AUTOMACAO, CONTROLE E SUPERVISAO DE UMA PLANTA INDUSTRIALUTILIZANDO TECNOLOGIAS EM REDES INDUSTRIAIS

Andres O. Salazar, Andre L. Maitelli, Filipe de O. Quintaes, Eudes G. A. Junior,Iuri A. C. Dantas, Luis A. A. de Assis

UFRN - DCA - CT - LAMPCampus Universitario - Lagoa Nova

CEP: 59072-970Natal, RN, Brasil

Emails: andres@dca.ufrn.br, maitelli@dca.ufrn.br, filipe@dca.ufrn.br,eudesautomacao@yahoo.com.br, iuriaugusto@yahoo.com.br, arthur_almeida_18@hotmail.com

Abstract This paper shows a methodology of laboratory functioning - Laboratory of measurement evaluationin oil (LAMP). The objective of the laboratory is to evaluate automatically the measurers of Flow and BSW(Basic Sediments and Water) through the simulation of several conditions of field operation.

Keywords BSW, Fieldbus, oil.

Resumo Este artigo apresenta a implantacao do sistema de automacao do LAMP - Laboratorio de Avaliacaode Medicoes em Petroleo da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Sao utilizadas tecnologias deredes industriais com enfase no barramento de Campo Foundation Fieldbus. E apresentado o hardware utilizadopara gerenciar, monitorar, controlar, manter e operar a planta, assim como a disponibilizacao de suas informacoesem sistema de supervisao utilizando protocolo de comunicacao OPC. E mostrada a metodologia para integracaode tres tecnologias de comunicacao de dados distintas, o Foundation Filedbus, Modbus RTU, ponto-a-ponto,demandadas para a operacao da planta com confiabilidade e seguranca.

Keywords Fieldbus, BSW, Petroleo.

1 Introducao

Atualmente, as industrias precisam de confi-abilidade, flexibilidade e economia dentro de seusistema. Por isso, a evolucao da automacao, bemcomo os ramos das redes industriais precisam es-tar inseridos dentro de qualquer planta industrial.

Pensando nisso o Laboratorio de Avaliacaode Medicao em Petroleo (LAMP), localizado naUFRN, teve durante seu projeto a visao de obteras vantagens advindas dessa evolucao alem deacompanhar o estado da arte de tais tecnologias.

2 Objetivos

O objetivo deste laboratorio e avaliar auto-maticamente as medicoes de vazao e BSW (BasicSediments and Water) atraves de varias condicoesde simulacao de operacao de campo. A automacaoe feita com avancada tecnologia de barramento decampo. A principal caracterstica do laboratorioe a integracao de tres destas tecnologias: Founda-tion Fieldbus, protocolo MODBus RTU e ponto-a-ponto, Natale(2000). Com o protocolo OPCserver, o controle e supervisao das informacoes saoavaliados num computador supervisorio. O labo-ratorio esta localizado na Universidade Federal doRio Grande do Norte (UFRN) e fornece a melhorqualidade no que diz respeito a medicoes feitascom petroleo em seu estado e nas vizinhancas.

3 Laboratorio de Avaliacao de Medicaoem Petroleo

Para a avaliacao de medidores de vazao eBSW foi desenvolvido no laboratorio um metodode afericao de medidores. Trata-se de um novometodo de medicao que se propoe a determinaro valor verdadeiro convencional do BSW a par-tir da altura total da coluna lquida no tanqueauditor, pressao hidrostatica exercida pela colunalquida, gravidade local, massa especfica da aguae a massa especfica do oleo. A calibracao re-alizada conta com um sistema automatizado demonitoracao e aquisicao de dados de algumasdas grandezas de influencia necessarias a deter-minacao do BSW, permitindo uma maior confia-bilidade das medicoes realizadas.

O metodo proposto permite a simulacao dediferentes condicoes de operacao dos medidoresem campo, ou seja, usar misturas de agua eoleo em proporcoes e vazoes variadas. Usando ometodo desenvolvido sera possvel medir a vazaoe BSW da simulacao comparando com a medicaoapresentada pelo instrumento.

Para realizar estas simulacoes o laboratoriopossui 6 tanques que sao eles: oleo, agua, mistu-rador, auditor, resduos alem de um tanque trata-dor para separacao agua/oleo, que possibilita areutilizacao da agua e do oleo em seguidos testes,sem necessidade de descartes a cada teste. Afigura 1 ilustra a disposicao dos tanques do la-boratorio.

O processo consiste inicialmente em tomar

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Figura 1: Planta Industrial

proporcoes desejadas dos tanques de agua e oleo emistura-los no tanque misturador por um perodopreviamente calculado, em seguida o lquido mis-turado e transferido atraves da tubulacao por umalinha que mede aproximadamente 15m onde es-tao localizados os instrumentos a serem testados,como, por exemplo, medidores de vazao e BSW;a mistura e levada entao ao tanque auditor ondee possvel medir com boa exatidao os reais val-ores da vazao e do BSW. No final do processo olquido e transferido ao tanque tratador onde, pordecantacao, os lquidos sao separados e bombea-dos para os tanques de origem.

4 Redes Industriais

Os Barramentos de Campo (Fieldbus) sao uti-lizados em automacao e controle de processos in-dustriais. Os dados coletados neste nvel saofornecidos a rede de controle, possibilitando assimo controle em tempo real, bem como planejamentode acoes de seguranca.

A utilizacao da tecnologia Fieldbus permite areducao do sistema de controle em termos de hard-ware, pois muitos dispositivos podem ser conecta-dos com um par de fios, o que resulta em cabosmenores, barras de seguranca menores e gabinetesordenados.

4.1 Foundation Fieldbus

O Foundation Fieldbus e um sistema de comu-nicacao totalmente digital, em serie e bidirecionalque conecta equipamentos fieldbustais como sen-sores, atuadores e controladores. Ao contrariodos protocolos de rede proprietarios, o Founda-tion Fieldbus nao pertence a uma unica empresaou e regulado por um unico organismo ou nacao.

Com as facilidades da comunicacao digital,a quantidade de informacoes disponveis e muitomaior do que a dos sistemas de automacaotradicionais onde a quantidade de informacoes

disponveis nao vai alem das variaveis de controle.Multiplas variaveis de cada dispositivo podem sertrazidas ao sistema de controle da planta para ar-quivo, analise de tendencia, estudos de otimizacaode processo e geracao de relatorios.

4.2 Protocolo MODBus RTU

Com o protocolo MODBus o objetivo de esta-belecer uma comunicacao mestre-escravo/cliente-servidor entre dispositivos inteligentes. Hoje e umpadrao de fato, verdadeiramente aberto, sendo umdos protocolos de rede mais largamente usado noambiente industrial.

Os dispositivos que suportam este protocolonormalmente possuem funcoes de monitoramento,configuracao e o modulo de controle I/O.

No modo RTU (Remote Terminal Unit) cadabyte da mensagem contem dois caracteres hex-adecimais (cada caractere representado por qua-tro bits) e a mensagem e transmitida de maneiracontnua.

4.3 Ponto-a-Ponto

A comunicacao ponto-a-ponto e uma tecnolo-gia utilizada na alimentacao, controle e supervisaodos dispositivos de campo. E largamente utilizadaem aplicacoes que necessitam de alarmes para efe-tuar o controle dos nveis dos reservatorios, dentreoutras aplicacoes. O mecanismo que controla essesalarmes e bastante simples, consistindo num sinalde tensao constante que possui nvel baixo (0 V)e nvel alto (24 V).

5 Processos do Sistema de Automacao

O sistema de automacao foi desenvolvido emcima de tecnologias de redes industriais. Foi uti-lizada a tecnologia Foundation Fieldbus para to-dos os medidores utilizados no campo, como trans-missores de pressao, temperatura, interface, nvele vazao; e foi utilizado a tecnologia MODBus paraacionar e monitorar os diversos parametros dos in-versores das bombas.

O laboratorio foi dividido em 5 estados deprocesso, o estado de Emergencia, o de Abasteci-mento, o de Reciclagem, o teste Simples e o testeConsecutivo.

Estado de Emergencia: Como o proprionome sugere, este estado foi desenvolvido para assituacoes de emergencia. Caso alguma anormali-dade aconteca, ou seja, algo inesperado pelo sis-tema, o laboratorio entra neste estado. Neste es-tado, todas as bombas e as valvulas sao desati-vadas e o supervisorio comunica ao operador queha algo errado no processo. O supervisorio grava ahora e qual equipamento que informou ao sistemaa inoperancia do laboratorio.

Estado de Abastecimento: Este estado einformado manualmente pelo operador na sala de

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controle atraves do sistema supervisorio. Este es-tado foi desenvolvido para situacoes de abasteci-mento do tanque de agua e oleo, atraves de cami-nhoes de transporte de combustveis.

Estado de Reciclagem: O objetivo desteestado e permitir a recuperacao de agua e oleo de-positada no tanque de resduos atraves da limpezada linha de um teste para outro, como tambem alimpeza do tanque Auditor. Deste modo, ocorre atransferencia do tanque de resduos para o tanquetratador, para futura separacao.

Estado de Teste Simples: Neste estado, olaboratorio esta habilitado a realizar a sua princi-pal funcao, avaliar os medidores de vazao e BSW.Definido o BSW e a vazao do teste, o sistema su-pervisorio envia dados para a rede fieldbus e oteste inicia-se. Primeiramente, a quantidade deagua definida atraves do BSW e vazao e trans-ferida do tanque de agua para o tanque mistu-rador. Logo em seguida e transferida a quantidadede oleo para o tanque misturador. Com as quan-tidades de agua e oleo transferidas para o mistu-rador, inicia-se a mistura de recirculacao, a bombae acionada e o fluido e misturado. Apos o tempode mistura estar completo o teste e iniciado. Abomba injeta o fluido do misturador no duto deteste, passando pelos instrumentos a serem testa-dos e chegando ao tanque auditor.

Estado de Teste Consecutivo: Funcionada mesma forma que o teste simples, porem pode-se realizar comparacoes entre medidas do auditorcom as medidas dos instrumentos, ou seja, pode-se testar os instrumentos em diferentes pontos deoperacao. Apos o primeiro teste ao inves do fluidoir para o tanque tratador ele ira para o tanquemisturador e nele sera adicionado ou agua ou oleo.Se for adicionada agua, o BSW e o tempo de testesao aumentados e se for adicionado oleo o BSWdiminui e o tempo de teste aumenta.

5.1 Metodo Utlizaado para Determinacao dasVariaveis do Sistema

O metodo utilizado para medicao do BSW eilustrado na figura 2. No tanque auditor temosdisponveis, com boa exatidao, atraves de nossosmedidores as variaveis necessarias para a deter-minacao do BSW, essas variaveis sao mostradasabaixo:

0 : massa especfica do oleoa : massa especfica da aguagl : aceleracao da gravidade localh : altura da coluna do fluidoP : pressao hidrostatica

Esses dados acima sao coletados pelos in-strumentos de campo e via protocolo OPC saodisponibilizados para o sistema supervisorio. Apartir deste e gerada uma copia das variaveis em

Figura 2: Determinacao do BSW

uma planilha do Excel denominada como planilhade Incertezas que e responsavel pela aquisicao dasgrandezas necessarias a determinacao da vazao edo BSW. Esta planilha trabalha em conjunto como sistema supervisorio. A equacao 1 apresenta ocalculo para a determinacao do BSW.

BSW =Ph (0.gl.h)gl.h. (a 0)

(1)

O metodo para determinacao da vazao do pro-cesso, e dado pela razao entre a funcao de arquea-mento pelo tempo, conforme mostra a equacao 2.

q =(.h+ )

t(2)

A funcao de arqueamento determina que paracada altura temos um volume, e as variaveis e sao constantes da funcao de arqueamento.

No tanque auditor, sao analisados a curva doBSW e vazao obtidos no teste e comparados aosinstrumentos e um relatorio e emitido.

6 Controle e configuracao da redeFieldbus

A arquitetura usada na planta, como apropria tecnologia sugere, utiliza instrumentos in-teligentes, alem desses existem tambem unidadesde interface entre o computador supervisorio e arede, o gerenciador da rede, instrumentos sem in-teligencia etc. Na figura 3, temos um esquema dadisposicao dos instrumentos na rede:

Como se pode ver na figura, o barramentoMODBus contem os inversores, que por sua vezestao ligados aos motores das bombas, o co-processador e o gateway, que aparentemente naoesta ligado, mas ele se liga a um conversor depadrao de RS-232 para RS-485, que se localiza aolado do co-processador, e assim tambem faz partedo barramento.

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Figura 3: Arquitetura da Instrumentacao

Ainda na figura 3, temos a ligacao do PC aogateway via padrao Ethernet que e feito atraves dapropria rede de computadores do LAMP. Por ul-timo, temos 4 canais que usam a tecnologia Foun-dation Fieldbus, sendo cada um deles ligados aoGateway. Cada canal possui um conjunto de in-strumentos que estao ligados a um mesmo cabo eassim a um mesmo segmento da rede.

6.1 Controlador do Sistema

O controlador da planta e o DFI302 (Field-bus Universal Bridge) da SMAR, que esta repre-sentado na figura 3 como Gateway. Este e for-mado por varios modulos que sao eles fonte dealimentacao, processador (DF51) fonte Fieldbus eimpedancia para a linha.

O principal elemento desses e o DF51,primeiramente ele e a ponte (bridge) que faz ainterface entre a rede onde esta o sistema super-visorio, e as demais redes, assim todos os dadosde configuracao e/ou monitoramento passam porele. Este modulo tambem e o controlador dos bar-ramentos Fieldbus. Por ultimo ele e uma especiede mestre do barramento Fieldbus.

O que se necessitou configurar nesse modulo,alem ajuste de parametros de comunicacao, dizrespeito a comunicacao modbus. Como dito an-teriormente, existe um co-processador no sistemaque faz todo o controle logico, e se liga ao bar-ramento MODBus. Porem ele e apenas um es-cravo do barramento e com isso nao pode enviarmensagens. A logica que faz um motor ser lig-ado esta no co-processador e esse comando deveser enviado ao inversor correspondente, outro es-cravo, e e nessa hora que entra o DF51 que faz aleitura dos valores das bombas na logica LADDERdo co-processador e envia o resultado para o in-versor correspondente. Alem disso, o DF51 envialeituras recebidas do barramento Fieldbus para oprograma do co-processador.

6.2 Co-processador

Como ja citado anteriormente esse modulofaz o controle logico de todo o sistema de au-tomacao. Alem do modulo co-processador pro-priamente dito esse conjunto e formado por umafonte, dois modulos de 16 entradas digitais e doismodulos de 16 sadas digitais.

Esse processador e programado usando a log-ica LADDER. Em suas entradas digitais, ele re-cebe os estados das chaves de nvel muito alto emuito baixo de cada um dos tanques. Na parte dassadas digitais, temos associados solenoides quepor sua vez controlam a abertura e fechamentodas valvulas nas tubulacoes. Esse software recebetambem sinais de iniciar e emergencia, vindos dosistema supervisorio.

Esse programa em LADDER recebe ainda in-formacoes de alguns valores de medicao contnuade nvel e de densidade para realizar comparacoesque tambem comandam a logica do sistema.

6.3 Instrumentacao do Laboratorio

Varios sao os instrumentos utilizados naplanta do laboratorio. Sao utilizados transmis-sores inteligentes de pressao (com sensores tipocelula capacitiva), de nvel (com sensores tiporadar e ultra-som), de temperatura (com sensorestipo PT-100) e de densidade (com sensores tipocelula capacitiva).

Existem ainda instrumentos bem mais sim-ples, sao eles as chaves de nvel, que usam boias, eas valvulas atuadoras, que sao acionadas atravesde solenoides. Um ultimo sistema de medicao ex-istente e o de vazao que e formado por mais de uminstrumento. Nesse conjunto o elemento sensor edo tipo engrenagens ovais, que emite pulsos a cadaquantidade fixa de volume que passa. Esses pulsossao enviados a um computador de vazao que faza soma de da vazao na linha e envia um sinal dotipo 4-20mA para um conversor corrente - Field-bus (IF) que entao disponibiliza os dados da vazaona rede Fieldbus. Esse conversor IF tambem e uminstrumento inteligente.

As chaves de nvel sao usadas para intertrava-mentos de seguranca. No tanque de agua e deoleo, temos um medidor de nvel tipo ultra-somque mede a quantidade de tais substancias a seremmisturadas no processo, alem de gerarem alarmesde nvel alto ou baixo. No tanque misturador etratador, existem sensores do tipo ultra-som queservem para indicar o nvel e gerar alarmes. Notanque tratador, ainda existe um medidor de den-sidade que e responsavel por detectar a interfaceoleo-agua apos a decantacao da mistura.

Na linha de testes, temos o conjunto medidorde vazao para se ter a vazao na linha, um medidorde temperatura e um de pressao para realizar com-pensacoes na medicao da vazao e um outro medi-dor diferencial de pressao para se saber quando

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deve haver manutencao do filtro do medidor devazao.

No tanque auditor, temos medicao de tem-peratura, de pressao e de nvel, que sao usadospara calcular o BSW da mistura sob teste. Parase diminuir as incertezas da medicao, usou-se ummedidor de nvel do tipo radar por esse ter maisexatidao que o tipo ultra-som, por exemplo. Oradar tera o papel de medidor padrao na avaliacaodos processos de medicoes em petroleo do LAMP.

Estes transmissores sao necessarios paramedir as grandezas direta e indiretamente envolvi-das nos processos de medicao de vazao e BSW.

Na medicao da vazao em linha e utilizadoo medidor de engrenagens ovais da fabricanteMETROVAL. Esse medidor e utilizado no con-trole, producao ou transferencia de produtos noestado lquido nas industrias petrolferas, petro-qumicas e qumicas.

Para fazer a transferencia dos lquidos do sis-tema e utilizado um conjunto motor/bomba. Parao bombeio de oleo de agua dos respectivos tanquespara o tanque auditor, passando pelos medidores,serao utilizados tambem inversores de frequenciaa fim de possibilitar a variacao das velocidadesdas bombas e a consequente variacao das vazoes.O motor utilizado e o motor trifasico da WEG aprova de explosao e os inversores sao do modeloCFW-09 da WEG, a bomba utilizada e rotativade deslocamento positivo Helicoidal NEMO R.

6.4 Softwares utilizados na configuracao daplanta

O Software Syscon e responsavel pela configu-racao dos equipamentos na rede Foundation Field-bus, definido suas finalidades, grandezas e a es-trategia de controle.

O Syscon e dividido em duas partes. Numaparte e possvel fazer toda a configuracao fsica darede, como caractersticas dos instrumentos, con-versoes, alarmes, diagnosticos de falhas etc. Noprojeto, a rede e dividida em quatro canais, no en-tanto esses canais sao configurados independente-mente, dependendo dos instrumentos que sao uti-lizados em cada um.

Na outra parte e feita toda estrategia decontrole, onde os blocos utilizados sao interliga-dos, inclusive blocos que estejam em instrumentosdiferentes, como um bloco de controle PID e umbloco AO responsavel por enviar dados ao atuadorFieldbus. Na Figura 4, e possvel visualizar umadas estrategias de controle do canal 1 do projetodo LAMP, esta estrategia e responsavel pela de-teccao de interface do tanque tratador. Nessa es-trategia estao interligados os blocos AI (Entradaanalogica) do instrumento com o bloco MBCM.O Bloco MBCM e responsavel pela comunicacaoMODBus, com os inversores de frequencia, e con-sequentemente com os motores.

Figura 4: Estrategia de controle do canal 1

A logica LADDER, desenvolvida no Log-icView, foi elaborada a partir de um diagramaCausa-Efeito, onde a logica do processo esta de-scrita. Esse diagrama possui 6 planilhas contendotodos os passos de cada etapa do processo. As eta-pas desenvolvidas foram a de abastecimento, reci-clagem, emergencia, teste simples, teste consecu-tivo (oleo) e teste consecutivo (agua). A figura5 mostra como foi desenvolvida uma parte daplanilha do teste simples.

Figura 5: Parte do diagrama causa-efeito

6.5 Sistema Supervisorio

Um sistema supervisorio e capaz de moni-torar, gerenciar e controlar uma planta indus-trial qualquer. Com a evolucao dos equipamen-tos industriais e o crescente uso dos sistemas deautomacao, essas tarefas tornaram-se mais com-plexas.

O supervisorio desenvolvido no laboratorio foielaborado pelo software ELIPSE/SCADA, pode-mos visualiza-lo na figura 6. No Elipse, utilizamoso ORGANIZER para ter acesso a todos os atribu-tos da aplicacao, podendo alterar as propriedades

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dos componentes da aplicacao de maneira facil erapida.

Os dados do processo podem ser obtidos peloElipse de duas formas. A primeira e via proto-colo MODBus, onde as TAGs sao associadas a umdriver de comunicacao, um endereco do disposi-tivo e outro da variavel nesse dispositivo. Essaforma de comunicacao e feita para monitorar oestado das variaveis no co-processador, ja que latodas elas tem um endereco MODBus.

A segunda forma de troca de dados e via pro-tocolo OPC (OLE Process for Control). Isso eusado, no caso do LAMP, quando se quer tra-balhar com variaveis que foram configuradas noSyscon, ja que e atraves desse software que ger-amos o banco de dados OPC, isso significa queatraves do OPC poderemos ler valores de medicoesde todos os instrumentos presentes na rede Field-bus, alem de variaveis que nao sao vem do barra-mento Fieldbus, mas apareceram no Syscon, comoo estado das bobinas no LogicView que sao re-sponsaveis por ligar os motores.

Uma vez com os dados no supervisorio pode-mos fazer registros, gerar alarmes, ter uma melhorinterface com o usuario, gerenciar acessos etc.

Algumas informacoes colocadas ou geradas nosupervisorio tambem sao relevantes ao funciona-mento do sistema. Podemos citar, se o teste serasimples ou consecutivo, valores de BSW a se tes-tar, momento de inicio de teste e entrar em estadode emergencia.

Figura 6: Sistema Supervisorio Desenvolvido

7 Conclusao

O projeto do laboratorio foi concludo satisfa-toriamente mostrando ser factvel a sua execucao.Os instrumentos e equipamentos necessarios parasua implementacao foram projetados e especifi-cados para avaliar as principais caractersticas epropriedades dos medidores de vazao e BSW nasfaixas especificadas.

Alem das vantagens de eficiencia e intero-pelabilidade na comunicacao da rede FIELDBUS,com a utilizacao dessa tecnologia consegue-se a re-ducao no tempo de instalacao e comissionamento,aproveitamento da inteligencia local dos instru-mentos, eliminacao de erros de conversoes A/D eD/A, e tornar disponveis informacoes que levema um aumento da eficiencia operacional com re-ducao de custos de manutencao e operacao.

Este e o primeiro laboratorio do Brasil queutiliza este metodo para avaliacao desses instru-mentos. Como trabalhos futuros serao feitos estu-dos para permitir que o laboratorio realize tam-bem a calibracao de medidores, posteriormentesua acreditacao junto ao INMETRO.

Referencias

Gillum, D. R., Industrial Pressure, Level andDensity MeasurementISA Publication, (1995).

Lima, C. E. G., Automacao de Testes de Pro-ducao e Determinacao de BSW de Pocos Produ-tores de PetroleoDissertacao de Mestrado do Pro-grama de Pos-graduacao em Engenharia Eletricada UFRN, Natal - RN, (2000).

Maitelli, A. L. & Lima, C. E. G., Automacaode Testes de Producao e Determinacao da RazaoAgua-Oleo de Pocos Produtores de PetroleoAnaisdo I Seminario Nacional de Automacao e Controle- ST035, Salvador-BA, (1999), pp 1-8.

Natale, F., Automacao Industrial2a ed. EditoraErica, Sao Paulo, (2000).

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