ANLISE DE CUSTO-BENEFCIO DE ARQUITETURAS DE CLPs

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  • ANLISE DE CUSTO-BENEFCIO DE ARQUITETURAS DE CLPs TOLERANTES A

    FALHAS UTILIZADAS EM SISTEMAS DE PROTEO

    Haroldo Gamal

    TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS

    PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

    FEDERAL DO DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

    NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS

    EM ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTAAO.

    Aprovada por: fl

    (Presidente)

    ~ r o f . d i l Severiano Tavares Fernandes, Ph. D.

    RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL ABRIL DE 1993

  • Gamal, Haroldo

    Anlise de Custo Benefcio de Arquiteturas de CLPs

    Tolerantes a Falhas Utilizados em Sistemas de

    Proteo [Rio de janeiro] 1993

    vii, 87p. 29,7 cm (COPPEIUFRJ, M. Sc., ENGENHA-

    RIA DE SISTEMAS E COMPUTAO, 1993)

    Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE

    1. Arquitetura de Computadores 2. Confiabildade

    I. COPPEIUFRJ II. Ttulo

  • i i i

    I Wisli You Were Here (Roger Waters)

    So, so you think )?ou can te11 Heaven fio111 Hell, blue skies fiam pain.

    Can You te11 a greenfieldfiom a cold steel rail? A s ~ ~ ~ i l e f i o m a veil?

    Do ):ou you think you can tell?

    And did they get you to trade your heroes for ghosrs ? Hot askes for trees?

    Hot air foi a c001 breeze? Cold conriifort for ckange?

    And did you exchange a ivalk on part in the ivar for a lead role in a cage?

    Hoiv I ieisk, koiv I ivish )>ou ivera here.

    We're jitst hvo lost souls swiinniing ;n a f j ~ h bowl, year affer year,

    Running over the some old grottnd. What have ive found? Tlw same old fears.

    Wish you ivere here.

  • Resumo da Tese Apresentada a COPPE como parte dos requisitos necessrios

    para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M. Sc.)

    Anlise de Custo Benefcio de Arquiteturas de CLPs Tolerantes a Falhas

    Utilizados em Sistemas de Proteo

    Abril de 1993

    Orientador: Luiz Fernando Seixas de Oliveira

    Programa: Engenharia de Sistemas e Computao

    As tcnicas de anlise de confiabilidade permitem que os nveis de confiabilidade

    das alternativas para o projeto de um sistema de proteo sejam avaliados

    quantitativamente. Estess ndices quantitativos obtidos na anlise constituem-se

    em elementos importantes para o projetista, possibilitando o conhecimento das

    variaes relativas de confiabilidade entre as diferentes alternativas e para a

    identificao dos componentes do sistema que mais contribuem para a sua

    probabilidade de falha. No entanto, na grande maioria das vezes, a variao

    relativa destes ndicesno se constitui em argumento suficiente para a tomada

    de deciso relativa a escolha de uma das alternativas consideradas. Portanto,

    o processo de tomada de deciso requer a realizao de um balano entre os

    custos de cada configurao e os seus benefcios associados. A realizao

    deste balano o fundamento bsico de uma Anlise Custo-Benefcio (ACB). O

    objetivo deste trabalho a aplicao de uma tcnica de Anlise Custo-Benefcio

    aplicada as alternativas de projeto de sistemas de proteo, utilizando diversas

    configuraes de Controladores Lgicos Programveis (CLPs) tolerantes a falha.

  • Abstract of Thesis presented to COPPE as partia1 fulfillment of the requirements

    for degree of Master of Science (M. Sc.)

    Cost-Benefit Analisys of the PLC Architectures Fault-Tolerant Used in

    Protection Systems

    April, 1993

    Thesis Supervisor: Luiz Fernando Seixas de Oliveira

    Departament: Programa de Engenharia de Sistemas e Computao

    The utilization of reliability analysis technique permits that reliability levels of

    severa1 alternate configurations for a given protection system design be

    evaluated. Undoubtly, the figures resulted from that aproach are very important

    for the designer, allowing the comparison among differents configutations, and

    for identifying de systems components contributing most for the failure probability.

    Otherwise, most of time, relative comparison among reliability results is not

    enough for decising the best configuration. So, as a rule of thumb, the decision

    process requires a comparison between costs and the related benefits. This

    comparison is the basic fundamental of a Cost-Benefit Analisys (CBA). The main

    goal of this study is the application of a Cost-Benefit Analisys technique to

    different configurations of a protection system constituted by Programmable Logic

    Controllers.

  • vii

    IV.3 . Caso Exemplo: Sistema de Deteco de Incndio em Plataformas ............................................. Martimas 41

    IV.3.1 . Descrio do sistema de gerao de sinais ............. 41 ...................... IV.3.2 . Sistema de Deteco de Chama 42

    ............... IV.3.3 . Sistema Eletrnico de Deteco de Calor 42 IV.3.4 . Sistema de Deteco de Calor por Plug-fusveis .......... 43 IV.3.5 . Sistema de Acionamento Manual ..................... 43 IV.3.6 . Lgica de Acionamento do Painel de Fogo e Gs ........ 44

    IV.4 -rvore de Falhas do Sistema de Deteco de Incndio ............ 44 IV.4.1 . Avaliao da Indisponibilidade Mdia .................. 45 IV.4.2 .Avaliao da Freqncia de Acionamentos Esprios ...... 48

    .................................. IV.4.3 . Dados de falhas 49 IV.5 . Anlise Custo-Benefcio ................................... 51

    ........................... IV.5.1 . Avaliao dos Benefcios 51 IV.5.1 . Avaliao dos Custos .............................. 54

    ............................. IV.5.3 . Resultados da anlise 56

    BIBLIOGRAFIA .................................................... 64

    APNDICES ....................................................... 66 A . rvore de Falhas de Indisponibilidade .......................... 67 B . rvore de Falhas de Freqncia Espria ......................... 74

    ............................... C . Planilha Anlise Custo-Benefcio 80 D . Planilha de custo dos subsistemas de sensoramento ............... 81

    ......................... E . Determinao da freqncia de incndio 82 .................................... E.I. Enfoque clssico 82

    .................................. E.2. Enfoque bayesiano 84 F . Determinao das perdas devido a incndio e falhas esprias ........ 86

    .......................... F.1. Perdas humanas por incndio 86 ........................ F.2. Perdas econmicas por incndio 86

    F.2. Perdas econmicas por falha espria .................... 87

  • Os sistemas eletrnicos de proteo configuram-se como um dos

    elementos mais importantes para a garantia da integridade fsica de instalaes

    industriais e para a segurana daqueles que nelas trabalham. De um modo geral,

    a filosofia de preveno a situaes de emergncia baseia-se na deteco das

    causas ainda no seu nascedouro, ou seja, to logo os primeiros sinais de ocor-

    rncia possam ser identificados pelo sistema de proteo. Portanto, a confiabili-

    dade desses sistemas, capazes de detectar situaes de emergncia ainda em

    fase incipiente, de fundamental importncia para manter o nvel de risco dos trabalhadores dentro de limites aceitveis e para garantir um nvel adequado de

    proteo ao patrimnio da empresa.

    A utilizao de tcnicas de anlise de confiabilidade permite que

    os nveis de confiabilidade de vrias configuraes alternativas para o projeto de

    um determinado sistema de proteo sejam avaliados quantitativamente. Sem

    dvida, os ndices quantitativos obtidos na anlise constituem-se em elementos

    importantes para o projetista, possibilitando o conhecimento das variaes

    relativas de confiabilidade entre as diferentes configuraes e para a

    identificao dos componentes do sistema que mais contribuem para a sua

    probabilidade de falha. No entanto, na grande maioria das vezes, a variao

    relativa dos ndices de confiabilidade no se constitui em argumento suficiente

    para a tomada de deciso relativa a escolha de uma das alternativas

    consideradas. Isto se deve as diferenas nos custos de implementao,

    operao e manuteno que normalmente existem entre diferentes configuraes

    de um sistema. Portanto, de um modo geral, o processo de tomada de deciso

    requer a realizao de um balano entre os custos de cada configurao e os

    seus benefcios associados. A realizao deste balano o fundamento bsico de uma Anlise Custo-Benefcio (ACB).

    Em se tratando de sistemas de segurana, os benefcios esto

    relacionados a reduo do nmero de acidentes na instalao, com a

    conseqente reduo do nvel de perdas esperadas, em virtude da utilizao de

    configuraes com maior nvel de confiabilidade. A composio das perdas

    esperadas pode envolver tanto a perda de vidas humanas como as perdas

    econmicas, sendo estas ltimas compostas de perdas de instalaes (custos

    de reposio ou de reparo de equipamentos) e perdas relativas a interrupo da

  • produo.

    Outro aspecto importante a ser considerado no caso dos sistemas

    de segurana, refere-se ao custo associado a ocorrncia de desligamentos

    indevidos da instalao causados por falhas esprias do sistema de segurana.

    Este custo est diretamente vinculado a estrutura lgica de cada alternativa

    estudada. Assim sendo, a mudana de uma configurao para outra, pode levar

    a um aumento ou uma diminuio do nmero de desligamentos indevidos,

    resultando em um benefcio ("ganho") ou em um custo ("perda") econmica.

    No caso dos sistemas de proteo, os benefcios obtidos com a

    melhoria da confiabilidade de sistemas esto intimamente ligados a reduo dos

    riscos de vida para o pessoal