UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO

ANDRÉ EDUARDO BATISTEL DE SOUZA

FERNANDA RODRIGUES BATISTA

MARCOS SÉRGIO PACHECO DOS SANTOS LIMA JUNIOR

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO E DE

CONTROLE PARA PLANTA PILOTO DE ESCOAMENTO

MULTIFÁSICO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA

2011

 

ANDRÉ EDUARDO BATISTEL DE SOUZA

FERNANDA RODRIGUES BATISTA

MARCOS SÉRGIO PACHECO DOS SANTOS LIMA JUNIOR

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO E DE CONTROLE PARA PLANTA PILOTO DE ESCOAMENTO

MULTIFÁSICO

Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Carlos Eduardo Ferrante do Amaral, Dr. Eng. Co-Orientador: Tiago Piovesan Vendruscolo, Eng.

CURITIBA

2011

 

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 4

1.1 TEMA ................................................................................................................ 4

1.1.1 Automatização e Automação ............................................................................. 4

1.1.2 Escoamento multifásico na área petroquímica .................................................. 6

1.1.3 Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) ........................................................ 7

1.2 PROBLEMA ....................................................................................................... 9

1.3 OBJETIVOS ...................................................................................................... 9

1.3.1 Objetivo geral .................................................................................................... 9

1.3.2 Objetivos específicos ....................................................................................... 10

1.4 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 11

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ........................................................ 11

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................ 14

1.7 CRONOGRAMA .............................................................................................. 15

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 16

4  

1 INTRODUÇÃO

1.1 TEMA

1.1.1 Automatização e Automação

A automatização e a automação manifestam-se de diversas maneiras,

muitas vezes de forma imperceptível, porém influenciando o contexto em quese

encontram. Comumente estes dois conceitos são tratados como sinônimos, o que

não é verdade.

O termo automatização fortaleceu-se com a Revolução Industrial, que se

caracterizava principalmente pela substituição, parcial ou total, da mão-de-obra

humana por máquinas que dispunham de movimento automático e repetitivo. Um

processo onde existe a aplicação somente da automatização, pode ser encarado

como um processo cego, que tem suas variáveis de saída independentes das

variáveis de entrada e não contempla sistemas para correções de erros, também

sendo denominado de controle em malha aberta. Já a automação abordaa

manipulação de um sistema, recebendo informações provenientes deste, analisando

os dados e avaliando, através de algoritmos, a necessidade de atuação. O controle

que relaciona os valores de saída aos sinais da entrada de referência do processo,

buscando a correção de erros, pode ser classificado como um controle a malha

fechada ou com realimentação. (SILVEIRA; WINDERSON, 2010).

O entendimento das diferenças presentes entre estas malhas de controle e

conceituação de um sistema propiciará conhecimento necessário para avaliação da

malha mais adequada para cada tipo de processo em diferentes aplicações.

Segundo Dorf e Bishop (1998), um sistema em malha aberta utiliza algum

tipo de dispositivo de atuação para controlar de forma direta o processo, sem o uso

de retroalimentação.

Esta configuração tem como características a sensibilidade a perturbações e

a incapacidade de corrigir os efeitos destas sobre o sistema(NISE, 2002). Em outras

palavras, as informações sobre a variável controlada não são aproveitadas para

manipulação da variável de entrada, que poderiam ser utilizadas para manipular as

5  

variáveis manipuladas e consequentemente as variáveis de controle (BEGA et al,

2003). A Figura 1ilustra um sistema a malha aberta de forma genérica:

 Figura 1- Sistema de controle a malha aberta (sem retroação)

 

Um sistema de controle em malha fechada utilizao sinal de saída do

processo para realizar a retroação. Este sinal é comparado com a

respostaesperada, ou set point, que pode ser uma referência ou um comando

(DORF; BISHOP, 1998). Este tipo de sistema manipula a variável de controle,

fazendo correlações em uma variável de processo, que é denominada variável

manipulada (BEGA et al, 2003). Um sistema de controle genérico a malha fechada é

mostrado na Figura 2.

 Figura 2- Sistema de controle a malha fechada (com retroação)

De acordo com Soisson (2002), a automação utilizando recursos

computadorizados para controle, registro e aquisição de dados expandiu seu

emprego para as plantas modernas, tais como: a indústria química, petroquímica, de

polpa e papel, alimentícia, siderúrgica, entre outras. Os processos produtivos

existentes nessas indústrias envolvem altos níveis de periculosidade e custos

associados. Esses fatores exigem um sistema de controle mais rigoroso, buscando-

se melhorar a segurança, diminuir desperdícios, prever falhas, maximizar produção e

controlar o processo produtivo de forma geral. Este trabalho foca o controle de uma

planta experimental para simulação de escoamentos na indústria petroquímica.

6  

1.1.2 Escoamento multifásico na área petroquímica

Na extração de petróleo e gás natural, trabalha-se com escoamento de

fluídosmonofásicos ou multifásicos (duas ou maissubstâncias). Para tal, existem

tubulações com trajetos inclinados, verticais e horizontais, conforme aFigura 3.

Tais dutos, muitas vezes ficam imersos em água com profundidades

alcançando uma faixa superior a 1000 m. A permanência desses dutos em altas

profundidades provoca variação de pressão e troca de calor do fluído interno à

tubulação com o meio. Além disso, o escoamento pode ser intermitente (pulsante),

ou seja, ocorre por meio de golfadas (SOUZA, 2010). A Figura 4ilustra alguns

padrões de escoamento bifásico composto por gás (em cinza) e líquido (em branco).

 

Figura 3- Trajetos percorridos pelo escoamento multifásico em exploração de petróleo e gás natural Fonte: Jornal “O Expresso” (2011)

7  

 Figura 4- Alguns padrões de escoamento bifásico gás-líquido em tubulações horizontais: a) Bolhas dispersas b)Golfadas c) Estratificado. Fonte:RODRIGUES, 2009

Essas características demandam estudos de equipamentos que sejam

capazes de determinar a vazão de cada fase do fluído separadamente. Também é

importante a verificação das pressões e temperaturas nos dutos, onde a dificuldade

de inspeção e troca de instrumentos é elevada. São problemas como esses que o

Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) procura estudar. Mais especificamente,

com a planta experimental de escoamentos multifásicos, analisa-se o

comportamento do escoamento, através de elementos sensores e simulações,

procurando desenvolver novos equipamentos para as medidas e estabelecer um

modelo matemático que represente os diferentes padrões de escoamento.

1.1.3 Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT)

O Laboratório de Ciências Térmicas está situado na Universidade

Tecnológica Federal do Paraná no campus Curitiba. Consiste em um grupo de

pesquisa criado em 1999 com atividades na área de Mecânica dos Fluidos,

Transferência de Calor e Termodinâmica, contemplando investigações teóricas e

práticas. O LACIT conta com um espaço físico de aproximadamente 60m², onde

possui linhas de pesquisa associadas às ciências térmicas, otimização e controle de

processos, instrumentação industrial e processamento de imagens, tendo como foco

8  

comum o estudo do escoamento de óleos pesados misturados com água, ar ou

sedimentos (PPGEM, 2011).

Nesta instalação encontra-se ocircuito experimental para estudo de

escoamento multifásico, a qual, desde sua instalação e instrumentação

iniciais(realizadas em 2009), já sofreu diversas alterações. O esquema daFigura 5 é

a representação do layout atual da planta experimental de escoamento que será

objetode estudo deste trabalho. A figura 6 apresenta fotografias da planta do

laboratório LACIT(tubulações, sensores e componentes do sistema de medição

multifásico).

 

Figura 5- Fluxograma da planta experimental.

 

 

Figura 6- Fotografia das tubulações, sensores e componentes do sistema de medição multifásico do LACIT.

9  

1.2 PROBLEMA

O sistema de vazão de gás e de água da planta experimental do LACIT

atualmente encontra-se em malha aberta. Os transmissores estão em comunicação

com uma central, por onde ocorre a leitura de dados e cálculos de alguns valores

como: a velocidade superficial, pressão e temperatura, que são variáveis relevantes

do processo.Os equipamentos que controlam a vazão de água e de gás são

manipulados pelo operador, sem ajuste fino dos valores em questão. Tais

equipamentos poderiamter o seu desempenho melhorado com a implantação de um

software supervisório, trabalhando simultaneamente a uma realimentação. Esta

modificação resultaria numa planta mais precisa e em um tempo menor para

aconfiguração de cada experimento.

Uma das partes do processoque deve ser ligadaa uma malha fechada éo

controle de vazão de entrada de gás. Atualmente este processo é realizado pelo

operador através de uma válvula manual.

Outroponto do processo que terá sua função e funcionamento estudados,

visando à automação da entrada de água na planta, é oconjunto composto pela

motobomba(BCIE602 WEG) e inversorde frequência(CFW08 WEG). O controle do

inversor é realizado por meio de um circuito analógico, onde o ajuste grosso do sinal

enviado ao conjunto é realizado através de um potenciômetro. Este inversor, por sua

vez, tem como finalidade controlar a rotação da motobomba responsável pela vazão

de água nos dutos da planta.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Desenvolver um sistema supervisório e de controle para planta piloto de

escoamento multifásico localizada no Laboratório de Ciências Térmicas da

Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

10  

Através da ferramenta de desenvolvimento LabVIEW (linguagem de

programação gráfica) projetar-se-á um sistema de blocos de aquisição de dados,

instrumentação e controle dos equipamentos da planta. A aquisição de dados

realizar-se-á por meio de uma placa de aquisição da NationalInstrumentstendo

comunicação com os elementos de campo através de uma rede de comunicação

com protocolo Fieldbus Foundation já existente.AFigura 7 mostra o diagrama de

blocos do sistema atual com as adaptações necessárias para o controle em malha

fechada.

Figura 7- Diagrama de blocos do funcionamento futuro do sistema.

 

1.3.2 Objetivos Específicos

Estudar o funcionamento e os componentes da planta experimental;

Especificar e desenvolver o circuito para a interface do computador com os

elementos de controle da vazão de ar e líquido;

Desenvolver um programa de controle em plataforma LabVIEW;

Fazer testes experimentais na planta de escoamento multifásico;

Realizar análise de incerteza do sistema e componentes;

11  

1.4 JUSTIFICATIVA

O controle pretendido à planta é o controle por realimentação, ou feedback,

negativa. Este tipo de controle utiliza o desvio do valor da variável controlada (cujos

dados são medidos por elementos sensores) em relação ao valor desejado (valorde

referência) para efetuar a ação corretiva através de equipamentos de controle. No

caso da planta estudada, os equipamentos de controle serão o conjunto inversor de

frequência - motobomba e a válvula de controle de injeção de gás.

A principal vantagem deste tipo de implantação está relacionada à redução do

esforço físico do homem (diminuição do tempo de configuração) eao aumento da

precisão de análise das características das variáveis analisadas, melhoria na

qualidade de um produto e segurança do processo,Bega et. al (2003). Isto ocorre

porque um sistema controlado com instrumentação mantém as variáveis do

processo em condições mais adequadas aos equipamentos e as estruturas do que

quando manualmente controlada por um operador. Ao contrário de um mecanismo

automático, o controle manual está sujeito a erros devido à distração ou ao cansaço

do operador. Os motivos aqui citados justificam a necessidade de implantação dos

conceitos de automação e controle na planta experimental.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

As etapas especificadas abaixo foram organizadas de forma a direcionar o

esforço intelectual e técnico da equipe para que os objetivos propostos neste

trabalho fossem satisfatoriamente atendidos.

1ª Etapa: Revisão Bibliográfica

Nesta etapa será levantado material a respeito dos temas abordados em

livros e artigos:

Protocolos de Comunicação Industrial

FieldBusFundation

Instrumentos de medição

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Sensores;

Válvulas de Controle;

Técnicas de medição de Pressão, Vazão e Temperatura;

Máquinas Elétricas

Motores deindução trifásicos;

Controle de motor de indução trifásica com Inversor de frequência;

Controle

Técnicas de Controle;

Plataforma LabVIEW;

2ª Etapa: Análise da planta existente

Durante esta etapa será investigado o funcionamento da planta experimental

para análise e especificação correta de seu sistema de controle através de artigos

publicados e orientação dos professores e pesquisadores do Laboratório de

Ciências Térmicas da UTFPR.

3ª Etapa: Desenvolvimento e Confecção do Circuito de Controle

Nesta fase estão previstas as especificações dos materiais e componentes

necessários para o desenvolvimento do hardware e o projeto e confecção do circuito

que fará a interface entre os componentes da planta. O circuito eletrônico projetado

fará a conversão D/A dos dados enviados pelo computadorao inversor de frequência

e à válvula de controle. Desta forma será obtido o controle das variáveis de vazão de

gás e de água.

4ª Etapa: Desenvolvimento do software de Controle

Esta etapa se iniciará com estudos aprofundados da ferramenta de

desenvolvimento LabVIEW com relação aos blocos de controle necessários para a

realização da malha fechada do sistema da planta. O software de comunicação

entre o centro de processamentos de dados e os transmissores, inversor de

frequência e válvula de controleserá desenvolvido em plataforma LabVIEW, que é

desenvolvido pela NationalInstruments e visa através de uma interface gráfica criar

códigos de programação em blocos. Diferente das linguagens de programação

baseadas em textos (lista de comando), esta linguagem utiliza ícones gráficos e

ligações que se assemelham a um fluxograma. A plataforma de programação

13  

LabVIEW disponibiliza uma grande quantidade de bibliotecas que possuem

aplicações específicas, ampliando a gama de atuação deste software, tais como:

aquisição de dados com placas DA e AD (DAQ), interfaces gráficas de análise de

dados, protocolos (OPC), instrumentos com interface serial e outros módulos de

automação, cálculo e simulação. A Figura é um exemploda tela de programação do

LabVIEW.

Figura 8- Exemplo de programação utilizando o LabVIEW 

5ª Etapa: Teste e análises

Após a finalização das atividades anteriores serão realizados testes para

avaliação do novo sistema automatizado da planta. Também nesta etapa será

realizada a análise de incertezas dos equipamentos e sistema, com as correções

necessárias.

14  

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho será composto de cinco capítulos. O primeiro capítulo destina-

se a introdução sendo subdividido em tema, problema, objetivo geral e objetivos

específicos, justificativa e procedimentos metodológicos.

O segundo capítulo irá explicar através de pesquisa bibliográfica os

principais conceitos que envolvem o funcionamento da planta de escoamento

multifásico do LACIT. Também levantar-se-á especificações dos equipamentos

físicos de instrumentação, fundamentações a respeito de redes industriais, e

plataforma de programação LabVIEW.

O terceiro capítulo irá tratar do desenvolvimento do hardware a ser

implantado para o controle da vazão de gás e de líquido da planta. Será explicado

como será a topologia física do circuito que servirá de interface entre os

componentes da planta. Também fará parte desse capitulo o desenvolvimentodo

programa emLabVIEWpara o controle da planta em malha fechada e a comunicação

coma eletrônica projetada.

O quarto capítulo realizará um estudo sobre exatidão inerente à automação

e aos instrumentos utilizados. Serão tratadas as possíveis incertezas, problemas e

resultados decorrentes do controleda planta (em malha fechada) e serão mostrados

os resultados dos testes executados.

 

1.7 CRONOGRAMA

ATIVIDADE 2011 2012

OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Revisão bibliográfica e estudo da planta atual

Aquisição de sensores

Projeto geral do sistema de controle Desenvolvimento do circuito eletrônico para

controle

Programação em ambiente LabView

Testes na planta experimental

Análises e correções

Testes finais

Documentação

Defesa do TCC

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REFERÊNCIAS

BEGA, Egídio A.(Org.) et al. Instrumentação Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. DORF, Richard C.; BISHOP, Robert H. Sistemas de Controle Modernos. 8ª ed. LTC, 1998. DZIADZIO, Eliane; JUSTINIANO, Reinaldo S. G.; MARASCHINI, Samuel D. Instrumentação de circuito de escoamento bifásico em tubulações. 2009. 99 f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2009. Jornal“O Expresso”. Disponível em: <http://jornaloexpresso.wordpress.com/2010/11/16/the-guardian-petroleiros-do-brasil-destinados-a-dominar>. Acesso em: set. 2011. NI - Nationalinstruments. Disponível em: <http://brasil.ni.com>. Acesso em: set. 2011. NISE, Norman S. Engenharia de Sistemas de Controle. 3ª ed. Rio de janeiro: LTC, 2002.

PPGEM - Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica. Disponível em: <http://www.ppgem.ct.utfpr.edu.br/lacit/index.php?arquivo=infralacit > . Acesso em: set. 2011. RODRIGUES, Hendy T. Simulação numérica do escoamento bifásico gás-líquido no padrão de golfadas utilizando um modelo lagrangeano de seguimento de pistões. Dissertação de Mestrado, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2009. SILVA, Marco J. da; AMARAl, Carlos E. F.; MORALES, Rigoberto E. M.; ARRUDA, L. V. Investigação experimental de escoamentos bifásicos gás-líquido em tubulações através da técnica wire-mesh. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2010. SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e Controle discreto. 9ª ed. São Paulo: Érica, 2010.

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SOISSON, Harold E. Instrumentação Industrial. Hemus, 2002. SOUZA, Jaime N. M. de. Modelagem e simulação de escoamento Multifásico em dutos de produção de óleo e Gás natural, 2010. 291 f. Tese de doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010.