Automação de um laboratório hidrodinâmico gigante

Navios, plataformas e outras embarcações dependem de pesquisas para obter meios de transporte marítimo melhores e mais eficientes. Os calibradores hidrodinâmicos - como o TPN no Brasil - desempenham papel importante e precisam de automação para funcionar.

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A pesquisa no campo da engenharia naval depende de grandes recursos, como supercomputadores para simulações - chamadas simulações numéricas - para simular o comportamento do mar ou do rio contra uma embarcação construída por engenheiros navais. Além da simulação em computador, a construção e teste de modelos em escala em um tanque de água de grandes proporções, capaz de gerar ondas na água, é um passo importante para comparar e calibrar parâmetros de engenharia que não podem ser perfeitamente simulados em computadores. O Brasil possui alguns laboratórios para realizar, como esta pesquisa. Na foto acima, pode-se ver a entrada principal do TPN - Tanque de Provas Numérico ou Tanque Numérico Offshore em inglês - inaugurado em 2009 e um desses laboratórios. Devo dizer como passo inicial deste artigo que não sou especialista em engenharia naval ou em hidrodinâmica. A razão pela qual estou escrevendo este artigo é me sinto feliz por ter tido a oportunidade de contribuir, do lado da automação, para a construção do Calibrador Hidrodinâmico (CH), um dos instrumentos instalados dentro do TPN - Tanque de Provas Numérico - e estou feliz em compartilhar esse momento com você, leitor. O ano? 2007. Foi nesse ano que comecei a me envolver no projeto do CH. A Universidade de São Paulo (USP) ficou encarregada de construir o laboratório TPN (laboratório de Tanques Numéricos Offshore) dentro de suas instalações, com financiamento e apoio do governo e da Petrobras. A USP já possuía uma parte do laboratório, compreendendo apenas um supercomputador antigo, e o desafio era mudar para um novo laboratório, construir a estrutura para um novo supercomputador, salas de aula, um calibrador hidrodinâmico (CH) e outros recursos necessários.

Um calibrador hidrodinâmico é um grande tanque preenchido com água, para simular modelos em escala de embarcações, colocadas dentro ou sobre o tanque. O objetivo é a geração de ondas na água, de acordo com um determinado padrão que depende da região geográfica do mar, entre outras, para verificar qual é o comportamento do modelo em tal condição de ondas. Os sensores são colocados no modelo em escala para avaliar a resistência mecânica, o movimento etc., que são posteriormente analisados pelos engenheiros navais.

Calibrador Hidrodinâmico (CH) depois de finalizado

O HC do TPN estava em projeto e o professor Pedro Cardozo de Mello estava encarregado do projeto e da construção do CH, procurando equipamentos de automação para mover os flaps - grandes peças de metal dispostas ao longo das bordas do tanque - para geração de ondas. Os vendedores de nossa empresa e do distribuidor que estavam cuidando do lado de vendas do projeto vieram até mim com uma solicitação: "Temos produtos para este projeto do CH, servos, CPU e rede, etc., mas a USP solicitou que calculássemos quanto tempo é necessário para que um comando enviado de um computador chegue a um servo específico que move um flap. Precisamos da sua ajuda para calcular. Precisamos atingir menos de 10 milissegundos para que este comando chegue ao servo". Foi nesse exato momento que comecei a me envolver no projeto do CH. Estávamos competindo com 2 ou 3 outras empresas de automação. Esse era um projeto importante para nós, em volume de vendas: mais de 100 eixos de servo e uma quantidade substancial de acessórios e CPUs. Um de nossos maiores distribuidores da época estava cuidando do fornecimento dessas peças e eles estavam pressionando-me por concluir os cálculos o mais rápido possível. Naquele momento, eu não tinha tido experiência com um projeto tão grande ou um cálculo tão grande. Comecei a construir em um papel todo o hardware e suas conexões, consultando os manuais para o cálculo do tempo de processamento de cada equipamento, rede etc. Lembro-me de pedir ajuda a algumas pessoas técnicas / de marketing da empresa responsável por nossos negócios no Brasil (era a filial americana na época) e confesso que fiquei desapontado com a falta de ajuda, com pessoas até me dizendo que esse projeto não funcionaria. Mais tarde, depois que o projeto foi iniciado, fiquei mais decepcionado e triste (para não dizer zangado) com aquelas pessoas "que não ajudam" - que deveriam me ajudar - dizendo para mim "Foi fácil, hein ... "depois que eu disse a eles como eu desenvolvi uma maneira de resolver cálculos e uma maneira de fazê-lo funcionar, com a ajuda de outras pessoas (que não tinham o compromisso de me ajudar, como o engenheiro James Smith, que eu respeito muito! Deus o abençoe!). Estou tentando esquecer esses episódios, infelizmente, não é tão fácil para mim ... de qualquer maneira, vamos voltar às partes interessantes e felizes! Eu pude fazer todos os cálculos e, na minha primeira tentativa, com a solução cotada inicialmente pelos vendedores, cheguei a cerca de 14 ms. Após uma discussão interna, decidimos ir para o novo hardware, ainda não lançado no mercado ocidental, mas muito mais rápido do que o que estávamos propondo ao cliente. Uma maneira de resolver o problema. Eu tive contato e ajuda de um gerente (engenheiro) que é um dos engenheiros que mais respeito por ajudar as pessoas e por seu conhecimento: Sr. Nobuyuki Matsuoka. O Matsuoka-san me ajudou com algumas sugestões sobre como fazer o software e, depois que os cálculos terminaram, obtive menos de 10 ms (algo como 8 ou 9 ms). Fiquei feliz e apreensivo ao mesmo tempo: apesar de confiar em meus cálculos e minhas capacidades técnicas, isso significava que seríamos aprovados tecnicamente e o desafio de fazer o software funcionar começaria. Enviamos os cálculos à USP para análise e possível aprovação para a compra de nossos produtos. A primeira resposta foi que não fomos aprovados por causa dos preços: outro concorrente alcançou o desempenho esperado pela USP, com um preço melhor. Ok, fim de jogo para nós, então... Para nossa surpresa, duas semanas depois de recebermos a resposta negativa da USP, a USP voltou nos contatar para dizer que éramos os segundos na fila de fornecedores e o primeiro fornecedor aprovado inicialmente havia sido descartado. Esse fornecedor teve problemas ao responder a perguntas técnicas sobre o cálculo do tempo, portanto, a USP decidiu mudar e comprar nossa solução.

CH durante a fase de construção

Depois que fomos aprovados e o pedido de compra foi emitido para nós, os trabalhos para o desenvolvimento do software começaram. Lembro-me que o Prof. Pedro e eu trabalhamos em uma simulação e protótipos: primeiro com motores com CPU, sem carga, na bancada. Funcionou! Depois disso, passamos a testar com 2 ou 3 abas com o tanque ainda em construção. Foi bem de novo! Então fiquei feliz e aliviado. O ano já era 2008. O trabalho prosseguiu enquanto o tanque estava sendo construído. Demos treinamento a técnicos envolvidos no projeto do CH da USP, o Prof. Pedro trabalhou na expansão do protótipo para um software em escala real, para todos os 148 flaps que seriam colocados ao longo das bordas do tanque. Nessa fase, eu estava visitando a USP duas vezes por semana para apoiar a USP no desenvolvimento do software e resolver outros problemas técnicos.

Motores e arranjo elétrico para a movimentação dos flaps

Após a instalação de todos os flaps, alguns outros problemas técnicos, como o ajuste dos parâmetros de ganho da malha de controle devido à ressonância com o sistema mecânico ocorreram, mas puderam ser resolvidos satisfatoriamente após algum esforço. Finalmente, em 2009, o laboratório completo - incluindo o CH - foi oficialmente inaugurado. Figuras ocultas como eu não estavam no evento oficial ... Eu não ligo para essas formalidades. O que sei é que fiquei feliz em contribuir com um projeto tão especial! Você, leitor, pode estar curioso sobre os resultados... Tenho uma surpresa para você: assista ao vídeo que fiz abaixo! Ele mostra os testes feitos no tanque acabado como prova de conceito. Interferência de ondas, concentração de energia e até mesmo desenho na água podem ser vistos no vídeo. Você também encontrará muitos vídeos do Prof. (agora, Dr.) Pedro no YouTube!

Como sempre, espero que você tenha gostado dessa história e sinta-se à vontade para enviar feedbacks!

Saudações! Thiago