Introdução à Modelagem de Componentes

4.1. Introdução

Modelos de componentes são necessários em praticamente todas as atividades de análise de sistemas complexos, em especial nas indústrias de processo e que operam em redes interligadas. Além da representação em estudos de fluxo, sejam eles de carga elétrica, sólida, líquida ou gasosa, ou mesmo mensagens eletrônicas, mercadorias, veículos, etc., modelos são necessários ao planejamento, operação, otimização, e para modelar o comportamento estatístico de redes quando perturbadas em um ou mais dos seus componentes.

Em sistemas sujeitos a eventos aleatórios, tais como defeitos e falhas funcionais, modelos estocásticos são necessários para representar a dinâmica de interação entre as falhas locais em componentes, e sua propagação a outros componentes através da rede. Nestes modelos, além da propensão à falha, dependente do dimensionamento e da tecnologia de projeto e construção de cada item, interessa também representar a forma como o componente é dimensionado, operado e mantido, ao longo de sua vida útil. O dimensionamento é afetado não só por requisitos técnicos, mas também por fatores ambientais e de mercado. Atualmente, a elevação de custos, de mão-de-obra e de capital, associados à concorrência em escala mundial, tem induzido as empresas naturalmente à prática do dimensionamento de equipamentos no limite da necessidade dos processos, para reduzir custos, tornando mais estreitas as faixas operacionais, aumentando as falhas e a importância da manutenção. Em decorrência, as atividades de manutenção demandam atualmente grandes quantidades de recursos de mão de obra especializada, em praticamente todo ramo de atividade moderna. Além da indústria elétrica, a manutenção é necessária em qualquer instalação industrial, seja de comércio, serviço, logística ou militar. Modelos são necessários também para dimensionar e otimizar a operação e manutenção destes componentes.

Nas indústrias de manufatura, os efeitos resultantes de indisponibilidades se agravaram pela adoção quase universal do sistema “just-in-time”, onde estoques reduzidos de produtos inacabados associados a pequenas perturbações são mais prováveis de interromper toda uma linha de produção, com grandes reflexos nos resultados da indústria. No setor elétrico de potência, em especial, os estoques intermediários de energia são praticamente inexistentes ou inviáveis, tornando-o mais vulnerável sobre este aspecto. Nos setores industriais regulados, normas rígidas são definidas pelo órgão regulador para reduzir os impactos de indisponibilidades. Modelos são necessários também para analisar a operação com estas restrições, e para avaliar seus reflexos sobre os resultados empresariais. Ao lado disso, a conjuntura econômica moderna obriga as empresas industriais a flexibilizarem seus critérios de planejamento, visando manterem-se competitivas,

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aumentando a fragilidade dos empreendimentos, com redução nas margens de lucro e rentabilidade. No setor elétrico, a concorrência entre agentes do mercado aumenta a pressão por melhor desempenho e menor custo. Para a manutenção, esta situação tem resultado em maiores demandas de intervenções no sistema produtivo e redução na flexibilidade de sua liberação para manutenção. Uma consequência imediata é o crescimento das manutenções com os equipamentos em operação, aumentando a probabilidade de acidentes. Em longo prazo, pode resultar na redução na vida útil dos componentes, e na antecipação de investimentos de capital para sua substituição.

4.2. Justificativa

Embora utilizados no planejamento de sistemas elétricos, modelos de componentes têm sido pouco aplicados nas demais áreas operacionais e de manutenção. As atividades de manutenção tradicionalmente têm sido estabelecidas por meios empíricos e intuitivos, ou com base em padrões experimentais e históricos. Suportadas por experiência acumulada, intercâmbio técnico com empresas congêneres, e recomendações de fabricantes, as empresas normalmente adotam um conjunto de atividades e frequências de manutenção, as quais são mantidas por vários períodos consecutivos. O resultado, em geral, é um programa de manutenção baseado mais no que pode ser feito em cada componente, do que necessariamente deve ser feito nos itens da rede. Embora muitos indicadores estejam disponíveis para quantificar os resultados obtidos, poucos estão relacionados com parâmetros de decisão. Em geral, os índices de avaliação disponíveis limitam-se a estatísticas descritivas de componentes, sem correlação com parâmetros decisórios da rede. Eventuais modificações nos métodos são implementadas de forma experimental, atendendo situações isoladas ou transitórias, sem antevisão dos reflexos em longo prazo no restante da indústria.

Carente de uma base metodológica e científica, este processo não assegura que os métodos e a frequência de manutenção sejam os melhores para a empresa e seus clientes. Mesmo garantindo a qualidade técnica da atividade de manutenção no componente, não há certeza de que a solução seja ótima, do ponto de vista sistêmico, empresarial ou social. Além disso, é impossível avaliar objetivamente, com os métodos tradicionais, sua influência real na missão da empresa, e principalmente, quantificar os custos e benefícios finais para os consumidores do produto ou usuários do serviço.

Todos estes fatores evidenciam a necessidade da definição de modelos de representação de componentes e sua participação nos macro modelos de redes de processos industriais. Para isto, requer-se uma metodologia de modelagem que analise objetivamente varias questões, entre as quais se destacam as seguintes:

• Que tipo de modelo é mais adequado para cada tipo de equipamento? • Como modelar a propensão à falha de cada componente?

• Como representar a influência das atividades de manutenção e operação no modelo do componente?

• Como interligar estes modelos para representar o comportamento de redes interligadas de componentes?

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Para responder estas questões, será necessário estudar os modelos dos componentes que se adequem não só à análise do comportamento isolado, mas também para a análise conjunta de redes interligadas de componentes, objeto desta pesquisa.

4.3. Objetivo

Dentro dos objetivos gerais desta pesquisa, estabelecidos no parágrafo 1.4, esta parte destina-se a analisar os modelos de componentes necessários para avaliar o desempenho de redes de processos industriais. Objetiva-se definir os modelos matemáticos que serão usados para correlacionar as decisões tomadas em nível de cada componente, com a confiabilidade da rede e resultados empresarias decorrentes. A obtenção destes modelos viabilizará a quantificação dos impactos provocados pelo desempenho e manutenção localizada de um componente no restante da rede, e, principalmente, permitirá aperfeiçoar as decisões e maximizar os resultados de interesse da empresa, clientes e sociedade.

Partindo do comportamento individual de cada componente, e de suas atividades de manutenção e operação, serão pesquisados métodos de modelagem matemática adequados à sua representação. Os modelos pesquisados deverão ser genéricos o suficiente para aplicação em diferentes ambientes industriais e tecnológicos, e a diferentes equipamentos. A pesquisa procurará o estabelecimento de modelos adequados à quantificação de indicadores individuais, e sua contribuição nos resultados e índices empresariais. Em especial, os modelos serão testados em um sistema de geração e transmissão de energia elétrica, visando validar a metodologia, e determinar os parâmetros a partir dos dados normalmente disponíveis nos registros operacionais. Os modelos desenvolvidos nesta etapa serão utilizados no restante da pesquisa como entrada para representação estocástica de redes interligadas de componentes, típicas dos sistemas elétricos de potência e de indústrias que operam em cadeias produtivas.

4.4. Metodologia

Com base nos diversos modelos existentes, e nos objetivos pretendidos, esta parte da pesquisa foi desenvolvida em cinco etapas, assim denominadas:

1. Introdução à Modelagem de Componentes; 2. Modelos Estocásticos;

3. Modelos de Componentes; 4. Análise e Parametrização; 5. Modelagem de Dados; e 6. Conclusões.

Esta Primeira Parte, Introdução à Modelagem de Componentes, define os objetivos gerais desta parte e as etapas de desenvolvimento.

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A Segunda Parte, Modelos Estocásticos, apresentará uma visão geral dos modelos estatísticos utilizados na representação de componentes de redes industriais.

A Terceira Parte, Modelos de Componentes, revisará a teoria de Redes de Petri e Bayesianas, e os processos Markovianos aplicáveis a componentes industriais. Os principais conceitos e resultados serão listados, adequados à análise de regimes transitórios e permanentes de componentes e sistemas dinâmicos. Esta etapa avaliará os métodos disponíveis para a determinação de modelos comportamentais de componentes, e de atividades de manutenção e operação. Serão pesquisados modelos matemáticos de representação dos mecanismos de falhas e degradação funcionais de itens submetidos à manutenção, e de eventos operacionais no desempenho do componente.

Na Quarta Etapa, Análise e Parametrização, os modelos definidos na etapa anterior serão analisados quanto aos dados necessários à parametrização. Serão identificados métodos de quantificação dos valores das probabilidades, frequências e durações médias dos estados típicos destes sistemas, com base em dados históricos de desempenho, para diversas políticas de manutenção e operação.

Na Quinta Etapa da pesquisa, Modelagem de Dados, serão definidos os modelos de bases de dados para representação de conjuntos completos de todos os componentes de um sistema. Os modelos pesquisados serão avaliados quanto à utilidade para outras áreas e processos tecnológicos, em especial na composição de redes mais complexas de componentes interligados, objeto de etapas posteriores da pesquisa. Esta etapa resumirá as generalizações possíveis dos resultados anteriores, com sugestões de pesquisas adicionais. Em especial, serão exploradas as possibilidades de interligação dos modelos para simulação de redes complexas de componentes.

4.5. Sumário

Modelar cada componente de uma rede industrial é um pré-requisito ao estudo e modelagem da rede completa. Os modelos individuais de cada componente precisam ser adequados à composição em rede, para a representação da topologia do processo. Além disso, eles precisam ser parametrizados com base em dados históricos, para que representem adequadamente cada componente modelado. Modelos estocásticos são estudados no próximo capítulo, como ferramenta para representação destes componentes.

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