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Controle de Processos

Redundância do Elemento Final de Controle – Uma necessidade real em Aplicações Críticas

Isso vem de encontro a uma demanda REALMENTE NECESSÁRIA do mercado de automação de máquinas e processos no Brasil, que busca a cada dia mais sistemas instrumentados de segurança, de alta disponibilidade e, confiabilidade, especialmente sistemas baseados em SIL da norma IEC 61508, com características de redundância, de forma garantir menos paradas indesejadas e, menos manutenção.

Focaremos neste artigo o uso de válvulas eletro-hidráulicas redundantes especificas para o controle e acionamento de servo-motores em turbo-compressores (usados em refinarias de petróleo, plataformas e, petroquímicas) e turbo-geradores ( usinas térmicas e, hidrelétricas), embora sua aplicação seja muito mais ampla, sem falar de outros tipos de elementos finais de controle que também podem ser duplicados. O assunto é bastante relevante, mas pouco abordado no Brasil.

 

Introdução:

As primeiras aplicações de válvulas eletro-hidráulicas redundantes em turbinas hidráulicas e à vapor datam do fim da década de 70, nos Estados Unidos. Estas válvulas eram aplicadas em usinas térmicas, hidrelétricas e, refinarias de petróleo, geralmente em máquinas de médio e grande porte. As válvulas geralmente eram e, são montadas em Skids.

O que motivou ( e motiva até hoje ) o emprego de válvulas eletro-hidráulicas ( ou pneumáticas ) redundantes, além da criticidade do processo ou máquina controlada, é o simples fato de que o índice de falhas em sistemas de controle esta, estatisticamente falando, concentrado majoritariamente no elemento final de controle ( válvula eletro-hidráulica ) e, não no elemento primário de controle ( controlador digital ou analógico ).

Figura 1 – Exemplo de Elemento Primário e Final de Controle em Turbina à Vapor
Figura 1 – Exemplo de Elemento Primário e Final de Controle em Turbina à Vapor
Figura 2 – Exemplos de Válvulas Eletro-Hidráulicas de 3 vias usadas em turbinas à vapor e turbinas hidráulicas, que aceitam redundância, sendo a primeira Analógica (A)  e a segunda Digital (B)
Figura 2 – Exemplos de Válvulas Eletro-Hidráulicas de 3 vias usadas em turbinas à vapor e turbinas hidráulicas, que aceitam redundância, sendo a primeira Analógica (A) e a segunda Digital (B)

 

Onde mais ocorrem as falhas em sistemas de controle e sua razão:

As falhas em sistemas de controle ocorrem com mais frequência nos elementos finais de controle em campo, tais como válvulas, atuadores, contatores, etc.

A razão para isso é que estes elementos são justamente os que estão mais expostos as intempéries de campo, tais como vibração, movimentos e deslocamentos mecânicos, manipulação de fluidos sujeitos a contaminações (óleo, ar comprimido, etc.), chaveamento de altas correntes, variações bruscas de temperaturas, umidade, oxidação, entre outros.

Em segundo lugar estão os sensores de campo e, por último, os controladores digitais. O gráfico abaixo, elaborado após minuciosa pesquisa feita no mercado industrial dos Estados Unidos e de outros países, por engenheiros-consultores renomados daquele país, mostra em termos percentuais onde mais ocorrem as falhas nos sistemas de controle. Essa estatística inclusive é considerada hoje como universal no mercado de instrumentação.

Figura 3 – Resultado Pesquisa “onde mais ocorrem as falhas em sistemas de controle” -  Goble and van Beurden - A Statistical Study of SIF Designs – Distribution over 8,917 SIF’s – January/2006
Figura 3 – Resultado Pesquisa “onde mais ocorrem as falhas em sistemas de controle” – Goble and van Beurden – A Statistical Study of SIF Designs – Distribution over 8,917 SIF’s – January/2006

Embora existam alguns poucos casos de duplicação do elemento final de controle no Brasil, muitos poderão se perguntar, pelo gráfico acima, porque razão então se dá tão pouca atenção a duplicação dos elementos finais de controle no Brasil.

Existem inúmeras razões para isso ocorrer no Brasil, mas de maneira geral podemos dizer que o principal motivo é falta de conhecimento puro e simples sobre o assunto e, pouca familiaridade dos usuários de equipamentos com a norma IEC 61508 e, as suas respectivas normativas SIL (Safety Integrated Level).

 

Quais as vantagens de usar uma válvula eletro-hidráulica redundante em turbina hidráulica ou turbina à vapor:

Elevado aumento da disponibilidade de máquina em casos de…

  • Contaminação de óleo ou ar comprimido;
  • Obstrução de tubulação;
  • Overshoot da bomba de óleo;
  • Falha na válvula eletro-hidráulica operante e, sua seguinte substituição On-Line pela válvula eletro-hidráulica reserva.

Além disso, as vantagens abaixo também são consideradas:

  • Comutação manual ou automática entre as válvulas eletro-hidráulicas;
  • Alimentação elétrica e/ou hidráulica da válvula simplex ou redundante;
  • Reparo à quente (substituição da válvula defeituosa sem parada de máquina);
  • Teste de vida on-Line (comutação entre válvulas, sem parada de máquina, para verificação de sanidade do sistema de controle);
  • Aumento da confiabilidade do sistema;
  • Em conformidade com os sistemas SIF (Safety Integrated Function), baseados na norma IEC 61508, passível de certificação.
Figura 4 – Exemplo de Aplicação de Válvula Eletro-Hidráulica Redundante (elemento final de controle) em turbina. Neste caso, o elemento primário de controle (controlador digital) também poderia ser redundante
Figura 4 – Exemplo de Aplicação de Válvula Eletro-Hidráulica Redundante (elemento final de controle) em turbina. Neste caso, o elemento primário de controle (controlador digital) também poderia ser redundante
Figura 5 – Exemplo prático de aplicação de Válvula Eletro-Hidráulica Redundante, instalado em um turbo-compressor de uma empresa petroquímica de Santo André-SP
Figura 5 – Exemplo prático de aplicação de Válvula Eletro-Hidráulica Redundante, instalado em um turbo-compressor de uma empresa petroquímica de Santo André-SP
Figura 6 – Aspecto real de uma tela de configuração dos parâmetros de redundância de uma válvula eletro-hidráulica digital, usada em turbinas hidráulicas e turbinas à vapor
Figura 6 – Aspecto real de uma tela de configuração dos parâmetros de redundância de uma válvula eletro-hidráulica digital, usada em turbinas hidráulicas e turbinas à vapor
Figura 7 – Esquema elétrico típico do Skid de Válvulas Eletro-Hidráulicas Redundantes
Figura 7 – Esquema elétrico típico do Skid de Válvulas Eletro-Hidráulicas Redundantes
Figura 8 – Esquema hidráulico típico do Skid de Válvulas Eletro-Hidráulicas
Figura 8 – Esquema hidráulico típico do Skid de Válvulas Eletro-Hidráulicas

 

Conclusão:

Fica evidente a necessidade de se atentar mais com os elementos finais de controle em aplicações criticas. Como apresentado, a ocorrência de falhas concentrada majoritariamente nesta parte dos sistemas de controle justificam o investimento e, demonstram a necessidade de uma mudança cultural nos projetos de automação e, instrumentação, sem falar nos benefícios trazidos por esse tipo de implementação e, maior adequação as normas SIL – IEC 61508.

 

Referências Bibliográricas:

  1. Manual 26448 – Rev. D – CPC II  Digital Redundant Valve for Turbines – Woodward Governor Company
  2. Manual 37839B – Rev. B – Redundant Duplex CPC Skid Assembly – Woodward Governor Company
  3. “Onde mais ocorrem as falhas em sistemas de controle” – Average Probability of Failure on Demand – Goble and van Beurden – A Statistical Study of SIF Designs – Distribution over 8,917 SIF’s – January/2006
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Ronaldo Silva

Perfil Profissional: Engenheiro brasileiro de Automação & Controle, com 21 anos de experiência, nascido e, residente em Campinas-SP. Possui também formação técnica em Eletrotécnica e, Instrumentação & Controle. . Atua no ramo de automação industrial desde 1996, tendo trabalhado neste período nas empresas Grantécnica ( área técnica e, produção ), Altus ( assistência técnica e, engenharia ) e, Woodward ( área comercial e, projetos ). . Especialista em automação e, instrumentação industrial de máquinas e processos, com atuação nos segmentos de geração de energia ( UHE´s e UTE´s ), Açucar & Etanol, Papel & Celulose, ÓIeo & Gás, Siderúrgico e, Máquinas. . Além do conhecimento técnico e, boa bagagem teórica nas áreas afins da Eletro-Eletrônica, Controle, Mecânica, Hidráulica, Termodinâmica entre outras, possui boa experiência de gerenciamento comercial e, boa capacidade de transformação do conhecimento multidisciplinar acumulado em resultados. A rede de relacionamento comercial-técnica é extensa, firme e, em alguns casos, extrapola as fronteiras nacionais. Possui artigos técnicos de autoria própria publicados em mídias tradicionais-especializadas de circulação nacional. Boa familiaridade com normas mais comuns da área, tais como a IEC 61131, Norma SIL ( IEC 61508 ), API, NEMA, IEC 61850, ANSI entre outras. Experiência internacional, através de viagens profissionais para os Estados Unidos, Alemanha, Chile e, Perú. . Outras atividades profissionais incluem: . - Trabalho voluntário ( 4 anos ); . - Sociedade no Grupo TRL ( www.grupotrl.com.br ) - pequeno grupo empresarial do segmento automotivo de Campinas-SP; . - Membro da ISA-Seção Campinas . - Blogueiro Técnico

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19 Comentários

  1. Ronaldo, eu trabalhei na implementação desse sistema na turbina da GE na unidade petroquímica Braskem em Santo André e estou orgulhoso ao ver que esse controle de governador redundante foi dado como exemplo pratico de aplicação. Realmente, em casos como estes a filosofia da automação redundante traz muito benefícios que acabam justificando seu investimento, principalmente no que tange a confiabilidade e disponibilidade do equipamento.
    Parabéns pelo artigo publicado.

  2. Ronaldo,

    Toda a vez que me deparo com solução redundantes me faço a seguinte pergunta: Há algum estudo de confiabilidade, tipo FMEA, que valide a proposta, e qual é o ganho de quantitativo confiabilidade da solução simplex e da solução redundante? P.ex., se tenho um sistema simplex com 99,999% de confiabilidade e outro redundante de 99,9995%, será que vale a pena investir no redundante?

    Outro ponto é que apesar do sistema redundante ter 2 CPC e até 2 Governadores, ainda temos um elemento em comum, que é o sistema de transferência? Qual é a confiabilidade deste sistema?

  3. Bom dia João ! Sim, existem estudos que empregam cálculos estatísticos para se chegar nas conclusões de níveis de confiabilidade de sistemas, não sei se o FMEA seria uma ferramenta adequada para isso, mas enfim. Estes cálculos inclusive são a parte mais considerada na hora de uma certificadora internacional reconhecida aprovar determinado sistema ou não. O estudo de confiabilidade leva em conta o MTBF e MTTR de um sistema, mais ou menos igual a uma associação série-paralelo de resistores ( em alguns casos, até capacitores ) para se chegar nos valores. Qto a valer a pena de investir ou não num sistema redundante, o que vai determinar é o custo de hora parada de determinado processo ( não somente isso, mas também a criticidade ), isso é o que vai justificar prioritariamente o investimento. Uma forma simples de vc avaliar talvez seja comparar o cálculo da TIR do investimento com o custo de processo parado… Acredito que este seja o melhor caminho… Agora um ponto muito relevante nesse artigo é que observo no Brasil se duplicar muito a parte eletrônica, e, não a parte de comando, de válvula. Não que não seja importante duplicar o eletrônico, é importante sim, mas mais importante é duplicar a válvula de comando, como detalhado aqui. Muito obrigado por apreciar o artigo e, um grande abraço, Ronaldo – ronaldo-jsilva@bol.com.br

    1. João, só complementando a resposta: O Skid de transferência da Woodward é muito confiável, agora existem Skid´s feitos por terceiros, por estes não tem como dar opinião… Abraço,

      1. Ronaldo,

        Novamente, muito confiável é um termo vago. Há algum estudo de confiabilidade com valores quantitativos? Sem um estudo quantitativo como se pode afirmar que é “muito” confiável.

        1. Outro ponto, para que eu realize um estudo econômico é necessário saber qual é o ganho de confiabilidade do sistema redundante em comparação com o sistema redundante. Teria como me enviar os estudos de confiabilidade deste sistema. Agradeço.

        2. João, sim existem estudos de confiabilidade, baseado em metodologias técnicas e, consequente quantificação em números… Tem que existir João, pois os equipamentos precisam provar o grau de disponibilidade e, reparabilidade através destes ensaios, especialmente se quiserem obter a certificação SIL – IEC-61508… Abraço,

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