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Sistema de aquisição de dados para estudos de transiente de pressão e detecção de vazamentos em oleodutos

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Academic year: 2017

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PROGRAMA DE P ´OS-GRADUA ¸C ˜AO EM CIˆENCIA E ENGENHARIA DE PETR ´OLEO

Gabriell John Medeiros de Araujo

SISTEMA DE AQUISI ¸

C ˜

AO DE DADOS PARA ESTUDOS DE

TRANSIENTE DE PRESS ˜

AO E DETEC ¸

C ˜

AO DE

VAZAMENTOS EM OLEODUTOS

(2)

SISTEMA DE AQUISI ¸

C ˜

AO DE DADOS PARA ESTUDOS DE

TRANSIENTE DE PRESS ˜

AO E DETEC ¸

C ˜

AO DE

VAZAMENTOS EM OLEODUTOS

Disserta¸c˜ao de Mestrado apresentada ao Pro-grama de P´os-Gradua¸c˜ao em Ciˆencia e En-genharia de Petr´oleo PPGCEP, da Universi-dade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para a obten¸c˜ao do t´ı-tulo de Mestre em Ciˆencia e Engenharia de Petr´oleo. ´Area de concentra¸c˜ao: Automa¸c˜ao de Plantas Petrol´ıferas.

Orientador: Prof. Dr. Andr´e Laurindo Maitelli

(3)

Araujo, Gabriell John Medeiros de.

Sistema de aquisi¸c˜ao de dados para estudos de transiente de press˜ao e detec¸c˜ao de vazamentos em oleodutos / Gabriell John Medeiros de Araujo. – Natal-RN , 2012.

76f. : il.

Orientador: Prof. Dr. Andr´e Laurindo Maitelli.

Disserta¸c˜ao (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciˆencias Exatas e da Terra. Programa de P´os-gradua¸c˜ao em Ciˆencia e Engenharia de Petr´oleo.

1. Oleodutos de petr´oleo - Disserta¸c˜ao. 2. Detec¸c˜ao de vazamentos - Disserta¸c˜ao. 3. Sistema de aquisi¸c˜ao de dados Arquitetura SCADA -Disserta¸c˜ao. 4. Processamento digital de sinais - Disserta¸c˜ao. 5. Transiente de press˜ao - Disserta¸c˜ao. I. Maitelli, Andr´e Laurindo. II. T´ıtulo.

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SISTEMA DE AQUISI ¸

C ˜

AO DE DADOS PARA ESTUDOS DE

TRANSIENTE DE PRESS ˜

AO E DETEC ¸

C ˜

AO DE

VAZAMENTOS EM OLEODUTOS

Disserta¸c˜ao de Mestrado apresentada ao Pro-grama de P´os-Gradua¸c˜ao em Ciˆencia e En-genharia de Petr´oleo PPGCEP, da Universi-dade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para a obten¸c˜ao do t´ı-tulo de Mestre em Ciˆencia e Engenharia de Petr´oleo. ´Area de concentra¸c˜ao: Automa¸c˜ao de Plantas Petrol´ıferas.

Aprovada em:

Prof. Dr. Andr´e Laurindo Maitelli

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Orientador

Prof. Dr. Adri˜ao Duarte D´oria Neto

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Membro

Prof. Dr. Jos´e ´Alvaro de Paiva

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Agrade¸co primeiramente a Deus.

Agrade¸co aos meus pais, Neto e Gilma.

A minha irm˜a Gabrielle.

A minha namorada Marceane.

Aos meus amigos Daylson, Fernando, Rubens, Gil, M´arcio, Ivan, Desnes, Kennedy e Ale-xandre.

Agrade¸co aos meus amigos do projeto SONIC, ´Alvaro Avelino, Jos´e ´Alvaro, Rodrigo Eduardo, que tornaram poss´ıvel este trabalho.

Agrade¸co aos professores: Andr´e Laurindo Maitelli, Andres Ortiz Salazar e Adri˜ao D´oria Duarte Neto.

Aos Engenheiros Fabiano Azevedo e Dittz.

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(8)

Em fevereiro de 2011, a Agˆencia Nacional de Petr´oleo, G´as Natural e Biocombust´ıveis (ANP) publicou o novo Regulamento T´ecnico de Dutos Terrestres para Movimenta¸c˜ao de Petr´oleo, Derivados e G´as Natural (RTDT). Entre outros aspectos, o RTDT tornou obrigat´orio o emprego de sistemas de monitoramento e detec¸c˜ao de vazamentos em todos os dutos terrestres do pa´ıs.

Este documento traz um estudo sobre o m´etodo de detec¸c˜ao por transiente de pres-s˜ao. O estudo foi realizado num duto industrial de 16” de diˆametro e 9,8 Km de extenpres-s˜ao. O duto ´e totalmente pressurizado e transporta uma mistura multif´asica de ´oleo bruto, ´agua e g´as natural. Para a realiza¸c˜ao do estudo, foi constru´ıda uma infraestrutura de aquisi¸c˜ao de dados e valida¸c˜ao de algoritmos de detec¸c˜ao. O sistema foi concebido com arquitetura SCADA. Sensores piezoresistivos foram instalados nas extremidades do duto e Processadores Digitais de Sinais (DSPs) foram usados para a amostragem, armazena-mento e processaarmazena-mento dos dados. O estudo se baseou na realiza¸c˜ao de simula¸c˜oes de vazamentos por meio de v´alvulas e busca por padr˜oes que caracterizassem a ocorrˆencia de tais fenˆomenos.

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ABSTRACT

In February 2011, the National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels (ANP) has published a new Technical Rules for Handling Land Pipeline Petroleum and Natural Gas Derivatives (RTDT). Among other things, the RTDT made compulsory the use of monitoring systems and leak detection in all onshore pipelines in the country.

This document provides a study on the method for detection of transient pressure. The study was conducted on a industrial duct 16” diameter and 9.8 km long. The pipeline is fully pressurized and carries a multiphase mixture of crude oil, water and natural gas. For the study, was built an infrastructure for data acquisition and validation of detection algorithms. The system was designed with SCADA architecture. Piezoresistive sensors were installed at the ends of the duct and Digital Signal Processors (DSPs) were used for sampling, storage and processing of data. The study was based on simulations of leaks through valves and search for patterns that characterize the occurrence of such phenomena.

(10)

P´ag.

1 Classifica¸c˜ao dos m´etodos de detec¸c˜ao. . . 23

2 Fenˆomeno do transiente hidr´aulico. . . 27

3 Arquitetura do sistema de detec¸c˜ao.. . . 29

4 Diagrama de blocos do eZdspTM . . . 32

5 Formato t´ıpico do quadro SCI.. . . 34

6 Determina¸c˜ao do valor do bit durante recep¸c˜ao SCI.. . . 34

7 Funcionamento da FIFO.. . . 35

8 Funcionamento b´asico de um temporizador. . . 38

9 Fluxograma do rel´ogio implementado no DSP. . . 39

10 Esquema da Esta¸c˜ao A. . . 40

11 Esquema da Esta¸c˜ao B. . . 41

12 Estrutura b´asica de um sistema de aquisi¸c˜ao de dados em tempo real. . . 44

13 Sistema de aquisi¸c˜ao para forma¸c˜ao de banco de dados e an´alise offline. . . 44

14 Espectros do (a) ru´ıdo hidr´aulico e da (b) sa´ıda do sensor. . . 46

15 Replica¸c˜ao do sinal ap´os amostragem (a) com aliasing e(b) sem aliasing. . . 48

16 Circuito condicionador de sinais. . . 49

17 Distribui¸c˜ao el´etrica no sistema de aquisi¸c˜ao de dados. . . 51

18 Arquitetura do sistema de aquisi¸c˜ao de dados. . . 52

19 Estrutura do programa de aquisi¸c˜ao de dados. . . 54

(11)

aplicando offset de 3,5 bar no sinal da Esta¸c˜ao A . . . 59

22 Simula¸c˜ao de vazamento na Esta¸c˜ao B: sinais de press˜ao capturados em (a) na Esta¸c˜ao B, (b) na Esta¸c˜ao A e (c) sobreposi¸c˜ao dos dois sinais, aplicando offset de 3 bar no sinal da Esta¸c˜ao A . . . 60

23 Simula¸c˜ao de vazamento no ponto 1 da Esta¸c˜ao B: sinais de press˜ao capturados na(a) Esta¸c˜ao B e(b) na Esta¸c˜ao A . . . 60

24 Fun¸c˜oes de base das Transformadas de (a) Fourier e (b) Gabor, e seus respec-tivos espectros. . . 62

25 Processamento da FFT sobre intervalos do sinal.. . . 64

26 Perfil de press˜ao com muitos transit´orios obtido na Esta¸c˜ao B. . . 65

27 Evolu¸c˜ao temporal do vazamento. . . 66

28 Espectro t´ıpico de opera¸c˜ao normal da (a) Esta¸c˜ao A e (b) B. . . 67

29 Compara¸c˜ao entre espectros de opera¸c˜ao normal e vazamento das duas esta¸c˜oes 67 30 Aumento das frequˆencias subsˆonicas durante o transit´orio de press˜ao causado por um vazamento. . . 69

(12)

ABNT – Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas A/D – Anal´ogico/Digital

ADC – Analog-to-Digital Converter ADCSOC – ADC Start-Of-Conversion

ANP – Agˆencia Nacional de Petr´oleo, G´as Natural e Biocombust´ıveis ASME – American Society of Mechanical Engineers

BP – British Petroleum BRR – Baud-Rate Register CAN – Controller Area Network CCS – Code Composer Studio CI – Circuito Integrado CPU – Central Processing Unit DFT – Discrete Fourier Transform DSC – Digital Signal Controller DSK – DSP Starter Kit

DSP – Digital Signal Processor FFT – Fast Fourier Transform FIFO – First In/First Out FPU – Floating Point Unit

GPS – Global Positioning System GPIO – General Purpose Input/Output IDE – Integrated Development Environment ISR – Interrupt Service Routine

JTAG – Joint Test Action Group LDS – Leak Detection System LSB – Least Significant Bit

LSPCLK – Low Speed Peripheral Clock MMC – Multi-Media Card

MSB – Most Significant Bit NRZ – Non-return-to-zero OPA – Oil Pollution Act

PIE – Peripheral Interrupt Expansion PSA – Pipeline Safety Act

(13)

RTU – Remote Teminal Unit RXSHF – Receiver Shift Register

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition SCI – Serial Communications Interface

SD – Secure Digital S/H – Sample-and-Hold

SPI – Serial Peripheral Interface STFT – Short Time Fourier Transform

(14)

R

– marca registrada

1′′ – uma polegada

ω0 – frequˆencia fundamental do sinal

ωc – frequˆencia de corte angular

A – amper

E – extens˜ao do duto

η – nano

µ – micro

Ω – ohm

C – capacitˆancia

fc – frequˆencia de corte

fs – frequˆencia de amostragem gal – gal˜ao

Hz – Hertz

i – corrente

j – vari´avel complexa

K – quilo

L – localiza¸c˜ao do vazamento

m – metro

M – mega

N – n´umero de amostras

Patm – press˜ao atmosf´erica P1 – ponto 1

R – resistˆencia

s – segundo

t – tempo

v – tens˜ao

V – volts

TM

– trede make

V0 – velocidade inicial

(15)

P´ag.

1 INTRODU ¸C ˜AO . . . 16

1.1 Motiva¸c˜ao . . . 19

1.2 Objetivo . . . 20

1.3 Organiza¸c˜ao do Texto . . . 20

2 M´ETODOS DE DETEC ¸C ˜AO DE VAZAMENTOS . . . 21

2.1 Principais m´etodos de detec¸c˜ao . . . 22

2.1.1 M´etodos baseados em hardware . . . 23

2.1.2 M´etodos baseados em software . . . 24

2.1.3 Comparativo entre os m´etodos de detec¸c˜ao . . . 25

2.2 Transiente Hidr´aulico . . . 26

2.3 Sistema de detec¸c˜ao e arquitetura propostos . . . 28

2.3.1 Conversores . . . 31

2.3.2 DSP . . . 31

2.3.2.1 Serial Communications Interface (SCI) . . . 33

2.3.2.2 GPIO . . . 36

2.3.2.3 Interrup¸c˜oes . . . 36

2.3.2.4 Temporizador (Timer) . . . 37

2.3.3 GPS . . . 38

2.3.3.1 Rel´ogio interno . . . 39

2.4 Descri¸c˜ao do duto . . . 40

3 O SISTEMA DE AQUISI ¸C ˜AO DE DADOS . . . 42

3.1 Sistemas de aquisi¸c˜ao ad-hoc e aplica¸c˜oes . . . 43

3.2 Caracter´ısticas do sistema de aquisi¸c˜ao . . . 45

3.2.1 Transdutor . . . 45

3.2.1.1 Dinˆamica lenta dos fenˆomenos hidr´aulicos . . . 46

3.2.1.2 Seguran¸ca intr´ınseca . . . 47

3.2.2 Circuito de condicionamento de sinais . . . 47

3.2.3 Amostragem dos sinais . . . 50

3.3 Arquitetura do sistema de aquisi¸c˜ao . . . 51

3.4 Programa¸c˜ao do DSP. . . 53

3.4.1 Grava¸c˜ao dos programas no DSP . . . 56

(16)

4.2 An´alise simultˆanea nos dom´ınios do tempo e frequˆencia . . . 61

4.2.1 Transformada R´apida de Fourier (FFT) . . . 63

4.2.2 Raz˜ao para utilizar an´alise de tempo x frequˆencia . . . 65

5 CONCLUS ˜OES . . . 71

5.1 Perspectivas . . . 71

(17)

1 INTRODU ¸C ˜AO

Derramamentos de ´oleo continuar˜ao a ocorrer enquanto a sociedade depender de petr´oleo e seus derivados. Isso se deve ao potencial de erro humano e falha de equipamento inerente `a produ¸c˜ao, trans-porte e armazenamento. Embora seja importante se concentrar em maneiras de evitar os derramamentos de petr´oleo, m´etodos de con-trole e limpeza das ´areas atingidas devem, tamb´em, ser desenvolvi-dos.

Fingas, Mervin Segundo a BP Statistical Review of World Energy (BRITISH PETROLEUM, 2011), o petr´oleo representa, atualmente, 33,6% de toda a energia consumida no planeta, configu-rando como principal fonte, logo acima do carv˜ao mineral e do g´as natural. Apesar da redu¸c˜ao sofrida nos ´ultimos 11 anos, espera-se que o petr´oleo continue ocupando lugar de destaque no cen´ario energ´etico mundial nas pr´oximas d´ecadas. De acordo com a World Energy Council (2010), as reservas mundiais de petr´oleo suportam aproximadamente 42 anos. Na estimativa s˜ao considerados os avan¸cos tecnol´ogicos no setor de extra¸c˜ao (au-mento do fator de recupera¸c˜ao), a descoberta de novas reservas e o au(au-mento anual do consumo. A estimativa, entretanto, n˜ao considera um ponto fundamental: o petr´oleo tem importˆancia estrat´egica para os pa´ıses. ´E dif´ıcil prever quais pol´ıticas energ´eticas ser˜ao adotadas numa situa¸c˜ao de escassez de petr´oleo.

O petr´oleo, diferentemente do carv˜ao mineral, entra na composi¸c˜ao de in´umeros produtos, como pol´ımeros, acr´ılicos, lubrificantes, tintas, tecidos e at´e medicamentos. Por este motivo, muitos especialistas consideram a queima do petr´oleo para gera¸c˜ao de energia um grande desperd´ıcio de recurso. A necessidade do setor energ´etico, contudo, se sobre-p˜oe a esta ideia. O cen´ario dever´a mudar quando o petr´oleo se tornar escasso, afirmam os especialistas. `A medida que a oferta de petr´oleo diminuir, fontes alternativas de ener-gia surgir˜ao e o petr´oleo se tornar´a exclusividade das aplica¸c˜oes nobres, isso trar´a uma sobrevida `a atividade petrol´ıfera.

Ironicamente, o petr´oleo, de t˜ao nobre composi¸c˜ao e tantas aplica¸c˜oes, ´e t´oxico e potencialmente danoso ao meio ambiente. Ironia maior ´e fato de se tratar de uma subs-tˆancia natural, produzida pelo pr´oprio ambiente. No subsolo, onde ´e gerado, o petr´oleo n˜ao representa nenhuma amea¸ca, mas, na superf´ıcie, pode causar danos enormes. A lite-ratura ´e rica em trabalhos, como (FINGAS, 2000) e (LEACOCK, 2005), que demonstram os efeitos danosos do ´oleo sobre o ambiente e as diversas formas de vida que o habitam. A maioria dos trabalhos remete a acidentes, principalmente com navios petroleiros, que causaram grandes derramamentos de ´oleo.

(18)

atinge a superf´ıcie de forma natural, n˜ao ´e considerado um derramamento. Os primeiros contatos do homem com o petr´oleo, na antiguidade, foram atrav´es de afloramentos natu-rais. Nos dias atuais, a presen¸ca de tra¸cos de hidrocarbonetos no solo ´e um dos primeiros aspectos analisados durante a explora¸c˜ao de uma bacia sedimentar, pois indica que j´a houve afloramento natural na regi˜ao. Afloramentos naturais s˜ao causados pela ruptura das estruturas geol´ogicas que aprisionam o petr´oleo e s˜ao mais comuns do que se ima-gina. Segundo (KVENVOLDEN; COOPER, 2003), cerca de 600 mil toneladas de ´oleo s˜ao despejados anualmente nos oceanos devido aos afloramentos naturais.

O ser humano n˜ao tem controle sobre os afloramentos naturais, mas n˜ao pode fugir da responsabilidade sobre os derramamentos. Pode parecer absurdo, mas, o maior derra-mamento da hist´oria foi uma a¸c˜ao deliberada. Durante a Guerra do Golfo, em janeiro de 1991, o exercito iraquiano invadiu o vizinho Kuwait e, por ordem do ent˜ao governo, des-truiu navios petroleiros, terminais de recep¸c˜ao e po¸cos, o que provocou o derramamento de mais de 82 milh˜oes de toneladas de ´oleo em terra e no Golfo P´ersico.

O derramamento proposital da Guerra do Golfo representou anos de derramamentos acidentais. Um comportamento t˜ao anormal, que as proje¸c˜oes realizadas posteriormente tiveram que descart´a-lo.

As taxas de derramamento de ´oleo em todo o mundo tˆem diminu´ıdo drastica-mente desde os anos 60 e 70, de cerca de 635 mil toneladas anuais para cerca de 300 mil toneladas de todas as fontes, exceto os derramamentos intencionais anˆomalos associados `a Guerra do Golfo [...]. As maiores fontes de vazamentos de ´oleo nas duas ´ultimas d´ecadas est˜ao relacionadas ao transporte de petr´o-leo por navios-tanque (petroleiros) ou atrav´es de dutos. (FINGAS, 2011, p. 8,

tradu¸c˜ao nossa)

Ao descartar o derramamento do Golfo P´ersico, Fingas (2011) trouxe um novo contexto para a proje¸c˜ao. A proje¸c˜ao passou a ser baseada, principalmente, em derra-mamentos acidentais. Logo, a queda apresentada nas ´ultimas d´ecadas denota uma maior capacidade em evitar acidentes. Fato atribu´ıdo `as novas tecnologias e `a ado¸c˜ao de leis de seguran¸ca mais r´ıgidas.

As leis de seguran¸ca regem aspectos que v˜ao desde a explora¸c˜ao, produ¸c˜ao at´e o transporte do petr´oleo e distribui¸c˜ao dos derivados. As leis diferem de pa´ıs para pa´ıs. Muitas foram adotadas ap´os graves acidentes. Nos Estados Unidos, o conjunto de regras ´e conhecido como Oil Pollution Act (OPA) e foi institu´ıdo pelo Congresso em 1990, logo ap´os o afundamento do navio petroleiro Exon Valdez na costa do Alasca. As regras estabelecidas no OPA foram formuladas como resposta a crescente preocupa¸c˜ao p´ublica com o incidente e, por isso, a maior parte delas trata de aspectos de conten¸c˜ao, limpeza e das puni¸c˜oes aplicadas aos respons´aveis.

(19)

est˜ao sujeitos aPipeline Safety Act (PSA). Assim como a OPA, a PSA tamb´em foi elabo-rada ap´os um acidente com grande repercuss˜ao. Em 19 de agosto de 2000, a explos˜ao de um duto da El Paso Corporation nas proximidades do rio Pecos, no Novo M´exico, matou doze membros da fam´ılia Smith que acampavam as margens do rio (PARKER, 2004).

Mesmo com regras r´ıgidas, os acidentes continuam ocorrendo com frequˆencia em todo o planeta. Somente no Canad´a, ´e registrada uma m´edia de 12 vazamentos por dia. A maioria dos vazamentos s˜ao relativamente pequenos e causam impactos localizados.

No contexto global, os oleodutos tˆem causado menos cat´astrofes que os navios petro-leiros. Por´em, alguns pa´ıses ainda registram ocorrˆencias graves. Os dois maiores vazamen-tos em oleoduvazamen-tos ocorreram na Nig´eria, em janeiro de 2001 e mar¸co de 1995, respectiva-mente. O primeiro resultou no derramamento de 142.857 toneladas de ´oleo e o segundo de 90.000 toneladas. Outros acidentes com dutos, na Nig´eria, ficaram marcados pelo grande n´umero de v´ıtimas. Em 1998, cerca de 1000 pessoas foram mortas em uma explos˜ao em Warri. Em 2000, mais 300 mortes foram registradas em uma explos˜ao similar, sendo que esta foi resultado de sabotagem (ORSZULIK, 2008). A R´ussia tamb´em vem sofrendo com acidentes graves. Neste caso, o problema est´a relacionado `a idade dos dutos e as p´essimas condi¸c˜oes clim´aticas.

Os dados mundiais sobre derramamentos de ´oleo s˜ao imprecisos e, por diversas ve-zes, n˜ao s˜ao concisos. Alguns pa´ıses, entretanto, tˆem entidades que gerenciam este tipo de informa¸c˜ao e, por isso, s˜ao escolhidos para estimativas isoladas. (MUHLBAUER, 2004) utilizou dados dos Estados Unidos e chegou a seguinte estimativa sobre as causas dos vazamentos em oleodutos: corros˜ao (25%), for¸cas externas (25%), falha de equipamento (6%), opera¸c˜ao incorreta (7%), falha de solda (5%), abertura de juntas (5%), proble-mas de repara¸c˜ao (7%), motivos desconhecidos (14%) e outros (6%). As for¸cas externas compreendem os terremotos, deslizamentos de terra, avalanches, entre outros fenˆomenos. Tamb´em utilizando dados norte-americanos, (FINGAS,2011) aferiu que os vazamentos em oleodutos foram respons´aveis por 39,15% do volume de ´oleo derramado entre os anos de 1998 a 2007. O resultado mostra que, apesar das poucas apari¸c˜oes nas listas das maiores cat´astrofes ambientais 1

, os vazamentos em dutos s˜ao frequentes e respondem por parte significativa dos derramamentos.

Os derramamentos de ´oleo provocados por petroleiros s˜ao maiores porque ´e dif´ı-cil conter o fluido dentro da embarca¸c˜ao avariada. Geralmente, todo o ´oleo ´e liberado e a conten¸c˜ao ´e feita sobre a mancha de ´oleo na superf´ıcie da ´agua. J´a nos vazamentos em oleodutos, o fluxo do ´oleo pode ser interrompido, com certa facilidade, por meio do desligamento das bombas e fechamento de v´alvulas de seguran¸ca. O problema ´e que mui-tos vazamenmui-tos em oleodumui-tos demoram a ser identificados. Por isso, a importˆancia dos sistemas de detec¸c˜ao.

1

(20)

1.1 Motiva¸c˜ao

Al´em dos incalcul´aveis danos ambientais, os derramamentos de petr´oleo causam enormes preju´ızos econˆomicos para as empresas respons´aveis. Dependendo do local onde ocorre o vazamento, os custos de conten¸c˜ao do ´oleo e limpeza das ´areas afetadas podem atingir 200 d´olares por litro de ´oleo despejado. Somam-se a estes custos, as multas previstas na legisla¸c˜ao ambiental. Outros preju´ızos s˜ao mais dif´ıceis de mensurar, como a perda de credibilidade da empresa e desvaloriza¸c˜ao dos produtos em decorrˆencia da propaganda negativa.

Segundo (FINGAS, 2011), 30 e 50% dos derramamentos de petr´oleo s˜ao causados, direta ou indiretamente, por erros humanos, dos quais 20 e 40% tem influˆencia de falhas de equipamentos. O treinamento intensivo do pessoal e a inspe¸c˜ao preventiva das instala¸c˜oes reduzem os riscos de acidentes operacionais, mas n˜ao os eliminam completamente. No caso dos dutos, as pr´oprias condi¸c˜oes de trabalho j´a oferecem riscos a integridade da tubula¸c˜ao. Afinal, o transporte ´e realizado sob press˜ao, as bombas imp˜oem vibra¸c˜oes `a estrutura e o material transportado ´e, normalmente, contaminado por substˆancias corrosivas. Sem contar que os dutos est˜ao sujeitos `a a¸c˜ao de agentes f´ısicos externos. Todos estes fatores comp˜oem o res´ıduo de risco, que torna as instala¸c˜oes suscept´ıveis a acidentes operacionais. No Brasil, compete a Agˆencia Nacional de Petr´oleo, G´as Natural e Biocombust´ıveis (ANP) estabelecer os requisitos t´ecnicos, econˆomicos e jur´ıdicos para o funcionamento dos dutos. Em 2 de fevereiro de 2011, alguns requisitos foram alterados com a aprova¸c˜ao do novo Regulamento T´ecnico de Dutos Terrestres para Movimenta¸c˜ao de Petr´oleo, Derivados e G´as Natural (RTDT).

O RTDT (ANP, 2011b) trata da gest˜ao de seguran¸ca operacional dos dutos terres-tres, que ´e determinante para a preven¸c˜ao ou mitiga¸c˜ao das consequˆencias de eventuais incidentes. Os requisitos deste Regulamento s˜ao aplic´aveis no projeto, na constru¸c˜ao, na montagem, na opera¸c˜ao, na inspe¸c˜ao, na manuten¸c˜ao da integridade estrutural, na res-posta a emergˆencias e na sua desativa¸c˜ao.

O RTDT ´e v´alido para todos os dutos terrestres. Os dutos que, na data da publi-ca¸c˜ao do Regulamento, j´a estejam autorizados para constru¸c˜ao ou opera¸c˜ao, devem ser adequados ao Regulamento em at´e 2 anos a partir da data da publica¸c˜ao. Neste caso, a empresa tem 180 dias para enviar `a ANP as adequa¸c˜oes que ser˜ao realizadas.

A se¸c˜ao 15.7 do RTDT estabelece o uso obrigat´orio de sistema de monitoramento de vazamentos.

(21)

O RTDT estabelece, tamb´em, que os equipamentos de medi¸c˜ao utilizado nos sis-temas de detec¸c˜ao devem ser regularmente calibrados e que a empresa respons´avel pelo transporte deve analisar periodicamente o desempenho do sistema, revisando o processo e atualizando sempre que necess´ario, ou no m´aximo a cada 3 anos.

Segundo (ANP,2011a, p. 116), “em 2010, o Brasil contava com 578 dutos destinados `a movimenta¸c˜ao de petr´oleo, derivados, g´as natural e outros produtos, totalizando 19,3 mil

kmde extens˜ao.”. Muitos destes dutos n˜ao tˆem sistema de monitoramento de vazamentos e precisam ser adequados ao novo Regulamento. Em virtude do Pr´e-sal, h´a, tamb´em, muitos dutos em processo de licita¸c˜ao para constru¸c˜ao.

1.2 Objetivo

“Muitos sistemas de detec¸c˜ao de vazamentos baseados em software s˜ao comerci-alizados como ‘caixas pretas’ e h´a uma necessidade de verifica¸c˜ao e demonstra¸c˜ao das capacidades destes m´etodos” (REDDY et al., 2010b, p. 622, tradu¸c˜ao nossa).

A afirma¸c˜ao de (REDDY et al., 2010b) demonstra uma preocupa¸c˜ao evidente com a forma como os sistemas de detec¸c˜ao s˜ao implementados. Demonstra, tamb´em, a necessi-dade de conhecer o fenˆomeno do vazamento para desenvolver t´ecnicas de detec¸c˜ao bem fundamentadas e validadas.

Este trabalho traz uma an´alise sobre o m´etodo de detec¸c˜ao de vazamentos por tran-siente de press˜ao. O objetivo ´e verificar a possibilidade da utiliza¸c˜ao deste m´etodo em dutos industriais de porte consider´avel. O estudo foi realizado num duto de 9,8 Km de extens˜ao e 16” de diˆametro, sendo dividido em trˆes etapas. Na primeira fase foi constru´ıdo um sistema composto de elementos de instrumenta¸c˜ao, hardware e software que permi-tisse tanto a aquisi¸c˜ao de dados quanto a valida¸c˜ao dos futuros algoritmos de detec¸c˜ao implementados. A segunda etapa consistiu na realiza¸c˜ao de simula¸c˜oes de vazamentos por meio de v´alvulas e forma¸c˜ao de um banco de dados com os sinais de press˜ao adquiridos. A terceira fase foi a an´alise dos sinais e caracteriza¸c˜ao dos vazamentos atrav´es de an´alise espectral.

1.3 Organiza¸c˜ao do Texto

(22)

2 M´ETODOS DE DETEC ¸C ˜AO DE VAZAMENTOS

A escolha de um m´etodo de detec¸c˜ao depende de v´arios fatores, in-cluindo o tipo de produto transportado, as taxas de fluxo, as pres-s˜oes, a quantidade de instrumentos dispon´ıvel, as caracter´ısticas de instrumenta¸c˜ao, a rede de comunica¸c˜ao, a topologia, o tipo de solo e os custos. [...] muitas vezes tem que se dosar entre a sensibilidade e o n´umero de alarmes falsos, especialmente em sistemas com altos n´ıveis de transiente.

Muhlbauer, W. K. Os vazamentos provocam altera¸c˜oes no comportamento hidr´aulico do duto, pois criam caminhos alterativos para o escoamento do fluido. As mudan¸cas no comportamento hidr´aulico podem ser observadas por meio das vari´aveis de processo, como press˜ao, tempe-ratura e vaz˜ao. Muitos m´etodos de detec¸c˜ao se baseiam no monitoramento destas vari´aveis. ´

E importante observar, entretanto, que as mudan¸cas nas vari´aveis de processo s˜ao pro-porcionais ao diˆametro do vazamento, ou seja, `a taxa de derramamento. Quanto menor ´e o vazamento, menores s˜ao as varia¸c˜oes sofridas pelas vari´aveis de processo.

Os pequenos vazamentos s˜ao dif´ıceis de identificar. Em muitos casos, o derrama-mento s´o ´e descoberto meses ap´os o rompiderrama-mento da tubula¸c˜ao, quando o apareciderrama-mento de uma mancha de ´oleo ´e reportada por terceiros ou localizada por meio de inspe¸c˜ao. Nestes casos, devido ao tempo de contato com o meio exterior, os danos s˜ao potencializados.

O volume derramado ´e uma fun¸c˜ao da taxa de vazamento, do tempo de rea¸c˜ao e das ferramentas dispon´ıveis para reten¸c˜ao. Ele ´e um fator cr´ıtico para deter-minar os danos causados, uma vez que sup˜oe-se que a zona de contamina¸c˜ao ´e proporcional ao volume derramado. Esta suposi¸c˜ao ´e uma conveniˆencia de modelagem que n˜ao assegura precisamente a verdade para todos os cen´arios. Alguns vazamentos tˆem impacto negativo que excede em muito os impactos pre-vistos por uma propor¸c˜ao simples baseada na taxa de vazamento. Por exemplo, num cen´ario de contamina¸c˜ao, uma taxa de vazamento de 1gal/diano decorrer de 100 dias ´e muito pior que uma taxa de 100gal/diadurante um dia, embora a mesma quantidade de produto tenha sido derramada. (MUHLBAUER, 2004,

p. 142, tradu¸c˜ao nossa)

(23)

Existem in´umeras m´etodos de detec¸c˜ao baseados em princ´ıpios totalmente hetero-gˆeneos. N˜ao h´a, contudo, um m´etodo que atenda todas as necessidades operacionais e de custo (WANG et al., 2002). Cada t´ecnica de detec¸c˜ao apresenta vantagens e desvantagens em diferentes circunstˆancias (WANG et al., 2002 apud FURNESS; REET, 1998). A maioria das publica¸c˜oes deixa claro que a escolha do m´etodo de detec¸c˜ao depende fortemente das caracter´ısticas do duto. O RTDT, por exemplo, diz que a empresa transportadora deve selecionar um processo de monitoramento de vazamentos compat´ıvel com o n´ıvel de complexidade operacional e o produto transportado.

Outros documentos s˜ao mais completos e trazem conjuntos de requisitos espec´ıficos que devem ser considerados no momento da escolha de um m´etodo de detec¸c˜ao. A ASME B31.4, uma das normas utilizadas para formula¸c˜ao do RTDT, ´e uma referˆencia neste quesito. A ASME B31.4, de autoria daAmerican Society of Mechanical Engineers, afirma que “a sele¸c˜ao e implementa¸c˜ao do sistema de detec¸c˜ao de vazamentos deve levar em conta a probabilidade e as consequˆencias de um vazamento” (ASME, 2006, p. 66). Para isso, o transportador deve analisar aspectos como: localiza¸c˜ao (distˆancia de ´areas povoadas e ´areas nas quais danos seriam irrepar´aveis), constru¸c˜ao (se os materiais est˜ao bem abaixo dos limites de opera¸c˜ao) e hist´orico do duto (ocorrˆencias de vazamentos).

A discuss˜ao at´e ent˜ao serve para mostrar que os m´etodos de detec¸c˜ao s˜ao proje-tados para atender necessidades espec´ıficas. Por isso, antes de escolher um determinado m´etodo ´e necess´ario conhecer o que cada um tem a oferecer e, junto a isso, conhecer cada especifica¸c˜ao do duto a ser monitorado.

2.1 Principais m´etodos de detec¸c˜ao

Como mencionado anteriormente, a detec¸c˜ao de vazamentos pode se basear em in-forma¸c˜oes advindas tanto de dentro como de fora da tubula¸c˜ao. Alguns autores utilizam este crit´erio para classificar os m´etodos em internos e externos. Contudo, a classifica¸c˜ao mais referenciada ´e certamente a proposta por (ZHANG, 1996), que separa os m´etodos de acordo com aspectos operacionais e de instrumenta¸c˜ao. Neste caso, existem trˆes catego-rias: m´etodo biol´ogico, m´etodos baseados em software e m´etodos baseados em hardware. A figura1 mostra a classifica¸c˜ao de Zhang com algumas modifica¸c˜oes 1

.

O m´etodo de detec¸c˜ao por patrulha ´e o mais simples, trata-se da inspe¸c˜ao visual ao longo da tubula¸c˜ao `a procura de manchas de ´oleo, odores e sons que possam indicar um vazamento. O principal problema deste m´etodo ´e o contingente necess´ario para a opera¸c˜ao. Al´em disso, a inspe¸c˜ao ´e lenta e n˜ao ´e feita a todo instante, o que repercute num tempo de resposta ruim.

1

Alguns m´etodos se consolidaram ap´os a classifica¸c˜ao de (ZHANG, 1996) e precisaram ser inclu´ıdos.

(24)

Figura 1 - Classifica¸c˜ao dos m´etodos de detec¸c˜ao. Fonte: baseado em (ZHANG,1996).

Métodostdetdetecçãotemtoleodutos

emthardware

Métodostbaseados Métodotdetinspeção

portpatrulhathumana Métodostbaseadosemtsoftware

Visual Acústico

Amostragem NegativaPressão

PIG Instrumentado

Mudançatde fluxotoutpressão

Análise estatística

Balançotde volume/massa

Modelagem dinâmica

Os demais m´etodos n˜ao utilizam a percep¸c˜ao humana para a detec¸c˜ao. A detec¸c˜ao ´e realizada por hardwares espec´ıficos ou procedimentos implementados em software. Nos sistemas baseados em software a complexidade est´a no processamento da informa¸c˜ao. Nos sistemas baseados em hardware, a detec¸c˜ao ´e realizada diretamente pelos equipamentos de instrumenta¸c˜ao. Para isso, s˜ao utilizados equipamentos bastante espec´ıficos e sofisticados, como sensores ac´usticos, sensores de infravermelho, detectores de g´as, sensores de a¸c˜ao seletiva, detectores de press˜ao negativa.

2.1.1 M´etodos baseados em hardware

Os m´etodos baseados em hardware podem ser divididos, de acordo com o princ´ı-pio de funcionamento, em cinco grupos: m´etodos visuais, ac´usticos, de amostragem ou seletividade, de detec¸c˜ao de press˜ao negativa epig instrumentado.

M´etodos visuais: Dependendo do fluido transportado, um vazamento pode provocar varia¸c˜oes de temperatura nas proximidades do duto. Petr´oleo bruto, por exemplo, provoca o aquecimento, enquanto g´as provoca resfriamento. ´E comum utilizar sensores infraverme-lho para monitorar a temperatura externa do duto. Por isso, a denomina¸c˜aom´etodo visual. O monitoramento da temperatura tamb´em pode ser feito por fibra ´optica. A fibra ´optica ´e instalada ao longo de toda a tubula¸c˜ao e, por estar colada a parede externa do duto, pode detectar tamb´em deforma¸c˜oes provocadas por tra¸c˜ao ou compress˜ao. S˜ao inclu´ıdos nesta categoria, ainda, os m´etodos baseados em detectores de radia¸c˜ao eletromagn´etica. Usando este tipo de detector, (SOUZA FILHO et al., 2011) mostrou que os vazamentos provocam rea¸c˜oes sobre determinadas esp´ecies vegetais.

(25)

Durante inspe¸c˜oes em dutos subterrˆaneos ´e comum o uso de geofones para detectar as ondas ac´usticas no meio externo. Existem tamb´em m´etodos de monitoramento cont´ınuo, como o proposto por (YANG et al., 2011), que utilizam sensores ac´usticos instalados ao longo do duto.

M´etodo de amostragem ou seletividade: Os sensores de a¸c˜ao seletiva reagem `a pre-sen¸ca de substˆancias espec´ıficas. Existem sensores seletivos que reagem `a prepre-sen¸ca de vapores de hidrocarbonetos e s˜ao utilizados em dutos que transportam fluido vol´ateis. Em dutos subterrˆaneos ´e poss´ıvel utilizar uma esp´ecie de cabo sensor. Desenvolvido por

Sandberg et al.(1988), o n´ucleo do cabo ´e constitu´ıdo por dois fio condutores isolados que s˜ao envoltos por uma camada de pol´ımero. Na presen¸ca de hidrocarbonetos, a camada de pol´ımero incha, unindo os dois condutores e, assim, gerando um alarme.

Detec¸c˜ao por press˜ao negativa:Os vazamentos s˜ao, quase sempre, acompanhados por quedas de press˜ao. A queda de press˜ao n˜ao atinge todo o duto de forma instantˆanea. Uma onda de press˜ao negativa, com velocidade aproximada ao som, se propaga `a montante e `a jusante pelo fluido a partir do ponto de vazamento (BEZERRA, 2008). Transdutores posicionados nas extremidades do duto s˜ao utilizado para calcular o gradiente de press˜ao ao longo do tempo e, a partir deste, detectar os vazamentos.

Pig instrumentado: Opig ´e um equipamento normalmente utilizado na remo¸c˜ao das incrusta¸c˜oes que se formam na fase interna das tubula¸c˜oes devido ao ac´umulo de res´ıduos. Como a passagem de pigs ´e uma atividade rotineira na vida de um duto, surgiu a ideia de utilizar ospigs para inspe¸c˜ao interna da estrutura. “A tecnologia depigs detectores de vazamentos em dutos pode ser separada em duas, uma para detec¸c˜ao em oleodutos, e outra para gasodutos” (CAMERINI,2004, p. 23). Os pigs utilizados em gasodutos s˜ao equipados com emissores de ondas ultra-sˆonicas que permitem medir a espessura da parede do duto. Obviamente,pigs deste tipo se enquadram nos m´etodos ac´usticos. J´a ospigs utilizados em oleodutos s˜ao constru´ıdos sob outro mecanismo. Eles carregam um fluido de teste que tem contato com a tubula¸c˜ao, mas fica isolado do fluido transportado pelo duto. Na cˆamara do fluido de teste, encontra-se um sensor de press˜ao de alta precis˜ao. Quando opig passa por uma ruptura, o fluido vaza e a press˜ao cai. O problema deste tipo de m´etodo ´e que certos duto n˜ao permitem a passagem de pigs.

2.1.2 M´etodos baseados em software

(26)

apenas um dos m´odulos do software que controla a planta. Para (ZHANG, 1996), existem quatro tipos de m´etodos de detec¸c˜ao por software: mudan¸ca de fluxo ou press˜ao, balan¸co de volume/massa, modelagem dinˆamica e an´alise estat´ıstica.

Mudan¸ca de fluxo ou press˜ao: “Nesta t´ecnica assume-se que a ocorrˆencia do vaza-mento est´a ligada a uma alta taxa de mudan¸ca da press˜ao e do fluxo a montante e a jusante.” (BEZERRA,2008). Para detectar os vazamentos, basta definir, por meio de testes no duto, uma taxa de mudan¸ca aceit´avel para estes parˆametros.

Balan¸co de volume/massa: Numa tubula¸c˜ao sem vazamentos, a massa de fluido que entra ´e igual a que sai. Se o fluido ´e incompress´ıvel, a regra ´e v´alida tamb´em para o volume. No m´etodo de balan¸co de volume/massa, um destes parˆametros ´e medido tanto na entrada quanto na sa´ıda do duto. Caso a diferen¸ca seja maior que certa tolerˆancia, ´e constatada a existˆencia de um vazamento. Geralmente, a tolerˆancia ´e de 2 % para l´ıquidos e 10 % para g´as. O problema deste m´etodo ´e que o volume ´e influenciado pelo gradiente de press˜ao e temperatura ao longo do duto, levando a altas taxas de alarme falsos.

Modelagem dinˆamica: Neste m´etodo, gera-se um modelo matem´atico para o fluxo dentro da tubula¸c˜ao. As equa¸c˜oes s˜ao alimentadas com os dados do duto e resolvidas, em tempo real, atrav´es de m´etodos computacionais. Os vazamentos s˜ao detectados por discrepˆancias entre os valores calculados pelo modelo e as medi¸c˜oes feitas no duto.

An´alise estat´ıstica: Tamb´em conhecida como an´alise do ponto de press˜ao. Este m´e-todo se baseia no fato de que a press˜ao cai durante os vazamentos. Usando an´alise estat´ıs-tica simples, detecta-se a diminui¸c˜ao no valor m´edio da press˜ao. O alarme de vazamento ´e gerado quando o valor m´edio ultrapassa determinada tolerˆancia. O m´etodo n˜ao ´e ade-quado para dutos que apresentam transit´orios de press˜ao consider´aveis durante a opera¸c˜ao normal.

2.1.3 Comparativo entre os m´etodos de detec¸c˜ao

Cada m´etodo apresenta vantagens e desvantagens. As principais m´etricas para an´a-lise dos m´etodos s˜ao: a sensibilidade, a capacidade de localizar os vazamentos, a robustez `as mudan¸cas operacionais do duto, a disponibilidade, a taxa de alarmes falsos gerada, o n´ıvel de especializa¸c˜ao requerido para o pessoal que realiza a manuten¸c˜ao e os custos totais de implanta¸c˜ao e manuten¸c˜ao. A sensibilidade de um m´etodo est´a relacionada a capacidade de detectar vazamentos pequenos. J´a a disponibilidade significa a capacidade de trabalhar de forma intermitente. Por exemplo, o m´etodo biol´ogico n˜ao tem disponibi-lidade, pois n˜ao ´e vi´avel manter pessoal inspecionando o duto o tempo todo.

(27)

Tabela 1 - Comparativo entre os m´etodos de detec¸c˜ao. Fonte: baseado em (ZHANG,1996).

M´etodo Sensibi- Locali- Mudan¸cas Disponi- Alarmes Manuten- Custos lidade za¸c˜ao operacionais bilidade falsos ¸c˜ao

Humano sim sim sim n˜ao baixa m´edia alta

Visual sim sim sim n˜ao m´edia m´edia alta

Ac´ustico sim sim n˜ao sim alta m´edia m´edia

Seletividade sim sim sim n˜ao baixa m´edia alta

Press˜ao

sim sim n˜ao sim alta m´edia m´edia

negativa

Pig

sim sim sim n˜ao baixa m´edia alta

instrumentado Mudan¸ca

n˜ao n˜ao n˜ao sim alta baixa baixa

de fluxo Balan¸co

n˜ao n˜ao n˜ao sim alta baixa baixa

de massa

Modelagem sim sim sim sim alta alta alta

Estat´ıstico sim n˜ao n˜ao sim alta m´edia m´edia

Os m´etodos baseados em hardware normalmente fornecem a localiza¸c˜ao dos vaza-mentos de forma precisa, mas tem alto custo e complexidade de instala¸c˜ao (REDDY et al.,

2010aapudGEIGER et al.,2003). Alguns dos sistemas de detec¸c˜ao baseados em hardware, como o pig instrumentado, s˜ao usados apenas periodicamente para testar a integridade do gasoduto. Em contraste, as solu¸c˜oes baseadas em software permitem o monitoramento online cont´ınua e r´apida detec¸c˜ao de vazamentos, e s˜ao, portanto, bastante procuradas nos dias de hoje (REDDY et al.,2010a).

2.2 Transiente Hidr´aulico

O termo transiente hidr´aulico ´e usado para definir flutua¸c˜oes de press˜ao causa-das por uma mudan¸ca no escoamento de um l´ıquido ou g´as. Em uma tubula¸c˜ao que transporta l´ıquidos, o surgimento do transiente hidr´aulico pode ser pro-vocado por v´arios motivos: abertura ou fechamento de v´alvulas; partida ou parada de bombas; rompimento do duto. (BUIATTI,1995, p. 11)

(28)

Em sistemas el´etricos, os transit´orios s˜ao r´apidos, ou seja, o sistema alterna entre dois estados estacion´arios quase que instantaneamente. Isso se deve ao fato de os sinais el´etricos se propagam pelos condutores `a velocidade da luz. Vari´aveis el´etricas como tens˜ao e corrente s´o apresentam transit´orios consider´aveis quando o circuito apresenta elementos capacitivos ou indutivos. J´a os sistema hidr´aulicos tem natureza lenta. Sinais de press˜ao se propagam pelas tubula¸c˜oes com velocidade aproximada ao som.

Para entender o fenˆomeno do transiente hidr´aulico podemos recorrer a uma confi-gura¸c˜ao simples de sistema hidr´aulico. A Figura 2 mostra um reservat´orio de ´agua com uma tubula¸c˜ao na base e, ao final da tubula¸c˜ao, uma v´alvula. Com a v´alvula fechada, o fluido encontra-se em repouso e, pelaLei de Stevin, a press˜ao em qualquer ponto depende apenas da altura da lˆamina d’´agua. No instante em que a v´alvula ´e aberta, a press˜ao na camada de fluido pr´oxima a v´alvula cai imediatamente, tentando se equilibrar com a pres-s˜ao externa. Com isso, a energia de prespres-s˜ao ´e convertida em energia cin´etica e a primeira camada de fluido adquire uma velocidadeV0, deixando a tubula¸c˜ao. Antes que a primeira

camada possa deixar algum espa¸co livre, o mesmo fenˆomeno ocorre com a sua camada adjacente e assim por diante at´e chegar ao reservat´orio. Este fenˆomeno ´e conhecido com propaga¸c˜ao de onda de press˜ao negativa.

Figura 2 - Fenˆomeno do transiente hidr´aulico. Fonte: baseado em (BUIATTI,1995).

Fluxo Onda de pressão negativa

Reservatório Patm

Pressão P1

t

Reservatório Patm

Pressão P1

t

Sensor

P1 SensorP1

Fluxo Onda de pressão positiva

Reservatório Patm

Pressão P1

t

Sensor P1

(a) (b)

(c)

(29)

mais uma vez, a press˜ao na tubula¸c˜ao deve se adequar. Ent˜ao, surge umaonda de press˜ao positiva, de intensidade menor, que se propaga no sentido oposto.

O fenˆomeno do transiente hidr´aulico ocorre, tamb´em, nos dutos pressurizados por bombas. Neste caso, as bombas funcionam como o reservat´orio do exemplo, fornecendo uma maior vaz˜ao e compensando em parte a perda de press˜ao causada por um vazamento ou abertura de v´alvula. Segundo (BEZERRA, 2008), em dutos que transportam mistura de ar-l´ıquido, a queda de press˜ao provocada por um vazamento tem forma de pulso, com queda acentuada de press˜ao, no in´ıcio, seguida por recupera¸c˜ao parcial.

Alguns sistemas de detec¸c˜ao se baseiam nas singularidades dos transientes de pres-s˜ao. T´ecnicas de an´alise no dom´ınio do tempo, como correla¸c˜ao cruzada entre curvas s˜ao bastante utilizadas no reconhecimento de vazamentos. Neste caso, trechos dos sinais de press˜ao s˜ao comparados, em tempo real, como curvas que caracterizam situa¸c˜oes de vazamento previamente simuladas.

Os sistemas de detec¸c˜ao tamb´em podem se basear em caracter´ısticas ac´usticas as-sociadas aos transientes. Neste caso, as ondas ac´usticas s˜ao reflexos do turbilhonamento gerado pelo transiente hidr´aulico e s˜ao diferentes daquelas causadas pela passagem do fluido pela ruptura. As ondas ac´usticas podem ser identificadas por meio de t´ecnicas de an´alise simultˆanea nos dom´ınios do tempo e frequˆencia, como Transformada R´apida de Fourier (LAY-EKUAKILLE et al., 2009), Wavelet (DONG et al., 2011) e Distribui¸c˜ao de Wigner (YANG et al., 2011).

2.3 Sistema de detec¸c˜ao e arquitetura propostos

Apesar de apresentarem caracter´ısticas dos m´etodos ac´usticos e de press˜ao negativa, as t´ecnicas de detec¸c˜ao baseadas em transientes hidr´aulicos n˜ao podem ser classificadas como m´etodos de hardware. Primeiramente, porque os m´etodos baseados em hardware s˜ao m´etodos de detec¸c˜ao direta2

e o transiente hidr´aulico ´e detectado de forma indireta atrav´es de uma vari´avel de processo, a press˜ao. Soma-se a isso, o fato de o sistema ter sido projetado sob o paradigma SCADA, como mostra a Figura3.

A arquitetura SCADA ´e padr˜ao para o monitoramento e controle de plantas ind´ us-triais e oferece facilidades no gerenciamento de informa¸c˜oes, principalmente, por meio do uso de softwares.

A ado¸c˜ao da arquitetura SCADA, por si s´o, n˜ao classifica o sistema como baseado em software. J´a que sistemas deste tipo podem ser usados diretamente na detec¸c˜ao, mas tamb´em podem fornecer suporte aos LDSs (Leak Detection Systems) ou, at´e mesmo, operar de forma totalmente independente.

Neste trabalho, a arquitetura SCADA ´e parte do sistema de detec¸c˜ao, o que n˜ao impede de utiliz´a-la para outros fins. A detec¸c˜ao dos vazamentos ´e realizada por

algo-2

(30)

ritmos embarcados em Processadores Digitais de Sinais (DSPs). Os DSPs s˜ao micropro-cessadores de alto desempenho, que apesar de n˜ao possu´ırem os mesmos recursos de um microcomputador em termos de mem´oria e poder de processamento, tˆem a vantagem de serem dispositivos dedicados, ou seja, cujo o tempo de processamento serve a uma ´unica aplica¸c˜ao.

Figura 3 - Arquitetura do sistema de detec¸c˜ao. Fonte: baseado em (AVELINO,2009)

Switch Switch

ionversor

EIA485/Ethernet EIA485/Ethernetionversor

ionversor

EIA232/EIA485 EIA232/EIA485ionversor

DSP (escravo)

Placa de

Interface Placa deInterface

GPS (escravo)DSP GPS

ESTAÇÃO B ESTAÇÃO A

Supervisório (mestre)

4 a 20 mA 4 a 20 mA

0,54 a 2,7 V

EIA232 (modbus RTU) EIA485 (modbus RTU) Ethernet (modbus RTU)

0,54 a 2,7 V

EIA232 (modbus RTU) EIA485 (modbus RTU) Ethernet (modbus RTU)

Extensão do duto (E) Localização do vazamento (L)

Fluxo Ondas acústicas e de pressão negativa

(31)

hor´ario da ocorrˆencia, que o DSP obt´em junto ao GPS. Quando o sistema supervis´orio recebe notifica¸c˜oes dos dois extremos, um alarme indicador de vazamento ´e gerado na tela do sistema supervis´orio. A localiza¸c˜ao do vazamento ´e calculada a partir da velocidade de propaga¸c˜ao do transiente hidr´aulico e a diferen¸ca entre os hor´arios, como mostra a equa¸c˜ao2.1.

L= E 2 +

(t1−t2)

2 Vtrans (2.1)

Segundo Menon (2004), a velocidade de propaga¸c˜ao do transiente hidr´aulico de-pende de v´arios fatores: densidade do fluido, press˜ao, espessura da tubula¸c˜ao, diˆametro do duto e material do qual ´e fabricado. Na realidade, estes fatores influenciam em v´a-rios outros aspectos, como na vibra¸c˜ao imposta ´a estrutura e na atenua¸c˜ao sofrida pelo transiente.

A influˆencia de fatores como espessura da tubula¸c˜ao, nos transientes hidr´aulicos, n˜ao ´e intuitiva, principalmente porque o exemplo da Figura2faz uma s´erie de abstra¸c˜oes. Uma destas abstra¸c˜oes ´e desconsiderar a dilata¸c˜ao ou compress˜ao do fluido e da pr´opria tubula¸c˜ao durante os transientes. Quando uma v´alvula ´e aberta num duto pressurizado, a redu¸c˜ao da press˜ao interna faz com que o fluido dilate e a tubula¸c˜ao se comprima.

O material do qual o duto ´e feito e o processo de fabrica¸c˜ao utilizado tamb´em interferem na dilata¸c˜ao e compress˜ao da tubula¸c˜ao. Estes dois aspectos interferem tamb´em na perda de carga e, consequente, atenua¸c˜ao do transiente.

Quando um fluido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, haver´a sempre uma perda de energia provocando a redu¸c˜ao da press˜ao total do fluido ao longo do escoamento, este fenˆomeno ´e denominado de perda de carga. Esta perda de energia ocorre devido ao atrito do fluido com a superf´ıcie interna da parede do tubo. Portanto quanto maior for a rugosidade da parede da tubula¸c˜ao ou mais viscoso for o fluido maior ser´a a perda de energia. (BEZERRA,2008, p.

12)

A quantidade de fatores que influenciam na velocidade de propaga¸c˜ao do transiente hidr´aulico ´e t˜ao grande, que existe praticamente uma equa¸c˜ao para cada duto. Mesmo que todas as caracter´ısticas da tubula¸c˜ao sejam conhecidas e que a equa¸c˜ao modele sa-tisfatoriamente a velocidade, existem ainda as caracter´ısticas do fluido, que em diversas situa¸c˜oes s˜ao dif´ıceis de mensurar, ou pior, se alteram frequentemente durante a opera¸c˜ao do duto.

(32)

aquisi¸c˜ao desenvolvido ´e o tema da se¸c˜ao 3. Os resultados das medi¸c˜oes assim como as discuss˜oes encontram-se na se¸c˜ao 4.

2.3.1 Conversores

O RTDT n˜ao cita diretamente a arquitetura SCADA, mas remete a termos como controle centralizado e comunica¸c˜ao com pontos remotos, que s˜ao caracter´ısticas b´asicas da arquitetura. A preocupa¸c˜ao com a centraliza¸c˜ao da informa¸c˜ao e com a confiabilidade das transmiss˜oes torna-se evidente em trechos como:

O Transportador deve implementar sistema de comunica¸c˜ao adequado e confi´ a-vel entre pontos remotos e o Centro de Controle Operacional respons´aa-vel pela opera¸c˜ao dos Dutos na ´area considerada, de forma a prover as necessidades de transmiss˜ao e recep¸c˜ao de informa¸c˜oes para a seguran¸ca das opera¸c˜oes, ou para monitoramento e corre¸c˜ao de condi¸c˜oes anormais, com procedimentos e crit´erios estabelecidos. (ANP,2011b, p. 28)

Na constru¸c˜ao das redes de comunica¸c˜ao, v´arios crit´erios devem ser estabeleci-dos, como meio de transmiss˜ao utilizado (r´adio frequˆencia, fibra-´optica, linhas de par-tran¸cado), tipo de sinal, formato das mensagens e outros. Para atender a grande diversi-dade de aplica¸c˜oes e garantir certa padroniza¸c˜ao exitem conjuntos de regras denominados protocolos de comunica¸c˜ao. Para pertencer a uma determinada rede, os dispositivos devem respeitar o protocolo a ela associado.

Em diversas situa¸c˜oes ´e necess´ario comunicar dispositivos que seguem protocolos diferentes, para isso existem os conversores. Neste trabalho temos um sistema supervis´orio instalado numa rede de computadores com Protocolo Ethernet (IEEE 802.3) e DSPs que tˆem interfaces de comunica¸c˜ao RS-232 e CAN, somente. Por fim, foi decidido que a comunica¸c˜ao seria feita atrav´es da interface RS-232 e, assim, foram necess´arios dois conversores, como mostra a Figura 3: o FM-DC.001.004 TX/RX da FlexmediaR

que converte RS232/RS485 e o ESC713 da HI Tecnologia que converte RS485/Ethernet.

2.3.2 DSP

Os DSPs (Digital Signal Processors) s˜ao microprocessadores program´aveis adequa-dos para aplica¸c˜oes com c´alculo num´erico intensivo. S˜ao equipamentos eletrˆonicos com grande poder de processamento e dimens˜oes reduzidas.

Exitem quatro grandes fabricantes de DSPs: Texas InstrumentsR

, MotorolaR

, Agere SystemsR

e Analog Device. A Texas InstrumentsR

possui trˆes s´eries ou fam´ılias de DSPs: TMS320C2000TM

, TMS320C5000TM

e TMS320C6000TM

. Neste trabalho utilizamos o DSP TMS320F28335 que pertence a s´erie C2000TM

(33)

Os DSPs s˜ao encontrados em diversos equipamentos do cotidiano, como telefones celulares, aparelhos de som, DVDs e outros. As empresas fabricantes destes aparelhos compram DSPs em grande quantidade e, em determinadas circunstˆancias, solicitam o de-senvolvimento de microprocessadores com arquiteturas espec´ıficas. Para aplica¸c˜oes onde o n´umero de exemplares produzidos ´e pequeno, ´e comum a aquisi¸c˜ao de Kits de desen-volvimento, tamb´em conhecidos como DSKs (DSP Starter Kits). Os Kits s˜ao conjuntos de hardwares e softwares que facilitam o acesso aos recursos do DSP. A Spectrum Digital Inc. produz kits de desenvolvimento para os processadores da Texas InstrumentsR

. Um destes kits ´e o eZdspTM

F28335. “O eZdspTM

F28335 ´e um m´odulo autˆonomo para engenheiros e desenvolvedores de software avaliarem certas caracter´ısticas do DSC TMS320F28335 e determinarem se o processador atende aos requisitos de projeto” (SPECTRUM DIGITAL INC., 2007, p. 12, tradu¸c˜ao nossa). O principal item do eZdspTM

F28335 ´e a placa de circuito impresso na qual encontra-se o DSP. Em diversos documentos, a Spectrum Digital utiliza o termo eZdspTM

para referenciar a pr´opria placa. A placa em si n˜ao tem muitos recursos. Consiste basicamente de um conjunto de interfaces, para acesso `as funcionalidades do DSP, e uma mem´oria SRAM de 256 Kbytes. A Figura 4mostra o diagrama de blocos da placa.

Figura 4 - Diagrama de blocos do eZdspTM

. Fonte: (SPECTRUM DIGITAL INC.,2007).

TMS320F28335 JTAG XTAL1/OSCIN ANALOG TO DIGITAL CONVERTER CAN A CAN B SCI A SCI B XZCS7n USB PORT/JTAG CONTROLLER JTAG EXTERNAL CAN-A CAN-B SCI-B RS-232 U S B P O R T A N A L O G E X P A N S I O N I / O E X P A N S I O N 128K x 16

SRAM 30 MHz

(34)

canais de convers˜ao anal´ogico/digital de 12 bits, controle de interrup¸c˜oes e outros. Alguns destes recursos ser˜ao discutidos nas pr´oximas subse¸c˜oes.

2.3.2.1 Serial Communications Interface (SCI)

A interface de comunica¸c˜ao serial (SCI) ´e uma porta serial ass´ıncrona de dois fios, comumente conhecida como UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). As SCIs promovem a comunica¸c˜ao digital entre o DSP e outros dispositivos perif´ericos as-s´ıncronos que usam o padr˜ao NRZ (Non-return-to-zero) (TEXAS INSTRUMENTS,2009). A comunica¸c˜ao ´e geralmentefull-duplex, com transmiss˜ao e recep¸c˜ao por fios diferentes (TX e RX, respectivamente).

Os dispositivos eletrˆonicos tˆem suas fun¸c˜oes regidas por sinais de clock. Quando se diz que um determinado dispositivo opera a 150 MHz, significa que sua CPU realiza opera-¸c˜oes de c´alculo com esta velocidade. ´E ´obvio que nem todos os recursos de um dispositivo podem operar com a velocidade da CPU, por isso, encontram-se distribu´ıdos pelo dispo-sitivo sinais declock com diversas frequˆencias. No TMS320F28335, a comunica¸c˜ao serial ´e controlada pelo SCICLK. O SCICLK ´e gerado internamente a partir do LSPCLK ou Low Speed Peripheral Clock (clock perif´erico de baixa velocidade) e do BRR (Baud-Rate Register). O BRR ´e um registrador de 16 bits utilizado na sele¸c˜ao da taxa de transmiss˜ao. O LSPCLK tem frequˆencia de 37,5M Hz. Atrav´es do BRR ´e poss´ıvel escolher entre 65336 taxas de transmiss˜ao diferentes. A equa¸c˜ao 2.2 descreve o c´alculo do SCICLK.

SCICLK = LSP CLK

(BRR+ 1) (2.2)

Para que dois dispositivos se comuniquem ´e necess´ario que ambos tenham a mesma taxa de transmiss˜ao. Uma forma de garantir a compatibilidade da taxa de transmiss˜ao ´e atrav´es do compartilhamento de um mesmo sinal declock. Nas comunica¸c˜oes denominadas s´ıncronas, utiliza-se uma linha para transmiss˜ao do sinal declock ou, ent˜ao, o sinal declock ´e enviado junto aos dados por meio de codifica¸c˜oes espec´ıficas que garantem transi¸c˜oes constantes, Manchester, por exemplo. J´a nas comunica¸c˜oes ass´ıncronas, como a promovida pela SCI, n˜ao h´a compartilhamento de clock, cada dispositivo tem um sinal de clock independente. Sendo assim, necess´ario estabelecer a mesma taxa de transmiss˜ao nos dois dispositivos.

(35)

com um ou dois bits de parada (stop bit). O bit de parada tem n´ıvel l´ogico alto, uma vez que est´a associado ao fim da transmiss˜ao e volta da linha ao estado livre (idle). A Figura

5mostra o formato do quadro enviado nas transmiss˜oes ass´ıncronas.

Figura 5 - Formato t´ıpico do quadro SCI. Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS,2009).

Start LSB 2 3 4 5 6 7 MSB Parity Stop

Para determinar o n´ıvel l´ogico de um bit, o circuito de interface do receptor faz de 3 a 4 medi¸c˜oes. A Figura 6 mostra que as medi¸c˜oes s˜ao realizadas no meio do intervalo do bit. Isso s´o ´e poss´ıvel porque a frequˆencia de opera¸c˜ao da interface SCI ´e oito vezes maior que a taxa de transmiss˜ao, ou seja, cada intervalo de bit corresponde a 8 ciclos de SCICLK. A Figura mostra, tamb´em, que a forma de medir muda de acordo com o bit em quest˜ao. O start bit ´e identificado pela permanˆencia da linha em n´ıvel baixo durante quatro per´ıodos de SCICLK consecutivos. J´a os bits de dados s˜ao determinados por trˆes medi¸c˜oes, realizadas no quarto, quinto e sexto per´ıodos do intervalo do bit. Neste caso, considera-se o valor indicado pela maioria das medi¸c˜oes.

Figura 6 - Determina¸c˜ao do valor do bit durante recep¸c˜ao SCI. Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS,

2009).

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1

SCICLK

SCIRXD

Start bit LSB

8 períodos de SCICLK por bit

O programador do DSP geralmente n˜ao se preocupa com o valor do SCICLK. Ele apenas verifica a taxa de transmiss˜ao necess´aria para comunica¸c˜ao com o dispositivo perif´erico e calcula o valor de BRR. Sabendo-se que cada bit ocupa 8 ciclos de SCICLK e que o SCICLK ´e determinado pela Equa¸c˜ao2.2, obt´em-se a Equa¸c˜ao 2.3, que ´e usada no c´alculo de BRR.

BRR= LSP CLK

(T axaSCI·8)

−1 (2.3)

(36)

de comunica¸c˜ao serial possui duas FIFOs de 16 n´ıveis, uma no transmissor e outra no receptor. As FIFOS s˜aobuffers que armazenam os dados de entrada e sa´ıda, permitindo o envio ou recep¸c˜ao de at´e 16 caracteres em apenas uma interrup¸c˜ao de CPU. Dependendo do sistema, a FIFO pode proporcionar uma redu¸c˜ao significativa na carga de servi¸co (TEXAS INSTRUMENTS,2011).

A Figura 7 mostra o diagrama de funcionamento da interface de comunica¸c˜ao se-rial. Com a FIFO habilitada (SCIFFENA = 1), os dados que chegam na entrada RX passam pelo RXSHF (Receiver Shift Register) e s˜ao armazenadas diretamente na FIFO de recep¸c˜ao. Os dados s´o ser˜ao processados pela CPU quando ocorrer um dos seguintes eventos: ocupa¸c˜ao da FIFO atingir certo limite, ocorrˆencia deoverflow da FIFO ou erro de recep¸c˜ao. Ooverflow ocorre quando os 16 n´ıveis da FIFO est˜ao ocupados e um novo caractere ´e recebido. O programador n˜ao precisa esperar que ooverflow ocorra para que os dados sejam processados pela CPU, basta definir um limite de ocupa¸c˜ao atrav´es do registrador RXFFIL. Erros de recep¸c˜ao tamb´em geram interrup¸c˜ao de CPU (RXINT), pois s˜ao necess´arias rotinas para tratamento de exce¸c˜ao.

Figura 7 - Funcionamento da FIFO. Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS,2009).

RX FIFO 15

RX FIFO 0

TX FIFO 15 TX FIFO 0

RX BUF

TX BUF TXSHF RXSHF RX

TX

RXFFOVF flag

RXERR flag RXFFIL 16x8 bit FIFO

TXFFIL TXRDY flag RXRDY/BRKDT

RXFFIENA

RX/BKINTENA RXERRINTENA

TXFFIENA TXINTENA

ABD bit

CDC bit

SCIFFENA

SCIFFENA RXINT

TXINT 1

0

1 0

Auto-band detect logic

(37)

2.3.2.2 GPIO

GPIOs (General Purpose Input/Output) s˜ao portas program´aveis de prop´osito geral que podem funcionar tanto como entradas como sa´ıdas digitais. As GPIOs n˜ao tem fun¸c˜ao definida e podem ser usadas para prover mecanismos de sinaliza¸c˜ao entre o DSP e o mundo externo.

O mecanismo de sinaliza¸c˜ao se baseia no fato de que o n´ıvel de tens˜ao de cada pino de GPIO est´a associado a um bit na mem´oria interna do DSP. N˜ao importa como o pino ´e configurado, o bit correspondente no registrador de dados reflete sempre o estado atual do pino. Em outras palavras, o bit mapeia na mem´oria do DSP, o n´ıvel de tens˜ao de cada pino GPIO. E mais que isso, permite alterar uma vari´avel a partir da outra.

Neste trabalho, o GPIO foi utilizado na medi¸c˜ao do tempo de execu¸c˜ao de trechos de c´odigo cr´ıticos e das interrup¸c˜oes. O procedimento de medi¸c˜ao ´e conhecido como bit-on/bit-off e consiste em alterar o valor de um bit em dois pontos do c´odigo e analisar, por meio de oscilosc´opio, a onda digital produzida no pino GPIO.

2.3.2.3 Interrup¸c˜oes

“Interrup¸c˜ao ´e um evento externo ou interno que faz com que o processador pare a execu¸c˜ao do seu programa atual e passe a executar um trecho especial de c´odigo chamado de Rotina de Servi¸co de Interrup¸c˜ao (ISR)” (LAPSLEY et al.,1997). O termo interrup¸c˜ao, em diversas situa¸c˜oes, ´e utilizado para designar a pr´opria rotina de tratamento, a ISR.

Antes de processar a ISR, a CPU armazena os dados do processo anterior em re-gistradores espec´ıficos. Desta forma, logo que a ISR termina, a CPU retorna ao ponto de parada do processo anterior. As vari´aveis de processo carregam o contexto de execu¸c˜ao da CPU. Por isso, a a¸c˜ao de copiar as vari´aveis ´e denominada salvar contexto. Muitos micro-processadores n˜ao implementam rotinas de salvar contexto. Neste caso, a responsabilidade recai sobre o programador. N˜ao ´e o caso do TMS320F28335.

Para trocar o contexto, a CPU demora alguns ciclos de clock. Quando a troca de contexto esta associada a uma interrup¸c˜ao, o tempo gasto na troca ´e denominado de latˆencia de interrup¸c˜ao. O latˆencia de interrup¸c˜ao depende da arquitetura do processador. Processadores mais avan¸cados tˆem Shadow Registers (Registradores Sombra) que fazem c´opia das vari´aveis de processo em apenas um ciclo de clock (SMITH, 1999). Como o TMS320F28335 n˜ao disp˜oe deste recurso, o programador deve ponderar sobre as vantagens trazidas pelas interrup¸c˜oes e as consequˆencias de seu uso.

(38)

A maioria dosloopsexecutam um n´umero fixo de vezes, o processador costuma usar um registro para manter o ´ındice de loop, ou seja, o contador para o n´umero de vezes que o processador executa oloop. O processador realiza uma varredura nos dados para aumentar ou diminuir o ´ındice e testa se a condi¸c˜ao do la¸co foi cumprida. Em caso negativo, uma instru¸c˜ao de desvio condicional traz o processador de volta ao topo do loop. Todas estas etapas adicionam sobrecarga a opera¸c˜ao doloop e usam registradores preciosos. (LAPSLEY et al., 1997, p. 91)

Algumas funcionalidades s˜ao eficientes somente quando implementadas por inter-rup¸c˜oes. Atividades temporizadas, por exemplo, quando executadas dentro de um loop, exigem que o processador esteja em espera ocupada.

Programas estruturados sob interrup¸c˜oes s˜ao mais modulares e organizados. Por outro lado, a gerˆencia das interrup¸c˜oes n˜ao ´e t˜ao simples. ´E preciso analisar o momento em que cada interrup¸c˜ao deve ocorrer. Identificar trechos de c´odigo cr´ıticos, ou seja, instru¸c˜oes cont´ıguas que n˜ao podem ser interrompidas. Verificar se as interrup¸c˜oes n˜ao interferem umas nas outras.

A gest˜ao de interrup¸c˜ao exige do desenvolvedor um conhecimento profundo da ar-quitetura do hardware. ´E necess´ario saber como as interrup¸c˜oes est˜ao organizadas, quais s˜ao priorit´arias e como habilitar e desabilitar cada uma.

Os DSPs tˆem muitos perif´ericos e cada perif´erico ´e capaz de gerar uma ou mais interrup¸c˜oes. A CPU n˜ao ´e capaz de lidar com todos os pedidos de interrup¸c˜ao dos pe-rif´ericos. Por este motivo, os DSPs utilizam mecanismos de arbitragem de pedidos. No TMS320F28335, o m´odulo respons´avel pela arbitragem ´e oPeripheral Interrupt Expansion (PIE). O PIE divide as interrup¸c˜oes em 12 grupos, de acordo com a fonte. Neste traba-lho foram utilizadas apenas interrup¸c˜oes dos grupos 1 e 9. A prioridade das interrup¸c˜oes segue a numera¸c˜ao dos grupos, sendo o grupo 1 o mais priorit´ario. No grupo 1 est˜ao as interrup¸c˜oes de convers˜ao A/D e dos temporizadores. O grupo nove traz as interrup¸c˜oes da SCI. Al´em de gerenciar os pedidos de interrup¸c˜ao, o PIE tamb´em ´e respons´avel por informar `a CPU, o endere¸co de mem´oria de cada ISR.

2.3.2.4 Temporizador (Timer)

Temporizadores s˜ao contadores de pulsos de clock utilizados na gera¸c˜ao de sinais declock de menor frequˆencia. Os temporizadores podem ser entendidos como osciladores controlados por software. Quase todos os DSPs fornecem temporizadores program´aveis. Eles s˜ao normalmente utilizados como fontes de interrup¸c˜oes peri´odicas (LAPSLEY et al.,

1997). Outra poss´ıvel aplica¸c˜ao ´e comoclock para circuitos externos a partir dos pinos de GPIO.

(39)

usada para aplica¸c˜oes gerais. Os temporizadores utilizam oclock da CPU (SYSCLKOUT) como referˆencia. Como a frequˆencia deste clock ´e muito elevada, 150 MHz, ´e necess´ario um elemento de pr´e-escala. O elemento de pr´e-escala realiza uma divis˜ao de frequˆencia preliminar. A Figura 8 mostra o funcionamento de um temporizador padr˜ao. O per´ıodo da interrup¸c˜ao ´e definido atrav´es do valor inicial do contador, o qual ´e recarregado quando o contador chega a zero.

Figura 8 - Funcionamento b´asico de um temporizador. Fonte: baseado em (LAPSLEY et al.,1997).

Contador Pré-escala

ContadorReiniciar

Clock da CPU Interrupção

2.3.3 GPS

GPSs (Global Positioning Systems) s˜ao sistemas de navega¸c˜ao baseados em sat´elites que fornecem informa¸c˜oes a respeito da localiza¸c˜ao e hor´ario de qualquer coordenada geogr´afica na Terra.

O termo GPS est´a normalmente associado ao aparelho receptor. Existem in´umeros tipos de receptores GPS. Muitos deles s˜ao equipamentos de bolso com interface para intera¸c˜ao com humanos. Neste trabalho, utilizamos o receptor ET322 da GlobalsatR

. O ET322 ´e um modelo bastante simples, consiste em uma pequena placa de circuito com pinos para acesso `as informa¸c˜oes dos sat´elites. Como mostra a Figura 3, cada esta¸c˜ao conta com um GPS. Os GPSs se comunicam diretamente com os DSPs, promovendo o sincronismo entre as esta¸c˜oes. O sincronismo ´e importante porque o sistema supervis´orio utiliza a diferen¸ca entre os hor´arios dos alarmes para calcular a localiza¸c˜ao dos vazamentos. A proposta inicial era que os DSPs comunicassem com os GPSs apenas quando um vazamento ocorresse. Contudo, no momento do vazamento, a comunica¸c˜ao com o sistema supervis´orio se intensifica. Para evitar conflito entre as comunica¸c˜oes e sobrecarga da rede, foi decidido pela implementa¸c˜ao de um rel´ogio interno no DSP.

(40)

2.3.3.1 Rel´ogio interno

O rel´ogio interno ´e um contador implementado no DSP que utiliza a interrup¸c˜ao peri´odica TINT0 para atualizar o hor´ario obtido junto ao GPS.

O hor´ario fornecido pelo GPS obedece ao formatohhmmss.sss, ou seja, tem precis˜ao na casa dos milissegundos. Apesar de fornecer o hor´ario com precis˜ao de milissegundo, o GPS s´o ´e capaz de enviar a mensagem RMC a cada segundo. Por isso, o temporizador CPU-Timer 0 foi regulado para promover interrup¸c˜oes peri´odicas a cada milissegundo, atualizando o hor´ario com a m´axima precis˜ao e sem necessidade de comunica¸c˜ao constante entre DSP e GPS. A l´ogica de atualiza¸c˜ao do rel´ogio interno ´e mostrada na Figura9.

Figura 9 - Fluxograma do rel´ogio implementado no DSP. Fonte: (AVELINO,2009)

início

incrementa milissegundo

milissegundo = 1000?

zera milissegundo

incrementa segundo

segundo = 60?

zera segundo

incrementa minuto

zera minuto

incrementa hora

hora = 24?

zera hora minuto = 60?

sim

sim

sim

sim

(41)

2.4 Descri¸c˜ao do duto

O sistema de detec¸c˜ao foi implantado num duto de 9,6 km de extens˜ao e 16” de diˆametro. O duto ´e totalmente pressurizado e transporta uma mistura multif´asica de ´oleo bruto, ´agua e g´as, entre duas esta¸c˜oes de transferˆencia, referenciadas a partir deste momento como esta¸c˜oes A e B. O fluido ´e transportado da esta¸c˜ao B para a A usando, para isso, um total de 18 bombas: 16 na esta¸c˜ao B e 2 na A. Os ligamentos e desligamentos de bombas s˜ao constantes, acarretando em perfis de press˜ao com muitos transientes. A press˜ao na entrada do duto varia entre 18 e 24 bar e na sa´ıda alterna na faixa de 14 a 17 bar.

Como o m´etodo de detec¸c˜ao proposto se baseia em modelos de assinaturas, foram necess´arias simula¸c˜oes de vazamentos. Os vazamentos foram simulados por meio de v´al-vulas localizadas nas esta¸c˜oes. Foram escolhidos 2 pontos de simula¸c˜ao na esta¸c˜ao B e 3 na A. As Figuras 10 e 11 mostram as plantas das esta¸c˜oes, com foco na localiza¸c˜ao dos sensores e dos pontos de simula¸c˜ao.

Figura 10 - Esquema da Esta¸c˜ao A.

16'' Nominal 2,90 m 0,40 m

0,87 m 0,87 m

Sensor 1 Fluxo

Saída do duto

16'' Nominal

4,10 m

Sensor 2 COSASCO

6,47 m Ponto de simulação 3

3/4'' Nominal 0,27 m

0,70 m

0,17 m 0,37 m

Ponto de simulação 1

3/4'' Nominal

0,44 m 0,53 m

ReSebedor de Pigs

Ponto de simulação 2 2'' Nominal Tonel

Caixa API

(42)

Figura 11 - Esquema da Esta¸c˜ao B.

3,00 m

0,18 m 0,36 m 0,69 m

0,16 m

1,70 m 0,95 m 5,66 m

0,19 m

0,16 m

0,75 m

Caixa API Entrada do duto

0,60 m

Fluxo 16'' Nominal

Ponto de simulação 1 3/4'' Nominal

Sensor 1 Sensor 2

12'' Nominal

Ponto de simulação 2 2'' Nominal

Caixa API

Caixa API

A situa¸c˜ao mais cr´ıtica para o sistema de detec¸c˜ao ´e quando o vazamento ocorre pr´oximo a uma das esta¸c˜oes. Pois, nesta condi¸c˜ao, o transiente hidr´aulico chega a outra esta¸c˜ao muito atenuado.

(43)

3 O SISTEMA DE AQUISI ¸C ˜AO DE DADOS

Eu sempre digo que, quando se pode medir aquilo sobre o que fa-lamos e conseguimos exprimir essa medida em n´umeros, sabemos algo a seu respeito, mas quando n˜ao podemos exprimi-la em n´ ume-ros, nosso conhecimento ´e limitado e insatisfat´orio. Pode at´e ser o come¸co do conhecimento, mas o pensamento ter´a avan¸cado muito pouco para o est´agio cient´ıfico, seja qual for o assunto.

Thorson, Sir William

A interven¸c˜ao direta dos humanos sobre os processos industriais diminui ano ap´os ano. Atividades antes manuais passam, cada vez mais, a ser exclusividade das m´aquinas. Neste cen´ario, os processos tornam-se mais r´apidos e a necessidade de conhecˆe-los minu-ciosamente aumenta. O conhecimento profundo sobre uma aplica¸c˜ao ´e a primeira etapa para a sua automa¸c˜ao. ´E, tamb´em, uma quest˜ao de seguran¸ca, uma vez que o processo automatizado n˜ao disp˜oe da habilidade humana de encontrar solu¸c˜oes diante ao inespe-rado.

O conhecimento sobre qualquer fenˆomeno vem atrav´es da observa¸c˜ao. A observa¸c˜ao ´e o primeiro passo, ´e a fonte de informa¸c˜ao. O segundo passo ´e an´alise das informa¸c˜oes, a correla¸c˜ao entre fatos, que leva `a constru¸c˜ao de padr˜oes. O terceiro passo ´e utiliza¸c˜ao dos padr˜oes para a tomada de decis˜oes, que por sua vez, levam a novas observa¸c˜oes.

N´os humanos geralmente associamos o termo observa¸c˜ao `a vis˜ao. Mas devemos lem-brar que o termo ´e bem mais amplo. A observa¸c˜ao refere-se a toda e qualquer forma de capturar informa¸c˜oes. Mesmo dispondo de cinco sentidos, a nossa capacidade de obser-va¸c˜ao ´e muito limitada. A vis˜ao, por exemplo, corresponde as informa¸c˜oes de um curto trecho do espectro de frequˆencias. O trecho da audi¸c˜ao ´e ainda mais estreito.

Conforme a necessidade se fez presente, n´os humanos tivemos que construir equipa-mentos que permitissem ampliar a capacidade de observa¸c˜ao. Estes equipaequipa-mentos, deno-minados transdutores, nada mais fazem do que traduzir uma informa¸c˜ao que n˜ao pode ser sentida em outra que est´a dentro do dom´ınio de observa¸c˜ao. Para Fran¸ca (1997), “o transdutor ´e o componente respons´avel pela transforma¸c˜ao da grandeza de processo em outra que o sistema de aquisi¸c˜ao de dados possa usar”. Entende-se grandeza de processo como qualquer grandeza f´ısica mensur´avel. J´a sistema de aquisi¸c˜ao de dados pode ser de-finido como o conjunto de todos os equipamentos e procedimentos de adequa¸c˜ao de sinais utilizados para levar a informa¸c˜ao at´e o observador.

Referências

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