Desenvolvimento de sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA – CT CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEO - PPGCEP. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE SUPERVISÃO PARA UM DUTO DE TESTES DE PIGS. Victor Carvalho Galvão de Freitas. Orientador: Prof. Dr. Andrés Ortiz Salazar. Natal / RN, setembro de 2016.

(2) Victor Carvalho Galvão de Freitas. Desenvolvimento de sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Petróleo.. Orientador: Andrés Ortiz Salazar. Natal/RN Setembro de 2016.

(3) Catalogação da Publicação na Fonte Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Sistema de Bibliotecas Biblioteca Central Zila Mamede / Setor de Informação e Referência Freitas, Victor Carvalho Galvão de. Desenvolvimento de sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs / Victor Carvalho Galvão de Freitas. - 2016. 56 f. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Natal, RN, 2016. Orientador: Prof. Dr. Andrés Ortiz Salazar. 1. Indústria de petróleo – Dissertação. 2. PIG (Pipeline Inspection Gauge) – Dissertação. 3. Sensor de pressão – Dissertação. 4. CLP (Controlador Lógico Programável) – Dissertação. 5. Controle de velocidade – Dissertação. I. Salazar, Andrés Ortiz. II. Título. RN/UF/BCZM. CDU 620.19.

(4) Dedico este trabalho ao meus queridos pais, José Galvão de Freitas e Alzira Carvalho Galvão de Freitas, principais responsáveis por todas as minhas conquistas..

(5) AGRADECIMENTOS Aos servidores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, particularmente aos vinculados ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo, pelo empenho em oferecer educação pública de qualidade. À FINEP, pelo fundamental apoio financeiro, e a todos que contribuíram direta e indiretamente para a concretização deste projeto, como Berton Meira, Gustavo Fernandes de Lima, André Laurindo Maitelli e Francisco de Assis Oliveira Fontes, entre outros. Aos colegas do LAMP, pelos momentos de aprendizado, descontração e, principalmente, pela ajuda crucial na realização dos testes no sistema proposto. À minha namorada, Kézia Raphaela, pela paciência, por ouvir as minhas angústias acadêmicas e por se fazer presente em todos os momentos, especialmente quando eu mais precisei. Ao meu orientador, Dr. Andrés Ortiz Salazar, pela valiosa contribuição em todos os aspectos deste trabalho e por estar sempre disposto a ajudar. Agradeço imensamente a todos..

(6) FREITAS, V. C. G. Desenvolvimento de sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Área de Concentração: Pesquisa e Desenvolvimento em Ciência e Engenharia de Petróleo. Linha de pesquisa: Automação na Indústria do Petróleo e Gás Natural. Natal – RN, Brasil.. RESUMO Diversas ferramentas de manutenção têm sido empregadas para garantir o correto funcionamento da malha dutoviária de transporte de petróleo, gás natural e derivados, devido ao importante papel que ela desempenha na cadeia de abastecimento e distribuição da indústria de energia. Entre essas ferramentas, pode-se destacar o uso do PIG (Pipeline Inspection Gauge) – dispositivo que viaja no interior dos dutos e é capaz de realizar desde uma simples limpeza até uma inspeção detalhada de integridade da tubulação. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema de medição e supervisão para um duto de testes cujo principal objetivo é pesquisar técnicas de controle de velocidade para PIGs. Foram usados transdutores de pressão ao longo do duto a fim de determinar a posição e a velocidade média do PIG. O sistema de supervisão foi implementado no Elipse SCADA, responsável pela visualização e registro de variáveis do sistema. A interface entre esse sistema e os transdutores foi realizada por meio de um Controlador Lógico Programável. Os resultados obtidos demonstram que o deslocamento do PIG afeta significativamente o comportamento da pressão no duto e, assim, podem ser usados para estimar a posição e a velocidade média do dispositivo por meio dos sensores utilizados. Palavras-chaves: PIG. Controle de velocidade. Supervisório. Sensor de pressão. CLP..

(7) ABSTRACT Several maintenance tools have been employed to ensure the correct operation of the pipeline network to transport oil and gas, due to the important role it plays in the chain of supply and distribution of the energy industry. Among these tools, we can highlight the use of PIG (Pipeline Inspection Gauge) – a device that travels inside the pipeline and is capable of performing from a simple cleaning to a detailed inspection of pipe integrity. In this work, we developed a measurement and monitoring system for a test pipeline whose main objective is to research PIG speed control techniques. We use pressure transducers along the pipeline in order to determine the position and the average speed of PIG. The supervisory system was implemented in Elipse SCADA, responsible for viewing and recording system variables. The interface between this system and the transducers was done using a Programmable Logic Controller. The results show that displacement of the PIG significantly affects the behavior of the pressure in the pipeline and thus can be used to estimate the position and the average speed of the device by means of the sensors used. Key-words: PIG. Speed control. Supervisory. Pressure sensor. PLC..

(8) LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 1 2 3 4 5 6 7. – – – – – – –. 8 – 9 – 10 – 11 – 12 – 13 – 14 – 15 – 16 – 17 – 18 – 19 – 20 – 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32. – – – – – – – – – – – –. PIG de limpeza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PIG de selagem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PIG instrumentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Loop de testes da Rotary International. . . . . . . . . . . . . . . . . . Loop de testes da Propipe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forças atuando no PIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Situações que podem impedir o deslocamento do PIG: (a) derivações muito próximas; (b) válvula parcialmente fechada; (c) raio de curvatura inadequado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Representação de um lançador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Representação de um recebedor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Foto de lançador comercial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Típica malha de corrente 4-20 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitetura de comunicação Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mapeamento Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo de sala de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitetura típica de um CLP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linguagens de programação definidas na IEC61131-3. . . . . . . . . . PIG espuma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PIG em aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Representação do duto (medidas em mm). . . . . . . . . . . . . . . . Vista aérea do duto que foi construído em volta de estrutura existente no LAMP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lançador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recebedor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamento ideal da pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efeito piezoelétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transdutor de pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CLP TPW-03. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuração Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ladder usado para realizar a configuração Modbus no CLP. . . . . . Ladder usado para configuração das entradas analógicas. . . . . . . . Tabela de endereços para acesso aos canais analógicos. . . . . . . . . Mapeamento entre registradores de dados e endereços Modbus. . . . Características das entradas analógicas. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. 13 13 14 17 17 19. . . . . . . . . . . . . .. 20 21 21 22 23 24 25 26 27 27 29 30 31. . . . . . . . . . . . . .. 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38 39 39 40.

(9) Figura Figura Figura Figura Figura. 33 34 35 36 37. – – – – –. Figura 38 – Figura 39 – Figura 40 – Figura 41 – Figura 42 – Figura 43 – Figura 44 –. Arquitetura de automação do sistema proposto. . . . . . . . . . . . . Diagrama P&ID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tela principal do sistema de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . Ilustração do lançador e recebedor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismo instalado no lançador para acionamento simultâneo das válvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passagem do PIG espuma - curva pressão x tempo (horário). . . . . . Passagem do PIG de aço - Pressão x tempo (horário). . . . . . . . . . Passagem do PIG espuma com maior diferença de pressão - curva pressão x tempo (horário) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passagem do PIG espuma pelos três primeiros sensores - curva pressão x tempo (horário). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O problema de by-pass no PIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pressão x tempo (horário). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deslocamento x tempo (horário). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. 41 42 43 44. . 45 . 46 . 47 . 48 . . . .. 48 49 50 50.

(10) LISTA DE TABELAS Tabela Tabela Tabela Tabela. 1 2 3 4. – – – –. Tabelas primárias Modbus. . . . . . . . . . . Características do sensor NP-300 . . . . . . . Configuração do registrador D8321. . . . . . . Mapeamento de memória entre registradores Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . de . .. . . . . . . . . . . . . dados . . . .. . . . e .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . endereços . . . . . .. . 25 . 35 . 37 . 40.

(11) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS API. American Petroleum Institute. ASME. American Society of Mechanical Engineers. CLP. Controlador Lógico Programável. LAMP. Laboratório de Avaliação e Medição em Petróleo. PC. Personal Computer. PIG. Pipeline Inspection Gauge. SDCD. Sistema Digital de Controle Distribuído. UFRN. Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

(12) SUMÁRIO 1 1.1 1.2 1.3. INTRODUÇÃO . . . . . . . PIG: definições e aplicações Justificativa e objetivos . . . Estrutura do documento . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 12 12 14 14. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uso de PIGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controle de velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de testes de PIGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trabalhos desenvolvidos no LAMP/UFRN . . . . . . . . . . . Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 15 15 15 16 18 18. 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Dinâmica do PIG . . . . . . . . . Operação de passagem de PIGs Instrumentação industrial . . . . Sistemas supervisórios . . . . . . Controlador Lógico Programável Conclusão . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. 19 19 20 22 25 26 28. 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.6 4.7 4.8. DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PIGs usados nos testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Duto de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Escolha dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuração da comunicação Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . Configuração das entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . Acesso aos valores obtidos na entrada analógica . . . . . . . . . . . Características das entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Supervisório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operação de lançamento do PIG . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. 29 29 29 30 36 36 37 38 40 40 41 43 44. 5 5.1. RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 PIG espuma - 2 sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. . . . . . . .. . . . .. . . . . . . .. . . . .. . . . . . . ..

(13) de aço - 2 sensores . . . . . . . . . . . . espuma - 4 sensores . . . . . . . . . . . espuma - 6 sensores, com ocorrência de espuma - 6 sensores . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . by-pass . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 5.2 5.3 5.4 5.5. PIG PIG PIG PIG. 6. CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. REFERÊNCIAS. 47 47 48 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.

(14) 13. 1 INTRODUÇÃO O objetivo deste capítulo é apresentar o contexto tecnológico no qual a dissertação está inserida, bem como algumas definições básicas, a justificativa e os objetivos do trabalho.. 1.1 PIG: definições e aplicações De acordo com a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), em 2014 havia no Brasil 601 dutos destinados ao transporte de petróleo, derivados e gás natural, totalizando mais de 19 mil km de extensão (ANP, 2015). Essa malha dutoviária desempenha um importante papel na cadeia de abastecimento e distribuição da indústria do petróleo (ALVES, 2007), portanto a manutenção dos dutos é fundamental, pois é capaz de evitar grandes prejuízos econômicos, sociais e ambientais. Dentre as técnicas desenvolvidas para realizar a manutenção dos dutos, pode-se destacar a utilização de PIGs (SOUZA, 2005). O PIG é um dispositivo que se desloca no interior do duto a fim de realizar desde a limpeza até uma inspeção detalhada. Em geral, é impulsionado pelo próprio fluido transportado graças à diferença de pressão a que está submetido na linha. O termo PIG vem da sigla em inglês para “Pipeline Inspection Gauge” (TIRATSOO, 1992). Pode-se classificar os PIGs em diversos grupos, de acordo com sua finalidade, entre as quais: limpeza, selagem e inspeção. Um PIG de limpeza (cleaning PIG) é usado para remover depósitos de parafina ou outros detritos provenientes do produto transportado, enquanto um PIG de selagem (sealing PIG) pode ser usado para isolar seções da tubulação em determinadas operações. Por sua vez, um PIG de inspeção ou instrumentado (smart PIG) é capaz de detectar sinais de corrosão, por meio de sensores instalados no mesmo, fornecendo dados sobre a integridade do duto. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam fotos de PIGs comerciais. Seja com o objetivo de limpeza, selagem ou inspeção de integridade, a velocidade do PIG geralmente deve ser mantida constante para uma melhor eficiência da operação. A importância de controlar a velocidade é ainda mais evidente em gasodutos, devido às características do fluido transportado, como compressibilidade, falta de lubrificação e ocorrência de “tiros” (HANIFFA; HASHIM, 2012). O “tiro”, como é popularmente conhecido, é um pico de velocidade indesejado atingido pelo PIG em determinadas condições de pressão. É causado pela alta diferença de pressão que surge quando o dispositivo, momentaneamente, tem seu deslocamento limitado por alguma obstrução na tubulação..

(15) Capítulo 1. Introdução. 14. Figura 1 – PIG de limpeza.. Disponível em: <http://www.smartpigs.net/media/cleaningpig2.jpg>. Acesso em: 10.1.2016. Figura 2 – PIG de selagem.. Disponível 20.06.2016.. em:. <http://www.dp-flow.co.uk/images/pigs/solid/process/pdp-lg.jpg>.. Acesso. em. A velocidade pode ser controlada manualmente por meio do controle da vazão/pressão no duto ou automaticamente, por um dispositivo de controle de velocidade instalado no próprio PIG (HANIFFA; HASHIM, 2012). Uma maneira de controlar a velocidade de forma automática é por meio de uma válvula by-pass instalada no corpo do PIG, que permite regular a diferença de pressão a qual ele está submetido e, consequentemente, controlar sua velocidade (LIMA et al., 2015). Conforme será apresentado no próximo capítulo, algumas empresas e centros de pesquisa construíram dutos de testes com o objetivo de simular condições de operação tipicamente encontradas nos dutos, como o CTDUT (Centro de Tecnologia em Dutos) no Rio de Janeiro (CTDUT, 2016), para o desenvolvimento das tecnologias utilizadas nos PIGs..

(16) Capítulo 1. Introdução. 15. Figura 3 – PIG instrumentado.. Disponível em: <http://www.gereports.ca/smart-pigs-that-sniff-out-trouble-down-the-pipe/>. Acesso em 11.05.2016.. 1.2 Justificativa e objetivos Dada a importância de regular a velocidade de PIGs e os altos custos envolvidos principalmente na inspeção dos dutos, é imprescindível o desenvolvimento de técnicas de controle de velocidade que busquem aumentar a eficiência dessas operações. Propomos, portanto, um sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs cujo principal objetivo é auxiliar no desenvolvimento e validação dessas técnicas. Ao monitorar dados como o comportamento da pressão no duto e a velocidade média do PIG, é possível obter informações que podem ser úteis para entender sua dinâmica. Assim, os objetivos do trabalho podem ser resumidamente definidos em: ∙ Desenvolver um sistema de supervisão para um duto de testes de PIGs; ∙ Conceber o sistema com uma arquitetura flexível, de forma que seja possível realizar futuras modificações e expansões; ∙ Determinar se é possível calcular a velocidade média de um PIG por meio de sensores de pressão instalados no duto.. 1.3 Estrutura do documento O Capítulo 2, a seguir, apresenta uma revisão bibliográfica a respeito do tema desta dissertação; o Capítulo 3 trata da fundamentação teórica; por sua vez, o Capítulo 4 apresenta o desenvolvimento do trabalho e a metodologia; já o Capítulo 5 apresenta os resultados obtidos; por fim, o Capítulo 6 apresenta a conclusão..

(17) 16. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Este capítulo foi dividido em quatro seções: a primeira faz referência a alguns trabalhos que detalham os diversos tipos de PIGs, sua aplicação e importância na indústria de petróleo e gás, além de citar ferramentas alternativas; na segunda seção, são citados trabalhos que tratam especificamente do controle de velocidade; na terceira seção, são apresentados resumidamente alguns sistemas de testes para PIGs que encontramos durante a pesquisa bibliográfica; por fim, são mencionados alguns trabalhos desenvolvidos por este autor em conjunto com o Grupo de Pesquisa em PIGs do LAMP/UFRN.. 2.1 Uso de PIGs Tiratsoo (1992) descreve diversos tipos de PIGs, sua importância e as funções que eles são capazes de desempenhar na manutenção do modal dutoviário. Apresenta, ainda, aspectos a serem considerados num projeto de tubulação para permitir a passagem de PIGs. Já Choi e Ryew (2002) apresenta equações para determinar as dimensões do PIG em função da geometria da tubulação, ou seja, dada uma tubulação existente, é preciso dimensionar o PIG de forma a permitir sua passagem no duto. Além de serem ferramentas bastante utilizadas na manutenção dos dutos existentes, os PIGs podem ser utilizados ainda na instalação de novos dutos e no final de sua vida útil. Russell (2005) descreve o papel dessas ferramentas no pré-comissionamento de novos dutos, detalhando as operações realizadas. Tolmasquim (2004) cita a utilização de PIGs do tipo separador no processo de desativação de oleodutos, quando frequentemente é necessário remover o produto e preenchê-lo com gás inerte. No entanto, vale ressaltar que há outras ferramentas de inspeção e limpeza de dutos que podem se mostrar mais adequadas em determinadas situações. Reis (2001) descreve uma ferramenta robótica desenvolvida pela Petrobras, denominada “GIRINO”, cujo movimento é baseado nos anfíbios, que é capaz de se deslocar na tubulação independentemente do sentido do fluido. Plácido (2005) descreve diversas ferramentas para a inspeção interna de dutos e apresenta critérios para auxiliar na escolha do tipo mais adequado para uma determinada operação.. 2.2 Controle de velocidade Diversos pesquisadores têm tratado do desenvolvimento de técnicas de controle de velocidade para PIGs. Nguyen et al. (2001) afirma que a velocidade do PIG em gasodutos.

(18) Capítulo 2. Revisão bibliográfica. 17. não deve ultrapassar 7 m/s e apresenta um método de controle não linear, além de uma modelagem matemática e de uma simulação do movimento da ferramenta que inclui uma situação de “tiro”. Yardi (2004) apresenta um histórico do controle de velocidade de PIGs, citando patentes americanas na área e descreve um sistema de controle que atua por meio de uma válvula by-pass. Além disso, afirma que os PIGs instrumentados devem se mover numa velocidade constante para evitar distorções nos dados coletados, pois o tempo de amostragem do sistema de aquisição é constante. Tolmasquim (2004) apresenta um modelo dinâmico para o movimento do PIG e cita a importância do controle de velocidade de PIGs separadores a fim de obter uma boa estanqueidade na operação de esvaziamento de dutos e também. Nesse sentido, Haniffa e Hashim (2012) vai além e ressalta que o controle de velocidade é importante nos diversos tipos de PIG, bem como descreve vários métodos de controle de velocidade, classificandoos como passivos ou ativos.. 2.3 Sistemas de testes de PIGs Souza (2005) descreve um aparato experimental feito com o objetivo de avaliar modelos para remoção de depósitos de parafina por meio de PIGs de limpeza, constituído por um tubo de aço de 6”. Os PIGs são tracionados por cabos de aço ligados a um guincho, e células de carga são usadas para registrar a força exercida pelos PIGs durante os testes. Tiratsoo (1992) descreve um sistema projetado para testar vários tipos de PIGs sob diversas condições de fluxo e apresenta os resultados de alguns experimentos realizados. O sistema conta com transdutores de pressão e vazão que são úteis no estudo do comportamento dos PIGs. Os resultados indicam que a velocidade média do dispositivo pode ser calculada por meio dos transdutores de pressão. Algumas empresas e centros de pesquisa da área de dutos disponibilizam comercialmente suas instalações para o desenvolvimento e teste de novos PIGs. O CTDUT, localizado no estado do Rio de Janeiro, é destinado à pesquisa na área de dutos e terminais. Suas instalações contam com um duto de 14” de diâmetro e 2,7 km de comprimento, que possibilita o teste de PIGs instrumentados e o treinamento de operadores na interpretação dos dados obtidos (CTDUT, 2016). Já a A.Hak Industrial Services (Noruega) possui três loops de teste com 4”, 6” e 12” alimentados com água. Eles são utilizados no desenvolvimento de PIGs e produtos relacionados, além de oferecer treinamento a operadores dos sistemas (IN-LINE. . . , 2016). Por sua vez, a Rotary Components International (Texas-EUA) tem um loop de testes para PIGs, com diâmetro de até 12” e comprimento aproximado de 90 metros. O loop contem curvas e diâmetro variável, buscando simular as condições de operação típicas. Transdutores de pressão e vazão conectados a um compu-.

(19) Capítulo 2. Revisão bibliográfica. 18. tador permitem a aquisição de dados (PIPELINE. . . , 2016). As Figuras 4 e 5 apresentam dois dutos de teste. Figura 4 – Loop de testes da Rotary International.. Fonte: Rotary International (2016).. Figura 5 – Loop de testes da Propipe.. Disponível em: <http://www.propipe.co.uk/design-and-testing>. Acesso em 14.02.2016..

(20) Capítulo 2. Revisão bibliográfica. 19. 2.4 Trabalhos desenvolvidos no LAMP/UFRN O LAMP/UFRN possui um grupo de pesquisadores dedicado ao desenvolvimento de controladores de velocidade para PIGs. Freitas et al. (2014), por exemplo, descreve uma bancada de testes para simular uma situação de “tiro” e propõe uma estratégia de controle liga-desliga baseada na modulação PWM (Pulse Width Modulation). Em (LIMA et al., 2015), é apresentado um modelo linearizado para estimar a velocidade do PIG e um controlador de velocidade baseado em lógica fuzzy, cujo principal objetivo é minimizar o “tiro”. Freitas et al. (2016) apresenta um duto de testes de PIGs e seu sistema de supervisão. Os resultados demonstram como o uso de sensores de pressão pode ser usado para detectar a passagem do PIG ao longo da tubulação, bem como sua velocidade média. Além disso, será proposta uma patente relacionada ao sistema de testes de PIGs, que envolve o projeto do duto e do sistema de supervisão.. 2.5 Conclusão Há um número significativo de trabalhos que discutem os aspectos relacionados às diferentes aplicações para uso de PIGs e às técnicas de controle de velocidade, bem como sua importância. No entanto, consideramos a literatura escassa no que diz respeito ao desenvolvimento de sistemas para testes de PIGs. Foram apresentadas, ainda, algumas produções científicas desenvolvidas pelo autor em conjunto com outros pesquisadores da UFRN..

(21) 20. 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo, serão tratados alguns aspectos relacionados ao movimento e à “corrida” dos PIGs e aos sistemas de instrumentação industrial relevantes para este trabalho, com o objetivo de fornecer uma fundamentação teórica sucinta para auxiliar no seu entendimento.. 3.1 Dinâmica do PIG Uma vez que o PIG é inserido na tubulação, o fluido transportado impulsiona o dispositivo graças à diferença de pressão, como ilustrado na Figura 6. Considerando o duto paralelo ao chão, não há movimento vertical devido ao equilíbrio da força normal e da força peso. Figura 6 – Forças atuando no PIG.. Fonte: o autor (2016).. De forma simplificada, este movimento pode ser explicado em termos da Segunda Lei de Newton (3.1) e das equações 3.2 a 3.4: 𝐹 = 𝑚𝑎. (3.1). 𝐹Δ𝑃 − 𝐹𝑎 = 𝑚𝑎. (3.2). 𝐹Δ𝑃 = 𝐴ΔP. (3.3). 𝐹𝑎 = 𝐵𝑣 + 𝐹𝑠. (3.4). em que: 𝐹 é o módulo da força resultante; 𝑚 é a massa do PIG; 𝑎 é a aceleração do PIG; 𝐹Δ𝑃 é a força devido à diferença de pressão; 𝐴 é a área da seção reta do PIG; ΔP é a diferença de pressão; 𝐹𝑎 representa as forças de atrito; 𝐵 é o coeficiente de atrito viscoso; 𝑣 é a velocidade do PIG; 𝐹𝑠 é o atrito seco..

(22) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 21. Desprezando o atrito seco e substituindo 𝑎 = 𝑚·. 𝑑𝑣 , 𝑑𝑡. tem-se:. 𝑑𝑣 = 𝐴ΔP − 𝐵𝑣 𝑑𝑡. (3.5). Portanto, a partir da Eq. 3.5 pode-se afirmar que o movimento do PIG depende diretamente da diferença de pressão.. 3.2 Operação de passagem de PIGs Os PIGs podem ser utilizados na fase de comissionamento, na manutenção e no fim da vida útil de um duto e a escolha do tipo mais adequado para determinada operação deve levar em conta o objetivo principal de sua utilização, as condições de pressão e temperatura e as características do fluido transportado. Obviamente a geometria interna de todos os dutos que fazem parte do percurso planejado deve ser cuidadosamente analisada, considerando fatores como variação do diâmetro interno, raio de curvatura das curvas e existência de obstáculos e derivações. Durante a passagem ou “corrida” do PIG, ele corre o risco de ficar preso na tubulação por diversos motivos. O’Donoghue (2002) descreve várias situações que podem causar esse problema, conforme exemplificado na Figura 7.. Figura 7 – Situações que podem impedir o deslocamento do PIG: (a) derivações muito próximas; (b) válvula parcialmente fechada; (c) raio de curvatura inadequado.. (a). (b). (c). Fonte: O’Donoghue (2002).. O ponto de partida para o percurso do PIG é no lançador, que é o equipamento que efetua o seu lançamento no interior do duto. Já o recebedor é o responsável por recuperá-lo ao final do percurso. Os lançadores e recebedores são equipados com detectores de passagem de PIG, manômetros e válvulas de segurança de pressão. As Figuras 8 e 9 apresentam, respectivamente, os diagramas simplificados de um lançador e de um recebedor..

(23) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 22. Figura 8 – Representação de um lançador.. Fonte: adaptado de Tormene Brasil (2016). Figura 9 – Representação de um recebedor.. Fonte: adaptado de Tormene Brasil (2016).. Em condições de operação normal do duto, isto é, sem a passagem de um PIG, as válvulas A e C são mantidas fechadas e o fluxo se dá pela válvula B. Quando um PIG precisa ser inserido na tubulação, a válvula B é fechada e as válvulas C e A são abertas, permitindo que o PIG seja impulsionado a partir do lançador. De forma análoga, o recebedor mantém as válvulas A e C fechadas e o fluxo se dá pelo válvula B durante condições normais de operação. Quando há a necessidade de remover o PIG, a válvula B é fechada e as válvulas A e C são abertas, permitindo que o.

(24) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 23. PIG se desloque em direção ao recebedor. Os lançadores e recebedores são desenvolvidos para atender aos requisitos específicos de um duto, seguindo as normas de projeto mecânico aplicáveis, tais como ASME ou API. Idealmente devem possuir tampas de abertura e fechamento rápido, construídas de forma que sua operação possa ser efetuada em um curto período do tempo e sem o uso de ferramentas especiais. A Figura 10 mostra a foto de um lançador. Figura 10 – Foto de lançador comercial.. Fonte: Tormene Brasil (2016).. Recomenda-se que o PIG possua um sistema que permita recuperar sua localização ao longo do duto sempre que necessário. Esse sistema é essencial para possibilitar a sua recuperação, caso ele fique preso na tubulação.. 3.3 Instrumentação industrial Resumidamente, pode-se definir instrumentação industrial como a ciência responsável por desenvolver técnicas de medição de grandezas físicas, transmissão de informação medida pelos sensores e controle das variáveis dos processos industriais (MOREIRA JUNIOR, 2016). Por sua vez, sensor ou elemento primário é o termo usado para definir o elemento que está em contato direto com a variável medida e fornece uma resposta em função da grandeza física associada..

(25) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 24. A partir da prática de centralizar a supervisão e o controle dos processos em uma sala própria, tornou-se necessária a transmissão dos diversos sinais provenientes do campo para a sala de controle. O elemento que permite a transmissão da grandeza física é denominado transmissor. Pode-se dividir a transmissão do sinal em analógica ou digital. Na transmissão analógica, o valor do sinal varia continuamente e é proporcional ao valor da variável medida, variando de forma contínua no tempo. Já na digital, o sinal varia de forma discreta e alguma codificação binária, ou protocolo, é usado para representar a grandeza medida. Fisicamente, a transmissão pode ser feita de forma hidráulica, pneumática, eletrônica, etc. Uma técnica de transmissão analógica, eletrônica, amplamente usada na indústria é o padrão conhecido como malha ou loop de corrente 4-20 mA. Nessa técnica, a grandeza medida é representada por um sinal de corrente contínua que varia entre 4 e 20 mA. Com seu baixo custo de implantação, inerente resistência a ruído e capacidade de transmitir sinais a longas distâncias, as malhas de corrente demonstraram ser particularmente adequadas para ambientes industriais (NI, 2016). A Figura 11 representa uma malha de corrente típica. Figura 11 – Típica malha de corrente 4-20 mA.. Fonte: O autor (2016).. Para alimentar a malha, é necessária uma fonte de tensão contínua, tipicamente entre 12 e 30 V, ligada em série com o transmissor e com o dispositivo de aquisição de dados, que pode ser o cartão de entrada analógica de um CLP ou de um SDCD. Alguns sistemas de aquisição possuem, por si sós, a capacidade de alimentar o transdutor e, assim, dispensam o uso de uma fonte externa. Entre as técnicas de transmissão digital, destaca-se o Modbus, protocolo que foi desenvolvido inicialmente para permitir a comunicação entre equipamentos eletrônicos industriais e pode ser considerado um padrão na indústria (MODBUS, 2012). Posicionado.

(26) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 25. na camada de aplicação do modelo OSI, é capaz de prover comunicação cliente/servidor entre dispositivos conectados em diferentes tipos de barramentos ou redes, conforme ilustrado na Figura 12. Há três diferentes implementações do protocolo: ∙ Modbus - protocolo serial mestre/escravo que pode ser implementado em diversos meios (RS-232, RS-485, rádio, etc.); ∙ Modbus TCP/IP - baseado no protocolo Ethernet; ∙ Modbus Plus - versão que permite comunicação ponto-a-ponto e oferece altas taxas de transmissão. Figura 12 – Arquitetura de comunicação Modbus.. Fonte: Modbus (2012).. O modelo de dados Modbus é baseado em uma série de tabelas que possuem características distintas. As quatro tabelas primárias são apresentadas na Tabela 1. Esse modelo serve como base para que cada equipamento associe seus registradores ao modelo de dados padrão. Por sua vez, todos os dispositivos compatíveis com o Modbus devem disponibilizar uma tabela que realiza o mapeamento entre o modelo padrão e sua própria memória (Figura 13). A requisição Modbus carrega uma instrução denominada function code, que define o objetivo da requisição. Por exemplo, a function code “0x02 Read Discrete Inputs” é usada para ler uma ou mais entradas digitais contíguas de um dispositivo; já a function.

(27) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 26. Tabela 1 – Tabelas primárias Modbus. Tabela primária. Tipo de dado. Tipo de acesso. Discrete input Coil Input register Holding register. Bit Bit Palavra de 16 bits Palavra de 16 bits. Somente leitura Leitura/escrita Somente leitura Leitura/escrita. Fonte: adaptado de Modbus (2012). Figura 13 – Mapeamento Modbus.. Fonte: o autor (2016).. code “0x05 Write Single Coil” é usada para escrever em uma saída digital (MODBUS. . . , 2012). Entre as razões para a ampla adoção desse protocolo pela indústria, estão o fato de ele possuir implementação relativamente simples, além de ser aberto e gratuito.. 3.4 Sistemas supervisórios Um sistema supervisório permite monitorar de forma quase instantânea as informações associadas aos processos em uma planta industrial e até atuar nos sistemas supervisionados. Cada variável física de interesse é associada a um identificador tipicamente denominado tag. Os primeiros sistemas supervisórios consistiam basicamente de painéis de lâmpadas representando medidas e estados das variáveis e permitiam pouca ou nenhuma interação com o operador (SILVA; SALVADOR, 2004). Atualmente, com o amplo uso dos computadores, esses sistemas contam com diversos recursos, como o uso de telas eletrônicas para.

(28) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 27. visualização gráfica das variáveis, bancos de dados para armazenar os valores medidos, registro detalhado dos alarmes gerados e uso de botões na tela para interagir com o processo. Essas telas geralmente se concentram em uma sala de controle, como exemplificado na Figura 14. Figura 14 – Exemplo de sala de controle.. Fonte: Arquivo ONS (2016).. As informações provenientes das variáveis são coletadas nos equipamentos de aquisição de dados por meio dos cartões de entrada, enquanto os comandos dados pelo operador são enviados aos cartões de saída.. 3.5 Controlador Lógico Programável Um dos equipamentos que merece destaque no ambiente industrial é o Controlador Lógico Programável ou, simplesmente, CLP. Ele é um equipamento microprocessado surgido no final da década de 1960, que foi desenvolvido inicialmente para o controle de variáveis discretas, a fim de comandar operações sequenciais e repetitivas na linha de montagem da General Motors de forma mais eficiente. O uso dos CLPs foi fundamental para aumentar a flexibilidade da linha de produção (FINKEL, 2011). Atualmente é utilizado para diversos tipos de controle, além de possibilitar a comunicação entre os equipamentos de chão de fábrica e as interfaces homem-máquina (FINKEL, 2011). O CLP é um equipamento tipicamente modular composto de fonte de alimentação, CPU, memória, cartões de entrada e saída, módulos de comunicação etc (como ilustrado na Figura 15). Uma característica essencial do CLP é a sua relativa facilidade de programação, geralmente realizada por meio de um PC convencional. A norma IEC61131-3, considerada uma referência, especifica a sintaxe e semântica de um conjunto de linguagens de.

(29) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 28. Figura 15 – Arquitetura típica de um CLP.. Fonte: o autor (2016).. programação para CLPs (Figura 16). Esse conjunto consiste de duas linguagens textuais, Instruction List (IL) e Structured Text (ST), e duas linguagens gráficas, Ladder Diagram (LD) e Function Block Diagram (FBD), além da Sequential Function Chart (SFC), especialmente útil para tarefas sequenciais. Figura 16 – Linguagens de programação definidas na IEC61131-3.. Fonte: norma IEC61131-3 (2013)..

(30) Capítulo 3. Fundamentação teórica. 29. 3.6 Conclusão Além de considerações sobre a dinâmica do PIG e as operações envolvidas em uma “corrida” típica, foram apresentados alguns conceitos e ferramentas relevantes para o desenvolvimento deste trabalho. Vale ressaltar que a integração entre a Instrumentação Industrial e a Tecnologia da Informação possibilita a criação de sistemas que são capazes de monitorar e controlar, em tempo real, as variáveis de interesse em um determinado processo e, ainda, armazenar os dados para posterior análise..

(31) 30. 4 DESENVOLVIMENTO Neste capítulo, são descritas as ferramentas utilizadas no desenvolvimento do trabalho e a metodologia adotada nos testes. O sistema proposto envolve o duto de testes, os transdutores de pressão, um CLP e um PC onde é executado o software de supervisão.. 4.1 PIGs usados nos testes Para determinar se o sistema proposto atende aos objetivos definidos, é necessário realizar uma “corrida” no duto. Foram usados dois PIGs distintos para realizar os testes necessários: o primeiro é um PIG de limpeza do tipo espuma, fabricado em espuma de poliuretano e revestido com elastômero, enquanto o segundo foi construído em aço carbono e conta com copos de poliuretano rígido nas extremidades (Figuras 17 e 18). Figura 17 – PIG espuma.. Fonte: o autor (2016).. 4.2 Duto de testes Foi construído um duto em aço carbono que possui comprimento total de aproximadamente 60 metros (Figuras 19 e 20), limitado pelo espaço disponível nas dependências.

(32) Capítulo 4. Desenvolvimento. 31. Figura 18 – PIG em aço.. Fonte: o autor (2016).. do Laboratório de Avaliação e Medição em Petróleo (LAMP), da UFRN. Ele possui 6” de diâmetro e espessura de 5 mm, conforme NBR 5580 e nos trechos correspondentes ao lançador e recebedor, o diâmetro é de até 8”. Para a operação de introdução e retirada do PIG, o duto conta com um modelo simplificado de lançador e de recebedor (Figuras 21 e 22). Para reduzir custos, foram instalados flanges cegos que são fixados por parafusos em substituição às tampas de abertura/fechamento rápido comumente usadas na prática. O fluido usado no duto é ar comprimido, devidamente filtrado e regulado para uma pressão máxima de 6 bar.. 4.3 Escolha dos sensores Para estimar a posição do PIG, foi decidido inicialmente utilizar sensores de proximidade capacitivos, que podem ser utilizados para diversas finalidades, desde substituir chaves de fim-de-curso a contar objetos em esteiras de produção, por exemplo. Eles seriam instalados em determinados pontos ao longo do duto, de forma que fosse possível determinar de forma aproximada em que posição, ou região do duto, o PIG se encontra em determinado momento. Uma vez que fosse determinada a passagem do PIG pelos sensores em um dado intervalo de tempo, seria possível calcular a velocidade média do mesmo entre dois determinados sensores ou ao longo de todo o percurso. No entanto, pelo que pôde-se constatar no contato feito com diversos fabricantes, não foi possível determinar se os sensores capacitivos comumente encontrados no mercado podem trabalhar sob as condições de operação do duto em relação à pressão a que os sensores estariam submetidos. Assim, decidimos utilizar como alternativa sensores de.

(33) Capítulo 4. Desenvolvimento. 32. Figura 19 – Representação do duto (medidas em mm).. Fonte: o autor (2016)..

(34) Capítulo 4. Desenvolvimento. 33. Figura 20 – Vista aérea do duto que foi construído em volta de estrutura existente no LAMP.. Fonte: o autor (2016)..

(35) Capítulo 4. Desenvolvimento. 34. Figura 21 – Lançador.. Fonte: o autor (2016).. Figura 22 – Recebedor.. Fonte: o autor (2016)..

(36) Capítulo 4. Desenvolvimento. 35. pressão. Como a pressão a montante do PIG é maior que a pressão a sua jusante, o operador deve ser capaz de inferir que, se a pressão em determinado trecho do duto está alta, isso significa que o mesmo já foi percorrido pelo PIG. Os sensores de pressão geralmente possuem um custo mais elevado que os sensores de proximidade, porém é possível garantir seu funcionamento adequado para o sistema proposto, pois a faixa de pressão suportada, neste caso, é bem definida. A Figura 23 ilustra o comportamento esperado da pressão no duto a partir de dois sensores, P1 e P2, representada em um gráfico de pressão (𝑝) em função do tempo (𝑡). A princípio, a pressão medida pelos dois seria igual, logo as curvas estariam sobrepostas (região A). Assim que o PIG passa pelo primeiro sensor, deve ser possível verificar um aumento significativo de pressão em P1 (região B). Depois que o PIG passa por P2, a pressão medida pelos dois instrumentos volta a ser a mesma (região C). Figura 23 – Comportamento ideal da pressão.. Fonte: o autor (2016).. Assim, sabendo o intervalo de tempo entre os dois instantes mencionados (Δ𝑇 ) e a distância percorrida (Δ𝑆), é possível calcular a velocidade média (𝑉𝑚 ) por meio de 𝑉𝑚 = (Δ𝑆)/(Δ𝑇 ). Entre os diversos tipos de sensor de pressão, os mais comuns são do tipo resistivo ou piezoresistivo, graças à sua durabilidade e simplicidade construtiva. Os transdutores piezoelétricos geralmente são os mais caros, no entanto possuem resposta dinâmica superior (NI, 2016). Adequados para a medição de pressão dinâmica, estes são baseados no efeito piezoelétrico, que ocorre quando um elemento piezo gera uma diferença de tensão devido à sua deformação, como ilustrado na Figura 24. Para este trabalho, foi escolhido o NP-300, um sensor de pressão piezoelétrico co-.

(37) Capítulo 4. Desenvolvimento. 36. Figura 24 – Efeito piezoelétrico.. Fonte: o autor (2016).. mercializado pela Novus (Figura 25) que conta com um transmissor 4-20 mA incorporado. A Tabela 2 apresenta suas características principais. Figura 25 – Transdutor de pressão.. Fonte: Novus - divulgação.. Tabela 2 – Características do sensor NP-300 Faixa de medição. 0 a 10 bar. Saída Alimentação Exatidão Sobrepressão Temperatura do processo Resposta dinâmica. 4-20 mA 11 a 33 𝑉𝐶𝐶 < 0,025 bar 15 bar -10 a 70∘ C < 30 ms. Fonte: Novus (2015)..

(38) Capítulo 4. Desenvolvimento. 37. 4.4 CLP Neste trabalho, foi escolhido um CLP da WEG, modelo “TPW-03 60HT-A” (Figura 26), que já se encontrava disponível no LAMP. Ele é capaz de “ler” e “escrever” sinais analógicos e digitais via portas incorporadas à unidade principal ou cartões de expansão, estabelecer comunicação com outros dispositivos via Modbus ou Ethernet, entre outras funcionalidades. É programável usando Ladder ou lista de instruções. Foi necessário adquirir dois módulos de expansão de portas analógicas de entrada para atender aos requisitos propostos (10 entradas). Nas subseções a seguir, serão apresentados vários aspectos relacionados à configuração do equipamento. Figura 26 – CLP TPW-03.. Fonte: WEG - divulgação.. 4.4.1 Configuração da comunicação Modbus O CLP possui uma porta de comunicação que possibilita a conexão entre o equipamento e um PC via cabo USB, que suporta o protocolo Modbus-RTU com comprimento de dados fixo de 8 bits. O registrador D8321, com comprimento de um byte (𝐵7 𝐵6 𝐵5 𝐵4 𝐵3 𝐵2 𝐵1 𝐵0 ), é usado para configurar essa comunicação, de acordo com a Figura 27. Para uma comunicação sem bit de paridade, com um stop bit e baud rate de 57,6 Kbps, o registrador deve ser configurado conforme a Tabela 3. Convertendo o número binário 10100001 para a base decimal, obtemos 161. O código Ladder apresentado na Figura 28 é responsável por essa configuração..

(39) Capítulo 4. Desenvolvimento. 38. Figura 27 – Configuração Modbus.. Fonte: WEG (2010). Tabela 3 – Configuração D8321.. do. registrador. 𝐵7. 𝐵6. 𝐵5. 𝐵4. 𝐵3. 𝐵2. 𝐵1. 𝐵0. 1. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 1. Fonte: o autor (2016). Figura 28 – Ladder usado para realizar a configuração Modbus no CLP.. Fonte: o autor (2016).. 4.4.2 Configuração das entradas analógicas A Figura 29 apresenta o código Ladder que configura os módulos de expansão analógica do CLP. O registrador M8002 gera um pulso inicial quando o CLP é energizado e habilita a execução das demais instruções, explicadas a seguir. MOV K2 D8257 Atribui a constante decimal 2 ao registrador D8257, responsável pelo número de expansões analógicas que serão habilitados. MOV H3333 D8261/D8262/D8263 Atribui a constante hexadecimal 3333 aos registradores D8261 a D8263, configurando os canais 1 a 12 dos módulos de expansão analógica do CLP para leitura do sinal de corrente 4-20 mA. END Fim de programa..

(40) Capítulo 4. Desenvolvimento. 39. Figura 29 – Ladder usado para configuração das entradas analógicas.. Fonte: o autor (2016).. 4.4.3 Acesso aos valores obtidos na entrada analógica O valor de cada entrada (canal) do módulo de expansão analógica é transferido para um registrador de dados correspondente, conforme a tabela apresentada na Figura 30. Assim, é por meio desses registradores que o CLP disponibiliza o valor medido por cada canal. Neste trabalho, usamos os primeiros 10 canais de entrada analógica, que correspondem aos endereços D8436 a D8445.. Mapeamento de memória Modbus Para a comunicação Modbus, o CLP disponibiliza os endereços de memória correspondentes aos seus registradores de dados, conforme a tabela apresentada na Figura 31. Os endereços Modbus que nos interessam são os que correspondem aos registradores de dados D8436 a D8445. Para determiná-los, deve-se buscar uma função do tipo 𝑓 (𝑥) = 𝑚𝑥 + 𝑏 que representa o mapeamento de memória. Sabendo que a faixa de registradores de dados de 0 a 8511 é mapeada na faixa de endereços Modbus de 17208 a 25719, tem-se 𝑓 (0) = 17208 −→ 𝑏 = 17208. O coeficiente.

(41) Capítulo 4. Desenvolvimento. 40. Figura 30 – Tabela de endereços para acesso aos canais analógicos.. Fonte: WEG (2010). Figura 31 – Mapeamento entre registradores de dados e endereços Modbus.. Fonte: WEG (2010).. angular 𝑚 é dado por (25719 − 17208)/(8511 − 0), o que implica em 𝑚 = 1. Portanto: 𝑓 (𝑥) = 𝑥 + 17208 Logo, para o primeiro canal analógico (D8436), temos: 𝑓 (8436) = 8436 + 17208 = 25644. (4.1).

(42) Capítulo 4. Desenvolvimento. 41. Figura 32 – Características das entradas analógicas.. Fonte: WEG (2010).. A partir de 𝑓 (𝑥), foi montada a Tabela 4: Tabela 4 – Mapeamento de memória entre registradores de dados e endereços Modbus. Registrador de dados. Endereço Modbus. D8436 D8437 D8438 D8439 D8440 D8441 D8442 D8443 D8444 D8445. 25644 25645 25646 25647 25648 25649 25650 25651 25652 25653. Fonte: adaptado de WEG (2010).. 4.4.4 Características das entradas analógicas Algumas características importantes dos canais de entrada analógica, como range, resolução e precisão são apresentados na Figura 32.. 4.5 Arquitetura do sistema O sistema de supervisão desenvolvido consiste basicamente dos transdutores de pressão, do CLP e de um computador desktop (Figura 33). A conexão entre os transdutores de pressão e o CLP, que é o dispositivo de aquisição de dados, é feita por meio de cabos de instrumentação no padrão de transmissão 4-20 mA. Já a conexão do CLP com o computador, onde foi implementado o supervisório, é feita via RS-232 (EIA-232), sendo a troca de dados entre o supervisório e o CLP realizada pelo protocolo Modbus. O diagrama P&ID (do inglês, Process and Instrumentation Diagram), de acordo com a norma ISA 5.1, é apresentado na Figura 34..

(43) Capítulo 4. Desenvolvimento. 42. Figura 33 – Arquitetura de automação do sistema proposto.. Fonte: o autor (2016).. 4.6 Supervisório Há vários softwares disponíveis no mercado para fins de supervisão e controle de processos industriais, tais como os softwares proprietários Elipse SCADA, Wonderware Intouch e NI LabView. Há também opções open source disponíveis, como o ScadaBR. Foi escolhido o Elipse SCADA, versão de demonstração, principalmente devido ao domínio que o autor já possuía do mesmo. Mesmo nessa versão, o Elipse SCADA disponibiliza recursos suficientes para implementar o trabalho proposto sem a necessidade de adquirir a licença comercial. A Figura 35 apresenta a tela principal do supervisório desenvolvido para o duto de testes, que permite visualizar numericamente os valores de pressão medidos pelos transdutores instalados ao longo do duto. Uma versão serial do Modbus, a Modbus RTU, foi usada para realizar a comunicação entre o CLP (escravo) e o supervisório (mestre). Foi necessário configurar os parâmetros do protocolo no Elipse SCADA, além de carregar um driver Modbus para o Elipse - nesse caso, o “Modicon Modbus v3.0.11” - e usar as tabelas de mapeamento que o CLP disponibiliza para configurá-lo..

(44) Capítulo 4. Desenvolvimento. 43. Figura 34 – Diagrama P&ID.. Fonte: o autor (2016)..

(45) Capítulo 4. Desenvolvimento. 44. Figura 35 – Tela principal do sistema de supervisão.. Fonte: o autor (2016).. 4.7 Operação de lançamento do PIG A Figura 36 apresenta uma ilustração dos trechos correspondentes ao lançador e ao recebedor. As válvulas A, B e de purga são operadas manualmente. 1. Verificar, por meio do manômetro, se o lançador está despressurizado; 2. Retirar a tampa do lançador, introduzir o PIG e fechar bem a tampa, de forma a evitar vazamento excessivo de ar; 3. Verificar se a tampa do recebedor está bem fechada; 4. Fechar as válvulas A e de purga. Abrir a válvula B e pressurizar a tubulação à frente do PIG (jusante); 5. Quando a pressão atingir um determinado valor, simultaneamente fechar a válvula B e abrir a válvula A, para pressurizar o trecho atrás do PIG (montante); 6. Pressurizar o trecho à montante do PIG até que a pressão estabelecida seja aproximadamente igual à pressão à jusante;.

(46) Capítulo 4. Desenvolvimento. 45. Figura 36 – Ilustração do lançador e recebedor.. Fonte: o autor (2016).. 7. Abrir lentamente a válvula de purga do recebedor a fim de gerar uma diferença de pressão entre montante e jusante do PIG; 8. Quando a diferença de pressão for suficiente, o PIG começa a se deslocar no duto. Conforme comentado no passo 5, para o lançamento do PIG é preciso que a válvula B seja fechada e, simultaneamente, a válvula A seja aberta. Para facilitar esse procedimento, as válvulas A e B foram interligadas por uma haste de tal forma que é possível operar as duas válvulas de forma simultânea. Assim, ao fechar a válvula B, automaticamente a válvula A é aberta. Na Figura 37, pode-se ver esse mecanismo. O PIG finaliza seu percurso no recebedor após colidir com um material escolhido especialmente para absorver o impacto, que consiste basicamente de uma espuma sólida de alta densidade. Para retirá-lo, é necessário despressurizar a tubulação por meio da válvula de purga instalada no recebedor e só então remover sua tampa.. 4.8 Conclusão Foi apresentado o duto construído nas dependências do LAMP, que visa possibilitar a realização de experimentos relacionados ao controle de velocidade de PIGs, bem como descreveu-se o procedimento de lançamento do PIG. Também foram apresentadas as diversas ferramentas utilizadas e suas configurações. No próximo capítulo, serão apresentados os resultados obtidos em diferentes “corridas” realizadas no duto..

(47) Capítulo 4. Desenvolvimento. 46. Figura 37 – Mecanismo instalado no lançador para acionamento simultâneo das válvulas.. Fonte: o autor (2016)..

(48) 47. 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo, são apresentados e analisados os dados obtidos nas passagens dos PIGs pelo duto de testes. Uma vez que esses dados foram armazenados pelo sistema de supervisão, o Microsoft Excel foi usado para gerar os gráficos que são apresentados a seguir, pois ele permite uma melhor análise visual. Cada subseção apresenta o resultado de uma “corrida” diferente.. 5.1 PIG espuma - 2 sensores Inicialmente a pressão cai de forma similar nos dois sensores, que estão posicionados em um trecho reto após o lançador. Essa queda de pressão ocorre devido ao processo de lançamento do PIG, que requer a redução da pressão à jusante do PIG, para impulsioná-lo em direção ao recebedor (Figura 38). Figura 38 – Passagem do PIG espuma - curva pressão x tempo (horário).. Fonte: o autor (2016).. No instante 11:29:43.565, há um rápido aumento de pressão no Sensor 1, o que indica a passagem do PIG pelo primeiro ponto de medição. No instante 11:30:06.866, o PIG passa pelo segundo sensor. A distância entre esses sensores é de 4,2 m, portanto:.

(49) Capítulo 5. Resultados e discussão. 𝑉𝑚 =. 48. 4, 2 −→ 𝑉𝑚 = 0, 17 m/s 23, 301. O gráfico permite observar a ocorrência dos “tiros” sofridos pelo PIG ao longo do seu percurso nos instantes 11:30:57.371, 11:31:19.377 e 11:32:40.765.. 5.2 PIG de aço - 2 sensores Como na situação anterior, inicialmente a pressão nos dois pontos é idêntica. No instante 15:27:15.180 o PIG passa pelo primeiro sensor; em 15:27:25.170, pelo segundo. Nesse caso, a velocidade média é de 2, 38 𝑚/𝑠 e pode-se observar os “tiros” nos instantes 15:28:34.973, 15:28:59.966 e 15:30:21.278 (Figura 39). Figura 39 – Passagem do PIG de aço - Pressão x tempo (horário).. Fonte: o autor (2016).. 5.3 PIG espuma - 4 sensores Neste caso, a válvula de dreno no recebedor foi aberta de forma mais abrupta, a fim de impor ao PIG uma maior diferença de pressão. É possível verificar que o PIG não sofreu “tiros”, provavelmente graças à maior diferença pressão. Consequentemente, a velocidade média ao longo do duto foi de 2, 891 𝑚/𝑠, a maior em comparação aos outros testes..

(50) Capítulo 5. Resultados e discussão. 49. Figura 40 – Passagem do PIG espuma com maior diferença de pressão - curva pressão x tempo (horário). Fonte: o autor (2016).. 5.4 PIG espuma - 6 sensores, com ocorrência de by-pass A variação de pressão nos instantes 17:23:24.565, 17:23:52.550 e 17:24:40.550 permite inferir que o PIG passou pelos três primeiros sensores (Figura 41). Figura 41 – Passagem do PIG espuma pelos três primeiros sensores - curva pressão x tempo (horário).. Fonte: o autor (2016)..

(51) Capítulo 5. Resultados e discussão. 50. A velocidade média desse trecho é de 0, 135 𝑚/𝑠. Aproximadamente a partir do instante 17:25:04.566 a pressão nesses sensores, que neste momento estão à montante do PIG, começa a aumentar, sugerindo a iminência de um “tiro”. No entanto, depois de 17:26:50.552 a pressão nos sensores à jusante do dispositivo também aumenta. Esse comportamento indica a ocorrência de um fenômeno conhecido como “by-pass”, que ocorre quando um volume de ar significativo consegue fluir entre o PIG e a parede do duto, reduzindo drasticamente a diferença de pressão no PIG e, consequentemente, dificultando e até mesmo impedindo o seu deslocamento (Figura 42). Figura 42 – O problema de by-pass no PIG.. Fonte: o autor (2016).. Nesse caso, foi necessário impor variações bruscas de pressão na tubulação, visando diminuir a influência do by-pass e, assim, restabelecer o movimento do PIG.. 5.5 PIG espuma - 6 sensores A Figura 43 apresenta mais uma “corrida”, com os instantes de passagem por cada um dos sensores usados devidamente identificados. Para ilustrar como o sistema de medição permite estimar a posição do PIG, a Figura 44 apresenta um gráfico da posição do PIG a partir do primeiro sensor em função do tempo, onde cada círculo numerado representa a passagem do PIG pelo trecho correspondente na tubulação em determinados instantes..

(52) Capítulo 5. Resultados e discussão. 51. Figura 43 – Pressão x tempo (horário).. Fonte: o autor (2016). Figura 44 – Deslocamento x tempo (horário).. Fonte: o autor (2016).. A seguir, no capítulo de conclusão, será feita uma síntese do que foi discutido e.

(53) Capítulo 5. Resultados e discussão. 52. serão destacadas as contribuições do trabalho, além de apresentar sugestões para trabalhos futuros..

(54) 53. 6 CONCLUSÃO Foi demonstrada a importância do uso de PIGs na manutenção da malha dutoviária de transporte de petróleo, derivados e gás natural, bem como a necessidade de realizar o controle da velocidade desses dispositivos em busca de maior eficiência operacional, tanto nas operações de limpeza quanto nas de inspeção do duto. A aplicação dessas ferramentas vai além da manutenção, sendo úteis desde a fase de comissionamento do duto até o fim de sua vida útil. A diversidade de trabalhos relacionados ao tema evidencia sua relevância. Conforme os objetivos propostos, foi desenvolvido um sistema de supervisão para o duto de testes, o que envolveu a escolha dos sensores, do equipamento de aquisição de dados, da interface de comunicação e do software para visualização dos dados. Este possibilita a supervisão de informações do duto em tempo real ou permite o registro dos dados para análise posterior. A arquitetura do sistema foi projetada de tal forma que seja possível alterar e até mesmo expandir suas funcionalidades de forma relativamente simples. Essa facilidade se deve à adoção da malha de corrente 4-20 mA para a transmissão do sinal dos sensores e do protocolo Modbus para a comunicação entre o CLP e o supervisório, ambas amplamente adotadas pelos fabricantes de equipamentos industriais. O CLP, que neste trabalho foi o responsável pela aquisição de dados, pode ser equipado com cartões adicionais de entrada e saída e, obviamente, é capaz de implementar estratégias de controle. Como esperado, os resultados demonstram que a influência que o PIG exerce sobre a pressão ao longo do duto pode ser analisada para estimar sua posição em determinados momentos. Assim, com o auxílio de uma referência temporal, é possível calcular sua velocidade média. Uma análise do comportamento da pressão pode ser útil, ainda, para auxiliar na compreensão da dinâmica do PIG. Concluiu-se que os objetivos propostos foram alcançados e que o trabalho é capaz de contribuir de forma significativa para o aperfeiçoamento do duto de testes construído na UFRN e, consequentemente, para o desenvolvimento de técnicas de controle de velocidade para PIGs.. Trabalhos futuros Para uma continuidade deste trabalho, sugere-se o aumento do número de sensores de pressão, assim seria possível obter uma melhor estimativa da posição do PIG e, consequentemente, possibilitar o cálculo de velocidade média em trechos mais curtos..

(55) Capítulo 6. Conclusão. 54. De forma alternativa, pode-se fazer um estudo da aplicação da equação de Bernoulli, que relaciona pressão e velocidade do fluido, com o objetivo de estimar a velocidade do PIG por meio dos sensores de pressão já instalados. Sugere-se, ainda, a instalação de válvulas de controle automáticas em substituição às manuais, a fim de controlar de forma mais eficiente a pressão no duto e, assim, melhorar os procedimentos de teste..

(56) 55. REFERÊNCIAS ALVES, V. R. F. M. Programação de Transferência de Derivados de Petróleo em Rede Dutoviárias usando Algoritmo Genético. Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007. ANP. Anuário estatístico brasileiro do petróleo, gás natural e biocombustíveis: 2015. [S.l.]: ANP, 2015. CHOI, H. R.; RYEW, S. M. Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipeline. In: Mechatronics. [S.l.: s.n.], 2002. v. 12, p. 713 – 736. CTDUT. Instalações de testes. 2016. Disponível em: <http://www.ctdut.org.br/atuacao/instalacoes-de-testes>. Acesso em: 17.3.2016. FINKEL, V. S. CLP. In: BEGA, Egídio Alberto et al (Org.). Instrumentação Industrial. 3 ed. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2011. cap. 12, p. 572–574. FREITAS, V. C. G. et al. “PIG” detection with pressure transducers. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, v. 5, n. 9, p. 7497–7503, 2016. FREITAS, V. C. G. de et al. Plataforma arduino no controle de velocidade de pigs. Simpósio de Automação e Sistemas, Natal, RN, 2014. HANIFFA, M. A.; HASHIM, F. M. Recent developments in speed control system of pipeline pigs for deepwater pipeline applications. In: World Academy of Science, Engineering and Technology. [s.n.], 2012. p. 360 – 363. Disponível em: <http://waset.org/publication/Recent-Developments-in-Speed-Control- System-ofPipeline-PIGs-for-Deepwater-Pipeline-Applications/11567>. Acesso em: 2.11.2015. IN-LINE with success: pigging test loops. 2016. Pipelines International. Disponível em: <http://www.a-hak-is.com/en/media/about us/downloads/technical papers articles/pin dec 12 web.pdf>. Acesso em: 20.3.2016. LIMA, G. F. de et al. Proposta de tecnologia para o controle de velocidade de pigs inteligentes utilizando lógica fuzzy. In: Anais on-line do SBAI 2015. Natal, RN: [s.n.], 2015. p. 1979–1984. MODBUS application protocol specification. [S.l.]: Modbus.org, 2012. V1.1B3. MOREIRA JUNIOR, N. Instrumentação básica para controle de processos. 2016. Disponível em: <http://libertas.pbh.gov.br/˜danilo.cesar/outros/concurso ufmg/Curso Instrumentação Petrobras.pdf>. Acesso em: 20.2.2016. NGUYEN, T. T. et al. Modeling and simulation for pig flow control in natural gas pipeline. KSME International Journal, v. 15, n. 8, p. 1165–1173, 2001. NI. How To Measure Pressure with Pressure Sensors. 2016. Disponível em: <http://www.ni.com/white-paper/3639/en/>. Acesso em: 14.6.2016..