DOSSIER Grant Van Hemert Centro de Competência para Tratamento de Água - Schneider Electric E.U.A. Traduzido e adaptado por Hélio Alves - Schneider Electric Portugal
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TRATAMENTO DE ÁGUAS: A IMPORTÂNCIA DA REDUNDÂNCIA NO SEU SISTEMA Para fornecer um tratamento fiável de águas limpas e de águas residuais, as entidades gestoras devem proporcionar uma operação contínua 24 sobre 24 horas, com orçamentos reduzidos, estando atentos às constantes alterações regulamentares, às novas preocupações de segurança e às infra-estruturas desactualizadas. Para enfrentar esses desafios, muitos clientes estão a considerar uma actualização do seu actual sistema de automação ou a ponderar instalar sistemas de automação novos. Na análise de um projecto de automação a questão da redundância é frequentemente colocada. Mas o que é redundância e será que equivale sempre a um sistema hot standby?
O QUE É REDUNDÂNCIA? Redundância surge em múltiplas formas e é implícita em certos níveis de qualquer estação de tratamento. A forma mais básica de redundância requer a inclusão de um selector manual-desligado-automático para cada componente. Em modo automático, o sistema de controlo dirige o processo. Em modo manual esse controlo é ignorado, resultando num processo continuado de operação, mas com perdas de eficiência e/ou qualidade. Tomemos como exemplo uma vala de oxidação. A operação em modo automático pode regular o funcionamento dos arejadores com base nos níveis de oxigénio dissolvido. Em modo manual todos os arejadores estão ligados. Só assim podemos assegurar níveis adequados de oxigenação, sem monitorizar continuamente as condições do processo. Contudo, estamos a desperdiçar energia. Como alternativa, por vezes, uma etapa de processo pode ser contornada. Este procedimento é comum no processo de filtragem primário (Tamisação e Gradagem), no qual é normal existir um canal de bypass em torno da grade de filtragem. A utilização deste canal de bypass pode assegurar a continuidade de funcionamento da estação, mas pode levar à acumulação de partículas nas bacias e clarificadores a jusante, e consequente danificação de equipamentos.
Finalmente, a redundância pode ainda ser integrada no sistema de automação.
TRÊS TIPOS DE REDUNDÂNCIA EM AUTOMAÇÃO A redundância em automação pode ser implementada através de três métodos — cold-standby, warm-standby e hot-standby.
Redundância COLD-standby A redundância Cold-standby é indicada para processos em que o tempo de resposta tem uma importância reduzida e necessita de intervenção de um operador. Como exemplo, ter duas prensas de cinta, cada uma com um painel de controlo dedicado. Se uma das prensas apresentar problemas, o operador pode retomar a operação, iniciando a outra prensa. Neste exemplo, a perda de uma prensa pode resultar numa acumulação de sólidos não compactados, mas não terá impacto na continuidade do processo. Assim sendo, a intervenção do operador é aceitável, e uma arquitectura do tipo redundância Cold-standby pode ser uma boa solução.
Outra forma de redundância possível é a instalação de uma quantidade de equipamentos superior ao necessário. Por exemplo, serem instaladas três bombas quando apenas duas garantem as necessidades. Este tipo de redundância é bastante comum. Tipicamente esta terceira bomba tem os seus próprios componentes de controlo, arranque e variação de velocidade. Este método permite também estender alguma redundância ao sistema de automação e controlo. Também é possível obter redundância com múltiplas cadeias de processo. Por vezes, cada cadeia tem o seu próprio sistema de automação, ou encontram-se agrupadas em múltiplos painéis de comando. Também esta configuração representa um nível de redundância na estação.
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Figura 1 . Exemplo de operação com redundância COLD-standby.
não sincronizados completamente, uma vez que o processador secundário pode necessitar de alguns ciclos de programa até atingir o ponto em que o primário se encontrava antes da comutação. Esta situação pode contribuir para um processo de comutação com interrupções de serviço.
que a lógica condicional muda. Se estas sugestões não forem devidamente aplicadas, esta situação pode levar a que ocorram falhas momentâneas no processo, e consequentemente criar uma situação de redundância Warm-standby.
Do ponto de vista do equipamento necessário para um sistema redundante, os sistemas Warm-standby e Hot-standby são muito idênticos, e podem facilmente ser confundidos quando são analisadas as folhas de catálogos do produto fornecidas pelo fabricante. Os diferentes sistemas devem ser analisados detalhadamente e com precaução.
Embora esta técnica tivesse sido utilizada durante anos, como método fiável e preciso, se correctamente aplicado, os avanços tecnológicos permitiram uma nova técnica – um método que garante que a transferência é independente do tempo de ciclo.
Redundância HOT-standby Redundância HOT-standby é utilizada quando o processo não pode ser interrompido, em qualquer circunstância, mesmo que apenas por um breve momento. Um exemplo de aplicação de um sistema de redundância Hot-standby pode ser uma aplicação com membranas de filtragem ou BAF (Biological Aerated Filters). Em ambos os casos, o processo em si pode não exigir capacidades de redundância Hot-standby, mas no decurso de determinas operações como o refluxo de lavagem aos filtros (backwash), o tipo de redundância pode ser crítico. Durante este processo, a paragem de um motor, a inversão de uma válvula ou alteração de sequência das válvulas pode levar a que o processo fique incompleto, permitindo que contaminantes entrem na água limpa, ou pode mesmo contribuir para que o equipamento fique inoperacional. Como nenhum destes cenários é tolerável, uma configuração com sistema de redundância Hot-standby seria a abordagem preferível.
Este novo método é referido como “asynchronous transfer” (transferência assíncrona). Neste método, o processador primário tem dois microprocessadores separados e incorporados nos seus circuitos. O primeiro microprocessador executa o programa. No final da execução, todos os dados são transferidos para o segundo. Este segundo microprocessador fica responsável pelas tarefas de transferência enquanto que o primeiro executa o seguinte ciclo do programa. Deste modo, enquanto um microprocessador está a executar o programa o outro está a proceder à transferência de dados para o processador secundário. Como esta transferência de dados do processador primário para o secundário é assíncrona ao ciclo de programa, torna-se possível transferir todos os dados de um processador para o outro sem afectar a execução do programa. Este método elimina qualquer necessidade de conceber o programa para um tempo de ciclo optimizado. Em muitos casos, este tipo de transferência é a solução para as aplicações de tratamento de águas.
Conforme afirmado anteriormente, o equipamento utilizado para um sistema de redundância Warm-standby é muito semelhante ao utilizado num sistema Hot-standby. No entanto, os sistemas com redundância Hot-standby garantem a comutação do controlo das E/S do processador primário para o secundário sem interrupções. Para atingir este objectivo, as mensagens de comunicação que actualizam os dados do processador secundário e a execução dos programas têm de ser geridos cuidadosamente. Para garantir que um sistema de redundância Hot-standby funcione correctamente, os dados devem ser transferidos do processador primário para o secundário em cada ciclo lógico para garantir a sua integridade. Existem dois métodos para conseguir esta transferência de dados. No primeiro é realizada a transferência no final de cada ciclo do programa. O ciclo seguinte é retomado somente após a conclusão da transferência. Esta abordagem denomina-se “scan and transfer” (executa e transfere), foi inicialmente aplicada pela Modicon quando criou o primeiro autómato programável redundante, e continua ainda hoje a ser uma abordagem adoptada por muitos fornecedores. Como a experiência tem demonstrado, este método pode proporcionar uma actualização precisa dos dados e um bom controlo. No entanto, existem alguns aspectos que necessitam de ser considerados quando se utiliza uma técnica de “scan and transfer”. Em primeiro lugar, o verdadeiro tempo de ciclo do programa será uma combinação do ciclo do programa e da transferência de dados. Como o tempo de ciclo pode ser crítico em determinadas aplicações, os fornecedores que suportam este tipo de transferência indicam no seu manual que o programa deverá ser concebido para minimizar o tempo desta operação. São sugeridas formas de limitar a execução de cada linha de programa apenas às situações em
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Figura 3 . Exemplo de operação com redundância HOT-standby.
A redundância nos processos de tratamento de água é crítica. No entanto, a redundância é uma filosofia, não uma solução independente da aplicação. Existem actualmente três métodos de redundância – Cold-standby, Warm-standby e Hot-standby. Se a interrupção pode ser tolerada até que o operador intervenha, o método adequado é o Cold-standby. Quando o sistema tolera uma interrupção ligeira, mas é necessário que a intervenção seja automática, a redundância Warm-standby é a solução. Para as operações que não admitem qualquer tipo de interrupção, momentânea ou não, a redundância Hot-standby é a única opção. Somente a compreensão adequada destes níveis de exigência poderá levar à criação de um sistema fiável, mesmo tendo em conta a importância de minimizar os encargos financeiros.
DOSSIER TRATAMENTO DE ÁGUAS: A IMPORTÂNCIA DA REDUNDÂNCIA NO SEU SISTEMA
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