Engenharia ou informações sobre ativos?

2015 Fevereiro 04, 09:00 CEST

Como os requisitos de tecnologia, regulamentação e eficiência transformam a gestão de conhecimentos técnicos

AUTOR: Valentijn de Leeuw, vice-presidente, ARC Advisory Group

A visão que acionou a transformação

Em 2005, Thomas Tauchnitz, da Sanofi-Aventis, empresa líder farmacêutica, publicou um artigo em uma edição alemã de Tecnologia da automação na prática intitulado "É hora de uma integração dos projetos de processo, engenharia e processos operacionais fabris". O artigo consiste em uma visão e estratégia de implementação do conceito, usando-se software de computador. O Dr. Tauchnitz explica três requisitos básicos que devem ser respeitados: todas as informações são geradas e mantidas em um só lugar, o conhecimento existente é reutilizado quando possível e as ferramentas de software permanecem em interface, enquanto a unidade de produção está em funcionamento.

Tauchnitz desenha o fluxo de trabalho a partir do projeto do processo com o uso de software de simulação, a transferência de informações resultantes do processo para uma ferramenta de engenharia auxiliada por computador (Computer-Aided Engineering, CAE), comum a todas as disciplinas de engenharia envolvidas na engenharia de interface inicial e detalhes. Ele explica como a engenharia modular - conceito conhecido há muitos anos – deve ser implementada: módulos padronizados que compreendem todas as suas funções são construídos, mantidos e instanciados para uma determinada tarefa de engenharia. Como exemplo, um módulo reator conteria medição e controle de pressão e temperatura, válvulas para transferência de material, controle de nível, equipamento de segurança e automação, mistura, etc. As listas de equipamento, documentação do projeto, procedimentos de segurança, testes e procedimentos de qualificação correspondentes fariam parte do modelo também. Em vez da engenharia de todo equipamento novo, reparo, substituição ou modernização do zero, o engenheiro lidaria somente com adaptação e integração em um sistema maior e teria mais tempo para otimização do projeto e aperfeiçoamento e manutenção dos módulos.

Engenharia simultânea ou colaboradora?

Atualmente, diversos sistemas CAE inteligentes fornecem a opção para que várias disciplinas durante a engenharia da fábrica funcionem no mesmo equipamento, a partir de sua própria perspectiva com sua própria maneira típica de ver o trabalho: diagramas de fluxo de processo (Process Flow Diagrams, PFD) para engenheiros de processo, diagrama de instrumentação e tubulação (Piping and Instrumentation Diagram, P&ID) para engenheiros de automação engenheiros, isometria para tubulação, etc.

Quando vários engenheiros trabalham no mesmo item, esse tipo de ferramenta ajuda a manter a integridade dos dados de engenharia. Por exemplo, se um engenheiro de processo altera a temperatura máxima ou taxa de fluxo em um tubo, então a bomba que deve deslocar esse fluido deve ter especificações que possam suportar esses limites e, caso não possam, a ferramenta criará alertas para a especificação da bomba. Da mesma forma, o diâmetro do tubo deve ser capaz de suportar a taxa de fluxo, e assim por diante. Além de lidar com as regras, esses sistemas também podem suportar fluxos de trabalho de criação, como status de envio, revisão e validação de alterações.

Embora para empresas de construção e aquisição de engenharia (Engineering Procurement and Construction, EPC), a engenharia simultânea pode ter sido uma prática padrão desde o início da utilização de ferramentas CAE; em algumas empresas de propriedade de operadores (Owner-Operated, OO), uma engenharia sequencial era a norma. Permitir que diversas disciplinas funcionem no mesmo item de projeto tem implicações econômicas, organizacionais e sociais.

Aspectos sociais e culturais

Ao introduzir a engenharia simultânea ou a engenharia sequencial colaboradora utilizando um único repositório de dados de engenharia, as pessoas precisam se familiarizar com novos processos e tecnologia. O que poderia ser mais desafiador é que elas devem compartilhar suas informações, suas formas de trabalhar e seu pensamento na tomada de decisões. Elas, às vezes, precisam aprender a colaborar, o que inclui escutar opiniões dos outros, definir regras e responsabilidades acordadas para os diferentes colaboradores, negociar, solucionar problemas de modo colaborador e resolver conflitos de modo construtivo. Essa transformação pode gerar algumas perturbações, já que as pessoas precisam deixar as zonas de conforto. Ela pode criar conflitos e falhar, se não for administrada da forma correta. Os gerentes de engenharia, que são, em última análise, responsáveis pela mudança bem-sucedida, precisam ter habilidades na gestão de pessoas e mudanças. Eles podem ser assessorados por consultores de mudança, mas para uma implementação sustentável, eles terão que adquirir essas habilidades para treinar seus colaboradores após a mudança ter sido implementada. Isso não é opcional, porque não só o clima de trabalho, mas também a produtividade, depende disso.

O pessoal em uma organização se comporta de acordo com as regras e crenças coletivas. Em equipes, essas são chamadas de normas, para a organização, são chamadas de cultura. Algumas dessas regras e crenças são implícitas, ou seja, elas não são indicadas explicitamente, embora estejam presentes; algumas podem ser inconscientes e várias podem entrar em conflito com as regras e princípios formais da empresa. A mudança de cultura bem-sucedida requer descobrir a realidade e torná-la explícita, criando uma visão que conecta os objetivos do negócio e as necessidades coletivas, implementando gradualmente uma nova cultura e sustentando-a. Um manual ou um treinamento podem ajudar, mas isso requer que os líderes se encontrem com as pessoas, escutem suas ideias e preocupações, expliquem, respondam a seu feedback, as envolvam no projeto do trabalho e reconheçam seus esforços em fazer a mudança acontecer.

Impacto organizacional e econômico

Embora a CAE inteligente possa permitir a engenharia simultânea, nem todas as organizações de engenharia usam essa tecnologia. A ARC realizou um estudo informal alguns anos atrás entre subsetores das indústrias de processamento, desde grandes petroquímicas até indústrias de fabricação farmacêutica, em vários continentes. A pesquisa mostrou que aproximadamente metade dos usuários de CAE está organizada em bom ou alto grau de engenharia simultânea, mas um terço prefere usar a engenharia sequencial. A finalidade de as várias disciplinas de engenharia funcionarem concomitantemente no mesmo item de projeto é reduzir o seu tempo. No entanto, os usuários afirmam que isso aumenta o erro e as iterações que, em última instância, aumentam o trabalho total. As EPCs podem não ter escolha quando estiverem sob pressão por muito tempo, mas para a engenharia conceitual de OO, o projeto não está no caminho crítico, e podem ter duração de projeto mais longa para poupar o esforço de engenharia. Uma otimização econômica que equilibra o custo do projeto com valor a partir da prontidão operacional anterior mostraria, provavelmente, a situação ideal em um grau intermediário de engenharia simultânea. Os usuários indicaram, na mesma pesquisa, que o aumento na produtividade de 5 para 50% pode ser obtido, relacionado a ganhos de tempo maior precisão dos dados, dependendo do grau de engenharia simultânea usada, mas isso vem às custas de um investimento significativo em engenharia modular e modelagem do fluxo de trabalho (veja abaixo).

A engenharia simultânea e colaboradora pode causar pequenos ajustes de detalhes nos fluxos de trabalho, e a definição de responsabilidades dos indivíduos que também podem aparecer como atritos em nível humano (consulte acima), mas tecnicamente a organização não seria muito afetada.

Engenharia modular e tecnologia de processo modular

A reutilização de informações e conhecimentos é uma maneira de aumentar a eficiência da engenharia. O segundo "princípio Tauchnitz" para reutilizar o conhecimento o máximo possível (veja a página 1) implica na padronização em projetos modulares comprovados. Eles estão prontos para utilizar informações de engenharia para unidades ou seções de processamento, compostos de equipamentos de processo, instrumentos, controle, tubulação, bombas, agitação mecânica, etc. Um engenheiro escolhe uma unidade ou seção de processamento, em vez de ter de refazer a engenharia das seções, podendo concentrar-se no desempenho do processo. Quando faltam módulos padrão, a documentação deve descrever soluções para a tarefa de engenharia que foi utilizada. O desafio relacionado à engenharia modular é o investimento considerável na criação dos módulos. Para as empresas OOs, este é um investimento que pode valer a pena com o tempo, mas para as EPCs, isso pode não ser econômico, a menos que a EPC possa padronizar em uma ferramenta única e tenha capacidade de exportar projetos para as ferramentas CAE que seus clientes aconselham.

O projeto de fábrica F3, financiado por cerca de 25 empresas e pela UE, abrangendo sete estudos de caso industriais, foi executado de 2009 a 2013, com o objetivo de superar as desvantagens de processamento contínuo em larga escala (alto investimento de capital e rigidez) e processamento de lote de pequena escala (ineficiência) e combinar as respectivas vantagens, introduzindo a eficiência em unidades multiuso e de vários produtos; e flexibilidade para instalações contínuas de tamanho global. Os objetivos da pesquisa incluíam:

  • Proporcionar projetos de processo mais compactos e econômicos que reduzem o impacto ambiental para apoiar a "intensificação do processo"
  • Desenvolver equipamentos de produção química padronizados, modulares e plug-and-play, capazes de lidar com vários processos químicos
  • Desenvolver metodologias de engenharia para processos intensificados
O projeto forneceu vários resultados promissores e diversos processos modulares foram desenvolvidos. Todos demonstraram ganhos significativos no custo e na sustentabilidade.

A ideia é que, para aumentar a capacidade de produção, um fabricante precisa apenas adicionar pequenas unidades padronizadas, em vez de projetar uma fábrica maior. Isso reduz o custo e tempo de engenharia, e reduz o custo de equipamentos ainda mais porque séries maiores de equipamentos podem ser construídas. O conceito exige uma nova abordagem de engenharia que otimiza o processo dentro das restrições de uma escolha de módulos padrão, em vez de ajustar o equipamento ao processo.

A tendência é produzir pequenas quantidades, apresentando aperfeiçoamentos graduais em produtos e processos e respondendo flexivelmente às demandas do mercado. Isso oferece a possibilidade de explorar a flexibilidade de uma unidade desenvolvida para uma série de condições operacionais; e, portanto, para projetar equipamentos que se encaixem em uma faixa esperada, em vez de uma só situação ideal. O uso da otimização de produção adaptável e sistemas de gestão de qualidade alinhados às últimas diretrizes FDA cGMP será favorável nessas condições, pois eles absorverão modificações do processo e variação nas condições de processamento quando alguns ou todos os produtos finais permanecerem idênticos.

O uso do conceito de produção modular seria eliminar uma série de tarefas de engenharia e validação, pois taxas de produção variáveis podem ser manuseadas, adaptando-se o número de linhas de produção necessárias para produzir as quantidades necessárias. Projetos semelhantes foram realizados no Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos EUA, em colaboração com fabricantes.

As iniciativas industriais da Internet das Coisas, como a Indústria 4.0, ou a Associação Industrial da Internet, lideraram a indústria, em especial, o setor que produzia em lotes, para pensar sobre como implementar linhas de produção reconfiguráveis que podem atender às variadas exigências e restrições. Isso requer que novos conceitos e padrões integrem o equipamento para essa finalidade e próximo ao tempo real, incluindo seus componentes de software de gestão de automação e operações. As abordagens de engenharia modular discutidas anteriormente facilitam bastante a engenharia da tecnologia de processo modular, e esperamos que o uso da engenharia modular aumente bastante no futuro em curto e médio prazo. As indústrias orientadas a lotes serão as primeiras a adotar a abordagem, e esperamos que também as grandes empresas de processamento contínuo comecem a pensar sobre racionalizar seus paradigmas de engenharia, construção e operacionais e apliquem esses conceitos.

Qualificação e conformidade eletrônicas

E há mais na visão do Dr. Tauchnitz. A análise de riscos relacionada ao processo e ao equipamento na qualidade do produto deve ser mostrada nas especificações de requisitos, testes e planos de qualificação. Essa análise pode ser feita de forma sistemática com base em informações na ferramenta CAE, e seu fluxo de trabalho pode ser totalmente automatizado nesse sistema. Os resultados de teste e qualificação podem ser vinculados aos requisitos de equipamento através de uma análise de risco e, assim, o processo que vai da especificação até a conformidade pode ser executado sem papel, e pode ser construído de maneira eficiente como uma extensão dos sistemas CAE inteligentes. Alguns fornecedores são pioneiros nessa abordagem com empresas visionárias atualmente, criando vantagens significativas de eficiência e precisão. Os especialistas da ARC esperam que essa funcionalidade se torne predominante em breve, à medida que a pressão de conformidade aumenta constantemente para todas as indústrias e as empresas precisam responder a essa pressão criando mais eficiência.

Engenharia integrada

A integração de projetos de processos, engenharia e processos operacionais fabris e o terceiro princípio de Tauchnitz: "As ferramentas de software permanecem em interface enquanto as unidades de produção estão em operação" também têm fortes implicações, tanto para EPCs e OOs.

Durante as fases de projeto e construção, nossos clientes nos dizem que as trocas entre EPC e OO tornaram-se mais frequentes e intensas ao longo dos últimos anos. As OOs querem ficar a par das escolhas feitas pela EPC durante a trajetória do projeto, avaliar o progresso e gerenciar e possuir o trabalho de modo conjunto. Cada vez mais essas trocas usam ferramentas CAE inteligentes e comuns que permitem que as partes compartilhem, visualizem e discutam o trabalho do projeto. Ainda mais importante, a chamada passagem de EPC para OO no comissionamento acontece com mais frequência em formatos eletrônicos. A documentação tradicional em papel era complicada e demorada para encontrar e dominar, e praticamente impossível de manter atualizada. Atualmente, mais e mais OOs querem um conjunto de dados de informações sobre ativos inteligente e eletrônico, correspondendo à situação "construída originalmente", para poder mantê-los atualizados durante o ciclo de vida de uma fábrica. Isso não só é eficiente de um ponto de vista de recursos, mas também é cada vez mais um requisito regulamentar capaz de produzir documentação de ativos atualizada e demonstrar conformidade.

Desde o momento em que a fábrica é iniciada pela primeira vez, após ser construída ou aprimorada, pelo menos duas atividades distintas complementares utilizam informações de ativos. A engenharia utiliza informações de fábrica para planejar alterações ou melhorias, como otimização de fluxo, integração por calor, melhorias de qualidade ou outros projetos. Simultaneamente, a manutenção utiliza os dados para solucionar problemas, reparar, encomendar peças de reposição e assim por diante. Se as informações dos ativos não forem mantidas durante a operação e manutenção da fábrica, sua precisão será degradada gradualmente com o tempo e, quando a engenharia precisar iniciar um projeto, eles perderão meses preciosos para descobrir qual é o estado real do ativo, em vez de trabalhar na tarefa de engenharia. Uma grande vantagem do uso de ferramentas CAE inteligentes é, portanto, sua utilização em todo o ciclo de vida da fábrica e a integração dos processos de engenharia, operação e manutenção, utilizando um só dado de informações atualizadas sobre ativos. Portanto, as informações sobre ativos e engenharia tornam-se indistinguíveis, e as informações "construídas originalmente" são transformadas em informações "mantidas originalmente".

Os processos e o projeto de trabalho precisam ser adaptados para se certificar de que as mudanças de engenharia e fábrica sejam capturadas nos repositórios de informações sobre ativos ou CAE. Também aqui, é necessária uma mudança de cultura, ao longo das linhas do que foi descrito acima para organizações de engenharia.

Com base nos testemunhos de clientes, acreditamos que os usuários podem ganhar vários meses de mão de obra de engenharia e tempo de manutenção por fábrica. Os benefícios relacionados a incidentes de segurança e situações de emergência são mais difíceis de quantificar. Em grandes acidentes, a disponibilidade e a qualidade das informações para fundamentar as decisões mostraram ter um papel fundamental na tomada de decisões corretas e na redução de danos, lesões e fatalidades. O custo de oportunidade, sozinho, de paradas de produção relacionadas às informações de ativos justificarão, facilmente, o trabalho de implementar engenharia integrada.

Interoperabilidade com controle e outros sistemas

Mas isso não é tudo. O Dr. Tauchnitz avançou a visão ainda mais, afirmando que um modelo genérico para programação do SDCD e PLC deve fazer parte da ferramenta CAE. Por meio de uma interface universal, os programas podem ser exportados para várias marcas de automação e ser compilados dentro do equipamento, com o objetivo de reutilizarem-se os módulos de programação padronizados em diferentes tipos de equipamentos. O autor também amplia seu conceito à configuração dos sistemas de produção, como MES ou Gestão de operações.

Tanto para EPCs quanto OOs, isso gera uma grande economia de tempo em sistemas de controle de engenharia. Para OOs, durante as fases de operação-manutenção, a vantagem seria ainda mais importante. As OOs geralmente usam diversas marcas de sistemas de controle e podem se beneficiar de uma abordagem uniforme de engenharia para várias marcas. À medida que sistemas de controle são atualizados e alterados no campo, surge um desafio em manter precisas as informações de ativos/engenharia. A organização de usuários NAMUR (www.namur.net) respondeu a esse desafio definindo um formato de dados padrão para troca entre sistemas de controle de processo (PCS) e ferramentas CAE (NAMUR recomendação NE 150, publicada em outubro de 2014). Dr. Tauchnitz informou recentemente sobre um conjunto de demonstradores que implementavam esse formato de troca de dados para uma marcação SDCD, entre quatro sistemas CAE (Aucotec, Bentley, ESP, Siemens) e três sistemas PCS (ABB, Siemens e Yokogawa). Isso cria uma série de possibilidades e vantagens para os usuários e fornecedores do sistema. O impulso inicial utilizado para criar os demonstradores deve ser mantido. Os usuários devem exigir sua total implementação por um número ainda maior de revendedores, e sua utilização deve recompensar os usuários em termos de eficiência de engenharia, para fornecedores CAE por um tamanho maior de mercado, e por fornecedores PCS, devido a um custo de ciclo de vida mais favorável.

A interoperabilidade com o MES ou a Gestão de operações de fabricação (Manufacturing Operations Management, MOM) ainda é um sonho para o futuro, assim como também é uma troca bidirecional com a simulação de processos. Se esses itens podem ser obtidos, várias outras vantagens também podem estar ao alcance. O trabalho na interface bidirecional entre ferramentas CAE e PCS mostra que o que foi considerado como improvável pode se tornar uma realidade muito rapidamente, quando a visão, as habilidades interpessoais e a cooperação entre várias partes coincidem. O mesmo é verdade para a interoperabilidade entre CAE e MOM ou a simulação de processos.

Padronização

Por fim, Thomas Tauchnitz desenvolve a visão de padronização e implementação no âmbito geral da empresa, redução do número de sistemas e interfaces, organização de manutenção e suporte centralizados e promoção da gestão de conhecimentos em toda a empresa. Esse aspecto da visão não recebeu muita atenção ainda, mas a partir de estudos de caso de cliente e experiência em implementação de aplicações MOM, sabemos que essa abordagem reduz o custo total de propriedade de uma aplicação, e, assim, diminui os períodos de retorno e aumenta o valor agregado da rede. Nós, portanto, recomendamos muito prestar atenção a esse ponto.

Conclusões

Informações de ativos e engenharia atualizadas, precisas e de fácil acesso durante todo o ciclo de vida de uma fábrica traz vantagens significativas de eficiência em engenharia para EPCs e OOs, que os usuários desses sistemas estimam estar entre 5 e 50%, dependendo de sua eficiência inicial e do grau de engenharia simultânea. Usuários foram espalhados em vários subsetores da indústria de processos, desde petroquímicas até indústrias farmacêuticas.

Sistemas CAE inteligentes permitem a engenharia simultânea e colaboradora. A eficiência de engenharia é obtida por causa de um repositório de dados preciso e atualizado que toda a engenharia tem acesso em algum momento. Esses sistemas ajudam a manter a integridade das informações de engenharia.

A engenharia simultânea reduz a duração do projeto, mas diminui os ganhos de eficiência de engenharia. Cada empresa ou organização deve determinar a melhor relação de engenharia simultânea versus sequencial.

As informações de ativos "construídas originalmente" (ou "aprimoradas") podem ser mantidas em sistemas CAE inteligentes, que se tornaram um repositório de informações de ativos "mantidas originalmente" que tanto a engenharia quanto as operações e manutenção usam e atualizam para tomar decisões certas. Essa prática chamada de "engenharia integrada" aumenta a eficiência e a segurança operacional. A ARC estima que as empresas levarão até vários meses de mão de obra de tempo de engenharia por fábrica por ano.

Grandes ganhos de eficiência podem ser obtidos quando os usuários estimulam fornecedores de PCS e CAE a implementar o recém-publicado padrão NE150 para troca bidirecional de dados entre os dois tipos de sistemas.

A padronização em sistemas, metodologias, engenharia e processos modulares reduz o custo total de propriedade, aumenta a produtividade e reduz os custos de treinamento.

Sobre o autor: Valentijn de Leeuw, vice-presidente, ARC Advisory Group

Valentijn é um especialista independente em avaliações de pesquisa de projetos para a Comissão Europeia em tecnologia da informação e comunicação, sustentabilidade social e interesse do trabalhador no setor de fabricação. Valentijn é PhD em ciências técnicas da Universidade de Tecnologia de Delft (Holanda) em cooperação com a École Nationale Supérieure des Mines de Paris e IFP e também é mestre em química da Universidade do estado de Utrecht, na Holanda. Fundado em 1986, o ARC Advisory Group é líder em tecnologia de pesquisa e em consultoria para a indústria e infraestrutura.

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