o projeto, e o "momentum" que se adquire coopera para vencer os problemas que aparecem no dia a dia.
A formação de equipes de forma mapeada nas funções sistêmicas facilita o entendimento do trabalho a ser realizado. Cada engenheiro percebe melhor sua meta e a razão dessa meta para o sucesso global. Isto redunda em equipes de alto grau de coesão, por estarem concentradas em tarefas e uso de técnicas bem definidas e compreendidas, aumentando a segurança individual. Também facilita o acoplamento entre equipes, facilitado a partir da interação do dia a dia e de um ambiente sem fronteiras. E o aumento do diálogo entre as equipes torna mais claras as interfaces entre os próprios subsistemas do projeto.
Todas as novas tecnologias tem um preço considerável para sua absorção. Nada funciona sem esforço, e o suporte dos fornecedores é fundamental. Apesar de tudo, bom suporte não é a regra nesse mundo globalizado. A selva ainda impera no mundo da alta tecnologia. As informações dos fornecedores escondem problemas em seus produtos e deve-se tentar validá-las por testes piloto sempre que possível, antes de maiores comprometimentos.
Não estão disponíveis produtos sofisticados de engenharia no País. De qualquer forma, o grande custo de um projeto da natureza do apresentado neste texto ainda é o de mão de obra ou de serviços. Os custos dos demais insumos tem caído consideravelmente e, dessa forma, a decisão de se realizar projetos complexos no País pode proporcionar grande economia de divisas e gerar mercado nacional de trabalho de alto nível, o que é um dos fatores primários na disputa por mercados de exportação mais sofisticados e lucrativos.
* Este artigo foi originalmente escrito pelo Capitão Leopoldo Jorge de Souza, sendo modificado e adaptado pelo Infomar
