Edição 260 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 260 – 2020

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Gêmeos Digitais

Otermo Digital Twin foi definido por Michael Grieves, na Universidade de Michigan, em 2002, no contexto do Product Lifecycle Management. Ele apresentou o conceito como uma representação virtual de um produto fabricado, e sua ideia inicial era comparar o produto produzido com o que foi projetado, só que o Digital Twin não foi usado apenas para comparação de projeto e fabricação, mas definido como uma representação virtual de um produto físico, que contém todo e qualquer tipo de informação sobre este, sendo regularmente atualizado com informações vindas do meio físico. Para tanto, ele deve estar conectado com a sua parte física de alguma maneira, para a coleta e transferência de dados do físico para o digital.

Então, Digital Twins ou Gêmeos Digitais são réplicas virtuais de algo que existe. Foram criados para executar simulações, e estão mudando a forma como se trabalha em diversas frentes, porque ter um equivalente digital possibilita a otimização de implementações e a criação de cenários hipotéticos. Hoje, toda a tecnologia por trás dos gêmeos digitais permite a visualização e atuação no virtual de máquinas, fábricas, prédios, sistemas, cidades (já está acontecendo em São Paulo) e pessoas – aqui gerando grandes discussões éticas.

Um gêmeo digital tem uma relação recíproca com seu gêmeo físico. Por exemplo, um vagão de trem pode enviar dados para um modelo digital de si mesmo, enquanto o gêmeo digital irá analisar a temperatura, ocupação ou desempenho do carro, e pode fazer intervenções positivas, como alterar os controles de clima, ou enviar uma solicitação de manutenção.

Gêmeos digitais também podem ser conectados para que os ativos “conversem” entre si dentro de um sistema como, por exemplo, o de um trem gêmeo digital enviando mensagens para o gêmeo digital de um sinal de controle, para alterar o sinal físico. O uso destes gêmeos digitais conectados ainda é menos comum do que gêmeos digitais independentes, mas já estão surgindo, como no campo de Libra, no Pré-Sal.

“O termo gêmeo digital em si requer algum tipo de esclarecimento, pois, é utilizado em demasia por muitos fornecedores, para qualquer forma de visualização digital. E, em todo o cenário de fornecedores e operadoras, muitos usam o termo puramente como um repositório de informações. Isso geralmente envolve uma representação 3D ou 2D da instalação, com a documentação correspondente, que é alimentada com dados da plataforma de TI. Mas, ainda é uma representação estática da instalação, um instantâneo no tempo. As visualizações estáticas são realmente úteis, mas insuficientes se o objetivo é realizar análises preditivas confiáveis. O gêmeo digital de um ativo pode oferecer muito mais funcionalidades, como virtualização completa, e a inclusão de um modelo para descrever o comportamento do ativo. A Dynamic Digital Twin também contém modelos baseados na física, e baseados em dados que descrevem o comportamento do ativo. Em outras palavras, um gêmeo digital avançado, além de ser uma cópia de uma instalação física, integra e converge TI e OT, descreve a situação em tempo real e, por meio da Inteligência Artificial, prevê como a instalação se comportará ao longo do tempo”, acrescenta Camila Adati, especialista da Kongsberg Digital.

“Gêmeo Digital é um conceito amplo, que agrega várias tecnologias, como modelos 3D, repositórios de informações, gêmeos digitais estáticos e gêmeos digitais dinâmicos. Um Gêmeo Digital Dinâmico é uma réplica digital de um equipamento, processo ou sistema, que reproduz o seu comportamento ao longo do templo, ou seja, como as suas variáveis, como pressões, temperaturas e correntes, se comportam ao longo do tempo”, afirmam Dr. Rodrigo Juliani – fundador e CEO da Minerva Controls, especialista em Digital Twins Dinâmicos, engenheiro de Automação e Controle pela Poli/ USP, com Mestrado, Doutorado e Pós-Doutorado em Engenharia de Sistemas pela Poli USP, e Dr. Claudio Garcia, co-fundador da startup e seu colaborador.

E são os executivos da Minerva que frisam que é possível criar um gêmeo digital de quase qualquer coisa: um Gêmeo Digital Dinâmico de um processo industrial replica o seu comportamento ao longo do tempo, e permite, por exemplo, simular diferentes cenários de operação; um Gêmeo Digital Dinâmico de uma linha de produção ou linha de montagem de uma empresa de manufatura permite, por exemplo, predizer com precisão a sua produção ao longo do tempo, levando em consideração as reais condições do processo, o que é útil para avaliar o impacto de mudanças no processo antes de realizálas, e também é uma ferramenta muito útil para Planejamento e Programação de Produção.

“Também é possível que o Gêmeo Digital foque em apenas um ou poucos equipamentos, replicando o seu funcionamento. Por exemplo, um Gêmeo Digital Dinâmico de um equipamento de ar-condicionado permite detectar desvios de comportamento, e adotar a manutenção preditiva com foco em eficiência energética, na qual, além de se detectar a necessidade de manutenção antes que ocorra uma falha, é quantificada a diminuição da eficiência do equipamento, e quantificado o quanto se está gastando a mais e será economizado, se for feita a manutenção do equipamento. No contexto de uma cidade e da saúde, um Gêmeo Digital Dinâmico permite simular o fluxo de pessoas, produtos e veículos ao longo do tempo, em diversos cenários, sempre levando em consideração as reais condições do sistema”, comenta Dr Juliani.

E embora existam barreiras de escala e complexidade a superar, ecossistemas de gêmeos digitais podem ser criados dentro redes de ativos baseados em serviços, como instalações de saúde ou transporte, a fim de coordenar os serviços entre a rede. Um Gêmeo Digital Nacional por exemplo, seria um ecossistema de gêmeos digitais conectados onde diferentes modos de transporte, utilitários, serviços, pontes, túneis e assim por diante iriam “conversar” com segurança uns com os outros, conforme necessário, a fim de fornecer melhores serviços e mais valor. Parece distante? Em 2019, o governo britânico noticiou que estaria criando um gêmeo digital de toda a sua infraestrutura nacional, para se preparar para desafios futuros.

A pandemia está mudando todos os cenários, e a Global Workplace Analytics prevê que de 25% a 30% da força de trabalho total deve trabalhar remotamente, até o final de 2021, o que faz com que as organizações deem mais atenção aos gêmeos digitais, para lidar com os novos desafios nas operações – para projetos específicos ou para melhorar o desempenho dos negócios.

E ainda que que essa tecnologia seja nova para alguns, uma pesquisa da Gartner com vários setores em seis países, descobriu que 75% já implementaram ou planejam implementar um gêmeo digital dentro de um ano.

Segundo a Gartner, os principais fatores que tornaram possível a tecnologia dos gêmeos digitais foram a velocidade – dispositivos IoT podem coletar com relativa facilidade grandes volumes de dados, e transferi-los quase em tempo real; a resolução – as informações digitais ajudam a ver de perto os detalhes mais finos dos ativos físicos; o aprendizado – os algoritmos de aprendizado de máquina podem analisar os dados coletados e fazer previsões, refinando o gêmeo digital, com base nas informações coletadas, e calibrando o modelo geral e seus detalhes.

Já está acontecendo. Os dados coletados por meio de sensores permitem que um modelo virtual atue como o objeto real, o que significa que você pode manipulá-lo, monitorar partes e peças, testar abordagens, prever falhas e, ao invés de fazer suposições, se pode realmente ver o processo, e influenciá-lo.

Se um Gêmeo Digital é uma réplica digital de um equipamento, sistema ou processo, é como se uma planta idêntica à real fosse construída no mundo digital, e se pudesse acessar e visualizar qualquer parte e informação desta planta, sem sair do computador! Isto permite, por exemplo, que se façam diversos testes neste ambiente virtual. É possível avaliar rapidamente qual será o impacto de uma mudança no processo, grande ou pequena, e prever o retorno de investimento de melhorias, antes de realizá-las. Também é possível prever o impacto de problemas no processo, permitindo identificar oportunidades de melhoria, tanto no processo, quanto na sua operação.

Quando aplicado em Otimização Industrial, o Gêmeo Digital Dinâmico melhora a operação da planta, dando mais estabilidade e eficiência ao processo. Quando aplicado em Manutenção Preditiva, o Gêmeo Digital Dinâmico possibilita a detecção antecipada de problemas, e a manutenção da eficiência, trazendo o benefício de planejar as atividades de manutenção para ter a melhor eficiência operacional do processo como um todo, tanto do funcionamento dos equipamentos, quanto da gestão da manutenção. Quando aplicado em Planejamento e Programação de Produção, o Gêmeo Digital Dinâmico traz maior agilidade e precisão às atividades de planejamento, melhor capacidade de adaptação frente a alterações de demandas ou mudanças no cenário produtivo, e maior previsibilidade na operação da planta.

“Nosso gêmeo digital é aplicável em todo o ciclo de vida do ativo, e é relevante para brownfields e greenfields. Antes de realizar modificações, manutenção ou reparos, uma réplica visual 3D de alta precisão do ativo é criada, com todos os parâmetros representados. Os dados para o modelo são coletados de várias fontes, incluindo dados de projeto, desenhos 2D e modelos 3D, dados operacionais de campo, juntamente com um modelo físico do ativo e sistemas especializados. Nesse contexto, a tecnologia mapeia, conecta e contextualiza os dados disponíveis para estabelecer um gêmeo digital personalizado. Uma vez que o modelo é estabelecido, as equipes têm um ativo paralelo virtual, onde podem introduzir dados mais detalhados para simular as modificações antecipadas ou variações do projeto básico. Se baseado em nuvem SaaS, um gêmeo digital permite equipes mais enxutas e operações mais eficientes”, diz Camila.

Mas, a digitalização não precisa ser um processo grande e opressor. “Há diferentes soluções de Gêmeos Digitais no mercado, que vão, desde modelos tridimensionais de prédios e linhas de produção, a gêmeos digitais dinâmicos de sistemas complexos. A Minerva Controls é especializada na criação e aplicação de Gêmeos Digitais Dinâmicos de altas precisão e eficiência!”, afirma Dr Juliani. Afinal, a digitalização deve permitir um trabalho mais fácil, resultados instantâneos, e um sistema fácil de aprender.

Implementar um gêmeo digital ajudará a empresa maior a entender melhor o valor do aprimoramento. No entanto, os gêmeos digitais não podem operar de forma eficaz, sem tecnologia em torno deles. Portanto, começando aos poucos e dando passos no processo de transformação digital, investindo em tecnologias como sensores e ativos inteligentes, ferramentas analíticas avançadas, IA e aprendizado de máquina, se pode facilitar financiamento para um projeto de digitalização maior.

“Mas, dependendo da aplicação, um Gêmeo Digital Dinâmico pode ser criado sem necessidade de nenhuma estrutura física, mesmo sem sensores, redes de campo ou sistemas de aquisição de dados! Para aplicações mais complexas, pode ser necessário a instrumentação do processo e acesso às suas medições. Hoje, mesmo em aplicações complexas, já é possível criar Gêmeos Digitais Dinâmicos, sem a necessidade da pré-existência de dados históricos, sendo possível implementar a tecnologia junto com a instalação de sensores na planta. Certamente, quando a planta ou o equipamento já possui recursos de automação, como sensores e sistemas de aquisição de dados, estes ajudam muito na criação dos Gêmeos Digitais, e permitem aplicações mais avançadas da tecnologia. A conectividade com a nuvem também ajuda bastante na implantação de tecnologias baseadas em Gêmeos Digitais Dinâmicos, permitindo acesso às aplicações e a cálculos computacionais avançados, sem a necessidade de investimentos em computadores de alto desempenho”, afirmam os executivos da Minerva Controls.

Vale destacar o que disse Keith Bentley, CTO da Bentley Systems, na Conferência Year in Infrastructure, de 2019: “Nem tudo vai ser perfeito. Nem tudo vai funcionar de primeira. Com o desenvolvimento de softwares, você precisa ser ágil, e trabalhar dentro de um ciclo de construção, análise e aprendizado. Para a Bentley, esse ciclo é contínuo, e se repete a cada três semanas. Quando você constrói algo, você executa, testa e verifica se sua simulação está sendo satisfatória. Caso contrário, você ajusta. Esse ciclo se repete rapidamente, permitindo que você reaja ao que funciona, e pare de fazer o que não funciona”.

O desafio de transformar em bussiness os recursos tecnológicos inteligentes à disposição, de maneira alinhada à estratégia sustentável global da Enel, envolve a descarbonização da eletrificação – incluindo aí a eficiência energética, a energia limpa e suporte ao desenvolvimento de uma mobilidade ambientalmente correta.

“Se a gente projeta o futuro, os levantamentos apontam para uma enorme concentração em cidades. Espera-se que, em 2050, 7 bilhões de pessoas vivam centros urbanos, gerando e sofrendo problemas por conta dessa concentração. Poluição, resiliência das redes, impactos na telecomunicação... Estamos combinando nossa expertise às tecnologias associadas à eficiência da rede, para sermos uma distribuidora do futuro, agora”, conta Bruno Franco Cecchetti, diretor de Tecnologia de Redes da Enel Brasil.

Para se preparar para operar em Megacidades, a Enel está testando diversas tecnologias, através de seu projeto Urban Futurability, a primeira Rede Digital Twin da América do Sul, um modelo 3D que reproduz uma parte da Vila Olímpia, bairro da zona sul de São Paulo/SP. Por que Vila Olímpia e não Guaianazes? Para trabalhar hoje com a densidade de energia de uma megacidade, algo como o conceito de escala industrial. “O desafio é entender as tecnologias hoje e fazer o roll out delas a tempo de que todos possam usufruir de seus benefícios e dar subsídios para se fazer frente aos desafios sociais e ambientais que nos esperam,” explica Bruno.

A ideia é testar tecnologias que possam melhorar o serviço e a segurança para todos os envolvidos. A Enel escolheu o local por se aproximar do que se espera de demanda de uma megacidade, em termos energéticos. O projeto é dinâmico, como uma cidade o é, então, possui 48 iniciativas, onde a Enel testa tecnologias, realiza provas de conceito, analisa as relações de custo x benefício de forma não cartesiana, e aplica a solução quando adequado. O Urban Futurability é um living lab, que já começou a transformar as relações com os clientes de maneira mais ampla, como, por exemplo, otimizando a manutenção da rede, que de apenas reativa, passou a ser preditiva, e já reduziu, em alguns casos, o tempo de reativação de fornecimento de energia.

E esse laboratório de soluções foi desenvolvido a partir da reprodução fiel de todos os elementos físicos do espaço escolhido, através de um canhão de laser, que digitalizou a área com potência de 1 milhão de pontos por metro quadrado – dados aquisitados por terra e ar/drones. A tecnologia que Enel utilizou fez um rastreamento e modelou no CAD 3D. Também foi utilizado equipamento de termovisão, para identificar pontos mais e menos quentes, e estabelecer o ‘normal’ de cada um.

Esse foi apenas o primeiro nível de trabalho, ainda há outros quatro, e o segundo foi o sensoriamento da rede e dos pontos considerados críticos: são cinco mil sensores espalhados pela área para alimentar o gêmeo digital sobre nível de tensão, voltagem e corrente, mas a Enel não trabalha apenas com grandezas elétricas. Foram incluídos sensores de unidade, calor, poluição – tudo que influencia a conservação dos ativos.

“Uma rede de distribuição é muito capilarizada, e o maior desafio é achar a medida certa do quê e quanto investir, em cada passo do processo, para se conseguir levar o projeto à frente. Por isso, para começar, fizemos um field sensing que detectou dois mil pontos críticos com ROI dentro do esperado”, comentou Amadeu Fernandes De Macedo, head de Smart Grid Devices.

E o projeto pensou uma solução para cada criticidade, onde os sensores enviam dados, de acordo com o tempo especificado – que varia de acordo com a grandeza – e os medidores inteligentes, por exemplo, enviam dados a cada 15 minutos. E diariamente há uma consolidação do modelo.

Aí entra a Inteligência Artificial, que agrega todos os modelos de imagem, dados de sensores, e outros parâmetros de negócio para automatizar tarefas, e ir atrás de anomalias, como um poste inclinado, áreas com temperatura fora do padrão, necessidade de poda, etc. A todos os dados analisados pela IA, somam-se a expertise da empresa e o conhecimento do operador em campo – que já pode receber, em alguns casos, apoio remoto de especialistas, através de equipamentos de Realidade Aumentada e Realidade Virtual.

“O conector entre o poste e o cliente é onde aparecem mais problemas, mas a tecnologia verifica uma derivação no modelo, faz o balanço energético, aponta a diferença. Temos vários exercícios em machine learning rodando, para que melhorar a capacidade de diagnóstico e antecipação de problemas. Tudo dentro das diretrizes globais da Enel, que buscam a sustentabilidade através da reciclagem, economia circular e mapeamento social, para buscar respostas sustentáveis e então expandir para outras áreas”, afirma Amadeu.

Como prevê a Aneel, toda essa tecnologia tem fornecedores locais – seja para a modelagem ou para o sensor. Mais de uma vez, se adaptou uma solução industrial e a parte de telecom, que é fundamental para o envio de dados e manutenção do gêmeo digital encontrou solução na Nb-IoT (Narrow Band – Internet of Things, assim como Lora ou Sigfox, é uma LPWAN – Low Power Wide Area Network, ou rede de grande alcance, com baixo consumo de energia, projetada para viabilizar um projeto de IoT que abranja uma grande área, um local que precise estar 100% conectado por uma rede que seja, ao mesmo tempo, segura, duradoura e economicamente viável).

“As tecnologias estão à disposição aqui no Brasil. E nosso Laboratório de Inovação de Barueri/SP permite coworking com startups – que tocam algumas das iniciativas do Urban Futurability. Usar tecnologias, como o digital twins, não demanda contratar grandes e caros fornecedores, demanda dedicação,” afirma Amadeu.

Saindo do laboratório, algumas equipes de operadores de campo foram treinadas para instalar os equipamentos, e ainda ajudar na elaboração formal dos procedimentos referentes aos trabalhos de implantação e manutenção da ‘nova’ rede. Dessa forma, o trabalho da Enel no contexto do Urban Futurability já reduziu o tempo de reação a um evento na rede em 40 minutos – o que também resulta positivo nos Indicadores Técnicos da Aneel. Bruno lembra que toda pesquisa na Enel está alinhada, e não há duplicação de projetos para melhor aproveitamento de recursos, ou seja, o que é feito no exterior pode ser trazido para o Brasil e, da mesma forma, os desenvolvimentos daqui são acompanhados pelos pares nos diversos centros de pesquisa da Enel pelo mundo, formando o portfólio de soluções da empresa.

Um último nível desse trabalho é a formação de uma rede de negócios com aplicativos para suporte de pagamento ou compra de serviços, que vai crescendo a medida que outras entidades demandam os dados gerados pelo projeto, como as prefeituras – que podem utilizar a estrutura para gerenciar a iluminação pública, ou verificar se a fachada de um edifício se encontra irregular, por exemplo –, empresas de gás, de saneamento e mesmo organização de moradores. E esse aumento de usuários acelera o equilíbrio da plataforma, e sua expansão para outras áreas, numa espiral virtuosa.

A Petrobras vem trabalhando com tecnologias disruptivas há alguns anos, e isso inclui o conceito de gêmeos digitais, aplicado em diversas frentes do upstream e middlestream. O projeto Gêmeos Digitais de Libra, por exemplo, tem previsão de início de sua implantação no segundo semestre de 2021. O foco do projeto é o gerenciamento em tempo real da produção do campo de Mero, incorporando soluções tecnológicas, que vão, desde a computação de alto desempenho e uso da nuvem, até a instalação de rede de fibra óptica, para atender aos sistemas de produção (FPSOs), que irão operar no campo. Com essas inovações, a expectativa é aumentar a produção de petróleo e gás, bem como reduzir os custos envolvidos nas operações e situações de risco. Associado a outras tecnologias, como o monitoramento sísmico permanente e a completação inteligente, a Petrobras é capaz de cruzar dados e informações de forma mais ágil, aumentando a eficiência do controle da operação e desenvolvimento do campo, além de incrementar a confiabilidade dos equipamentos. O campo de Mero é operado pelo Consórcio de Libra, e liderado pela Petrobras – com participação de 40% – em parceria com a Shell Brasil (20%), Total (20%), CNODC (10%), e CNOOC Limited (10%). O consórcio tem ainda a participação da estatal Pré-Sal Petróleo S.A. (PPSA), gestora desse contrato.

Os reservatórios de Libra estão entre os mais produtivos do Pré-sal, com reservatórios heterogêneos de óleo e gás associado, e ocorrências esparsas de rochas ígneas intrusivas e extrusivas, o que causa desafios para imagens sísmicas e modelagem de arquitetura de reservatório. Libra está localizado a cerca de 180 km da costa do Rio de Janeiro, em águas ultra profundas da Bacia de Santos, que variam de 1.700 m a 2.400 m.

Impulsionado pelos desafios, e alimentado por um espírito de inovação, o Consórcio Libra tem desenvolvido um portfólio de tecnologias para abordar esses desafios e fechar as lacunas técnicas e operacionais, a fim de agregar valor, reduzindo e gerenciando incertezas, otimizando a produção, e melhorando a recuperação geral de hidrocarbonetos.

Para gerenciar com eficiência a alta entregabilidade de Libra, tecnologias inovadoras foram implantadas para apoiar o desenvolvimento do campo.

Resumindo, o programa Libra Digital quer transformar o campo em um ativo totalmente conectado, que usa diversas ferramentas digitais, aproveitando dados e informações para monitorar e diagnosticar rapidamente tendências que possam impactar a segurança das pessoas, o meio ambiente, a confiabilidade dos equipamentos e o desempenho da produção.

O desenvolvimento de Libra é um projeto de fronteira, de classe mundial, em vários aspectos.

Todo o programa foi elaborado para atender as diretrizes de negócios: reduzir capex e opex; aumentar a produção; aumentar o fator de recuperação; melhorar o desempenho de HSE e apoiar a eficiência. E foi estruturado com foco em processo otimizado; acesso e integração de dados; desenvolvimento do conceito de Integrated Twin Digital – do subsolo ao processamento de óleo em plataformas offshore e offloading.

“Ao acelerar a jornada de transformação digital e inovação da Petrobras, estamos promovendo aumento de eficiência e de segurança nas operações, reduzindo custos e trazendo mais robustez e agilidade às decisões. O Digital Twins é um dos inúmeros recursos tecnológicos que utilizamos nos segmentos de upstream e downstream para monitoramento em tempo real, redução de falhas e facilitação na tomada de decisões. Até setembro deste ano, o uso desta tecnologia em seis refinarias proporcionou ganhos de US$ 125 milhões, com potencial de chegar a US$ 173 milhões ao ano”, conta Nicolás Simone, diretor de Transformação Digital e Inovação da Petrobras.

Em Libra, a escolha foi por uma abordagem incremental – conforme novas oportunidades e necessidades surgem, novas soluções vão sendo implementadas. E o modelo utilizado – denominado Libra 4.0 – interage e conecta cada sistema ou subsistema (reservatório, poço, assets submarinos) com outros ativos digitais – como FPSOs. Então, um orquestrador gêmeo é a chave para fornecer uma visão geral e completa dos ativos. E dada a exigência de interconectividade entre os elementos, existe a necessidade de adoção de protocolos, padrões e comunicação, para lidar com a heterogeneidade de dados, incluindo ajustes na especificação de contratos e simplificação de processos. Ou seja, Libra é um ambiente experimental para testar e validar soluções digitais, que amadureceu ao ponto de impactar os principais processos de negócios.