CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
JULIANA KARL ARAUJO
MARCELLA GAZZONI GOMES
DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE VASO SEPARADOR BIFÁSICO, ÓLEO E GÁS, APLICANDO A TÉCNICA DE SIMULAÇÃO HARDWARE IN THE LOOP
CAMPOS DOS GOYTACAZES, RJ
2017
JULIANA KARL ARAUJO
MARCELLA GAZZONI GOMES
DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE VASO SEPARADOR BIFÁSICO, ÓLEO E GÁS, APLICANDO A TÉCNICA DE SIMULAÇÃO HARDWARE IN THE LOOP
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, ciência e tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação.
Orientador: Adelson Siqueira Carvalho
CAMPOS DOS GOYTACAZES, RJ
2017
MARCELLA GAZZONI GOMES
DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE VASO SEPARADOR BIFÁSICO, ÓLEO E GÁS, APLICANDO A TÉCNICA DE SIMULAÇÃO HARDWARE IN THE LOOP
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, ciência e tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação.
Orientador: Adelson Siqueira Carvalho
Aprovada em Banca Avaliadora:
______________________________________________________________________
Doutor Adelson Siqueira Carvalho
Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Fluminense
______________________________________________________________________
Doutor William da Silva Vianna
Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Fluminense
______________________________________________________________________
Mestre Felipe Nunes Radtke
Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Fluminense
Agradecemos primeiramente aos nossos familiares e amigos pelo apoio, incentivo e paciência durante toda a nossa jornada acadêmica.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense e aos professores do curso de Engenharia de Controle e Automação pelo conhecimento transferido ao longo dos anos.
Por fim, a todos aqueles que contribuíram de alguma forma para a realização deste
trabalho.
Acredite em si próprio e chegará um dia em que os outros não terão outra escolha senão acreditar com você.
Cynthia Kersey
Dedico este trabalho aos meus pais e aos meus irmãos que sempre me apoiaram e me incentivaram, aos amigos feitos durante o curso e aos professores que contribuíram imensamente para minha formação.
Por: Juliana Karl Araujo
Dedico essa monografia aos meus pais e amigos, pelo incentivo e paciência em todos os momentos.
Por: Marcella Gazzoni Gomes
O interesse em simulação de processos tem crescido bastante à medida que os estudos nessa área e a criação de novos softwares permitem o desenvolvimento de simuladores cada vez mais fiéis aos sistemas reais. O uso de simuladores permite não só o treinamento de estudante e profissionais, como também acesso a dados e informações relevantes ao processo que permitem otimizar o sistema. Neste trabalho será apresentado o desenvolvimento de um simulador de um vaso separador bifásico aplicando-se a técnica de simulação hardware in the loop. O software de simulação dinâmica Matlab® foi utilizado para representar o modelo matemático do sistema simulado, no software InduSoft® foram desenvolvidas as telas de supervisão e o controlador lógico programável ILC 150 ETH foi utilizado para desenvolver toda a lógica de controle do processo. A comunicação entre os softwares e o CLP é realizada por meio de protocolo OPC, no qual o CLP atua como servidor e os softwares Matlab® e InduSoft® como clientes. Também foram desenvolvidas páginas web para que o controle e monitoramento do vaso separador pudessem ser realizados remotamente. Os resultados obtidos após a sintonia dos controladores foram considerados satisfatórios, apresentando uma oscilação em torno do set point de aproximadamente 2% para o nível e de 5% para a pressão.
Palavras chave: simulador industrial, software de supervisão, simulação matemática dinâmica,
vaso separador bifásico, controlador PID.
The interest in process simulation has grown considerably as studies in this area and the creation of new software allows the development of simulators increasingly faithful to real systems. The use of simulators allows not only training of students and professionals, but also access to data and information relevant to the process that allows optimizing the system. In this work the development of a biphasic separator vessel simulator will be presented applying the hardware in the loop simulation technique. The Matlab® dynamic simulation software was used to represent the mathematical model of the simulated system, in the InduSoft® software the supervisory screens were developed and the ILC 150 ETH programmable logic controller was used to develop all process control logic. Communication between the software and the PLC is performed through the OPC protocol, in which the PLC acts as the server and the Matlab® and InduSoft® software as the clients. Web pages have also been developed so that the control and monitoring of the separator vessel can be performed remotely. The results obtained after the tuning of the controllers were considered satisfactory, presenting an oscillation around the set point of approximately 2% for the level and 5% for the pressure.
Keywords: industrial simulator, supervision software, dynamic math simulation, two-phase
separator vessel, PID controller.
SUMÁRIO
1- INTRODUÇÃO ...13
1.1 - Apresentação ...13
1.2 - Objetivos ...14
1.2.1 - Objetivo Geral ...14
1.2.2 - Objetivos Específicos ...14
1.3 - Justificativa ...15
1.4 - Organização e Disposição dos Capítulos ...16
2 – Fundamentação Teórica ...17
2.1 - Cadeia Produtiva do Petróleo ...17
2.2 - Processamento Primário do Petróleo ...18
2.3 - Vasos Separadores ...19
2.4 - Simulação Hardware in the Loop ...21
2.5 - Softwares de Supervisão ...23
2.6 - Software de Simulação Matemática ...24
2.7 - Controladores Lógicos Programáveis ...25
2.8 -Protocolo de Comunicação OPC ...26
2.9 - Sistema Cliente Servidor ...27
2.10 - Sistema Web Server ...28
2.11 - Teoria do Controle ...29
2.12 - Controlador PID ...29
2.13 - Estratégias de Controle ...31
2.13.1 - Controle Antecipativo ...31
2.13.2 - Controle Feedback ...31
2.13.3 - Controle Cascata ...32
3 - METODOLOGIA ...33
3.1 - Modelo Matemático ...34
3.2 - Proteções e Intertravamentos do Sistema de Separação Bifásica ...38
3.3 - Descritivo do Sistema Supervisório ...40
3.3.3 - Tela de Alarmes ...42
3.3.4 - Tela Tendência ...43
3.4 - Representação da Modelagem Matemática ...44
3.4.1- Controle de Nível ...45
3.4.2 - Controle de Pressão...48
3.5 - Representação da Programação no Controlador ...52
3.6 - Sistema de Comunicação entre Servidor – Clientes OPC ...56
3.7 - Descritivo da Disponibilização do Sistema Supervisório para Acesso Remoto ...57
4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ...58
5 - CONCLUSÕES ...62
6 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...63
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ...64
APÊNDICE I - CONFIGURANDO AX OPC-SERVER ...66
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Cadeia produtiva do petróleo ... 17
Figura 2 - Fluxograma do processamento primário de petróleo ... 19
Figura 3 - Esquema de um separador bifásico ... 20
Figura 4 - Esquema de um separador bifásico ... 21
Figura 5 - Representação do conceito Hardware in the Loop ... 22
Figura 6 - Exemplo de aplicação utilizando o Indusoft Web Studio ... 24
Figura 7 - Exemplo de utilização do Simulink para implementação de estratégia de controle em cascata ... 25
Figura 8 - Controlador Phoenix modelo ILC 150 ETH ... 26
Figura 9 - Esquema de comunicação cliente/servidor OPC ... 28
Figura 10 - Representação de um sistema dinâmico ... 29
Figura 13 - Exemplo de aplicação da estratégia Feedback ... 32
Figura 14 - Esquema da estratégia de controle Cascata ... 32
Figura 15 - Interconexão das funções de transferência do separador bifásico ... 38
Figura 16 - Shutdown valve (SDV) ... 39
Figura 17 - Blow down valve (BDV) ... 39
Figura 18 - Tela inicial do sistema supervisório... 41
Figura 19 - Tela principal do sistema supervisório ... 42
Figura 20 - Tela de alarmes do sistema supervisório ... 43
Figura 21 - Tela de gráficos de tendência do sistema supervisório ... 44
Figura 22 - Interligação entre os sistemas de controle de nível e pressão ... 45
Figura 23 - Subsistema de controle de nível no vaso separador V-101 ... 46
Figura 24 - Funções de transferência que descrevem o nível no vaso V-101 ... 47
Figura 25 - Condição inicial do nível ... 47
Figura 26 - Valor da vazão de óleo simulada ... 48
Figura 27 - Subsistema de controle de pressão... 49
Figura 28 - Funções de transferência que descrevem a pressão no vaso V-101 ... 50
Figura 29 - Condição inicial da pressão ... 51
Figura 30 - Representação de despressurização do sistema em caso de evento de Shut Down .... 51
Figura 31 - Valor da vazão de gás ... 52
Figura 32 - Conversão dos parâmetros do PID... 53
Figura 33 - Evento Shut Down ... 53
Figura 34 - Intertravamentos de nível e pressão ... 54
Figura 35 - Alarmes ... 54
Figura 36 - Programação completa feita no PC WORX EXPRESS ... 55
Figura 37 - Esquema gráfico mostrando o fluxo de informação entre servidor e clientes ... 56
Figura 38 - Visualização do sistema supervisório através do Internet Explorer ... 57
Figura 39 - Resposta do sistema de nível para um setpoint de 50% ... 58
Figura 40 - Zoom da resposta do sistema de nível para um setpoint de 50% ... 58
Figura 41 - Resposta do sistema a um step de 10% no valor do nível ... 59
Figura 44 - Resposta do sistema a um step na pressão ... 60
Figura 45 - Relação entras as oscilações de pressão e nível ... 61
Figura 46 - Tela de tendência do supervisório ... 61
LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1 - Representação de um controlador PID ... 30
Equação 2 – Nível do vaso (hl)/Vazão de entrada de óleo (Li) ... 36
Equação 3 - Nível do vaso (hl)/Pressão (P) ... 37
Equação 4 – Pressão (P)/Vazão de entrada de gás (Gi) ... 37
Equação 5 – Pressão (P)/Nível do vaso (hl) ... 37
Equação 6 – Pressão (P)/Temperatura (T) ... 37
Equação 7 - Nível do vaso (hl)/Posição da válvula de nível (vl) ... 37
Equação 8 – Pressão (P)/Vazão de entrada de óleo (Li)... 37
Equação 9 – Pressão (P)/Posição da válvula de nível (vl) ... 37
Equação 10 – Pressão (P)/Posição da válvula de gás (vg) ... 38
LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Lista de tags ... 34
Tabela 2 - Nomenclaturas ... 35
1- INTRODUÇÃO
1.1 - Apresentação
O petróleo extraído dos poços de exploração chega à superfície misturado com água, gás e impurezas. Para que seja preparado para comercialização é preciso que o mesmo passe por diversas etapas de tratamento. A primeira dessas etapas é chamada de processamento primário de petróleo e é nessa etapa que é efetuada a separação água/gás/óleo. Em equipamentos denominados vasos separadores bifásicos, o gás é inicialmente separado da parte líquida por ação da gravidade e é esse o tipo de separador que será tratado neste trabalho.
Simuladores podem ser utilizados nessa e em diversas outras etapas do tratamento do petróleo com o objetivo de auxiliar no completo entendimento dos processos, na implementação de novos métodos e novos equipamentos, sintonia e configuração de controladores e na tomada de decisões por parte dos engenheiros.
Indústrias petroquímicas em geral, trabalham com processos complexos e de alta periculosidade, além de utilizarem equipamentos de muito alto custo. Dessa forma, a ocorrência de erros operacionais podem provocar a interrupção da produção e danificar equipamentos causando elevadas perdas financeiras e colocando em risco a segurança do processo e de pessoas.
O uso de simuladores no treinamento dos operadores dos processos permite simular situações anormais de operação sem colocar em risco as pessoas e a integridade dos equipamentos, contribuindo significativamente na capacitação dos operadores no sentido de evitar ao máximo paradas na produção e situações de risco. Caso não seja possível evitá-las, os mesmos devem estar preparados para agir com rapidez para que o processo volte a operar em condições normais de operação. Dessa forma é possível evitar perdas econômicas e a ocorrência de acidentes.
Tomando como base a atribuição feita pelas empresas de importância alta ou média para
as atividades inovativas, a aquisição de máquinas e equipamentos continua sendo a mais
relevante para a Indústria (75,9%), seguida de treinamento (59,7%) e aquisição de software
(31,6%). (ONIRIA, 2015)
Para um treinamento ser eficaz, e capacitar os colaboradores das indústrias que estão entrando no mercado e os que já estão atuando, e a principal forma de realizar esse treinamento é através da utilização de soluções de simulação virtual. O simulador garante mais eficácia e aprendizado aos profissionais, pois é feito de forma prática e muito próximo a realidade, o que permite a pessoa aprender ou aprimorar o funcionamento do equipamento em seu trabalho de modo completo, desde a montagem, desmontagem e manuseio. (ONIRIA, 2015)
Grandes empresas tem utilizado cada vez mais simuladores para o treinamento de seus funcionários. A Petrobrás, por exemplo, utiliza o simulador SIGNOS 2 para treinamento de operação de guindaste em plataformas de petróleo e o simulador Multi Purpose Maritme Simulator (MPMS) que reproduz a sala de controle de lastro de uma plataforma.
Dentro deste tema, este trabalho monográfico desenvolve um simulador de um vaso separador bifásico, utilizando os softwares Matlab® e InduSoft®, tendo como base o modelo matemático apresentado no livro “Modelagem e Controle na Produção de Petróleo - Aplicações em MATLAB” dos autores Giovani Cavalcanti Nunes, José Luiz de Medeiros e Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo.
1.2 – Objetivos
1.2.1 - Objetivo Geral
Desenvolvimento de um simulador de um vaso separador bifásico através da integração do software de supervisão de processos InduSoft, do software de simulação matemática dinâmica Matlab e do controlador lógico programável ILC 150 ETH.
1.2.2 - Objetivos Específicos
• Integrar os softwares Matlab e InduSoft e o CLP utilizando protocolo de comunicação OPC;
• Simular a lógica de operação de um vaso separador bifásico utilizando os softwares acima;
• Desenvolver a lógica de controle do processo utilizando o CLP;
• Elaboração de páginas web para que a simulação possa ser acessada remotamente;
• Descrever os resultados obtidos pelo modelo desenvolvido.
1.3 - Justificativa
A falha humana é uma das causas dos erros operacionais, que podem resultar na interrupção da produção, causar danos ao patrimônio e até mesmo acidentes graves.
Indústrias do ramo petroquímico e também de diversas outras áreas têm utilizado simuladores como forma de aprimorar o treinamento de seus funcionários, fazendo com que os mesmo adquiram um maior conhecimento do processo produtivo com o qual trabalham e diminuindo os riscos de acidentes.
O uso de simuladores permite que os profissionais em treinamento simulem atitudes que devem ser tomadas em situações anormais de funcionamento da planta sem colocar em risco as pessoas ou parar o processo produtivo.
Essa experiência faz com que eles se sintam mais confiantes quando enfrentam esse tipo de situação na vida real. Como mostrado por Lucci (2002):
Os usuários de simulações dizem que o processo de treinamento permite que todos possam aprender com os seus próprios erros, pois o uso de simuladores promove um aprendizado mais seguro e menos oneroso para as pessoas e para as organizações. As simulações permitem às pessoas aprenderem melhor sobre os sistemas com os quais trabalham e a manuseá-los com menor risco. Geralmente, um indivíduo levaria alguns dias, meses ou anos para experimentar as mesmas sensações de aprendizado que o simulador é capaz de lhe proporcionar por estágio do programa de treinamento.
Além disso, a prática é imprescindível para o desenvolvimento do poder crítico do engenheiro e a habilidade de juntar conhecimentos adquiridos previamente em diferentes disciplinas em situações reais, como pode ser visto no trecho de Pekelman, Mello Jr.(2004):
Se o engenheiro deve ser capaz de aplicar a ciência e a tecnologia, que se entenda,
neste artigo, como aplicação, a adaptação dos conhecimentos científicos e
tecnológicos às necessidades humanas, nada mais justo, que no seu período de
ensino no curso de Engenharia, lhe seja proporcionado a possibilidade de se deparar
e manipular as principais tecnologias básicas em condições próximas, simuladas, às do mundo real, ou melhor, profissional.
1.4 - Organização e Disposição dos Capítulos
A seguir será apontada uma sucinta descrição de como o conteúdo deste trabalho foi organizado.
Capítulo 1: introdução ao tema, objetivos e justificativa do trabalho.
Capítulo 2: embasamento teórico necessário para a compreensão do trabalho monográfico e descrição dos softwares e hardware utilizados.
Capítulo 3: desenvolvimento do simulador, elaboração das telas de supervisão, programação do clp e integração dos softwares e hardware.
Capítulo 4: apresentação dos resultados obtidos no projeto.
Capítulo 5: conclusões finais.
Capítulo 6: sugestões para trabalhos futuros.
2 – Fundamentação Teórica
2.1 - Cadeia Produtiva do Petróleo
A indústria petrolífera é dividida em dois grandes blocos: upstream, onde se encontram atividades relacionadas à exploração e produção do petróleo; e downstream, que compreende escoamento, transporte, refino, distribuição e comercialização.
Figura 1 - Cadeia produtiva do petróleo
Fonte: SEBRAE (2014).
A etapa de exploração consiste no levantamento e interpretação de dados para descoberta de novas jazidas de petróleo, empregando métodos como interpretação geológica, gravimetria e sísmica.
A produção consiste na elevação dos fluidos até a superfície do poço e tratamento primário para descarte de água e impurezas. Logo após esta etapa, o petróleo segue para as refinarias, onde são empregados processos químicos e físicos para separar o óleo bruto e seus derivados. O produto final é distribuído para uso doméstico e industrial.
Desde a exploração e produção até a indústria de transformação e de usos dos materiais
petroquímicos, esta cadeia demanda bens e serviços de alto valor agregado provenientes de
várias outras indústrias e setores da economia, como por exemplo: metal-mecânica leve e
pesada, eletroeletrônica, automação, transporte, energia, naval, têxtil, siderurgia, plásticos e
matérias especiais, tecnologia da informação, construção, manutenção, entre
outros. (PETROBRAS; FIEMG; SEBRAE, 2006)
O simulador desenvolvido neste trabalho representa a fase de processamento primário de petróleo, que consiste na primeira etapa da fase de produção. Esta etapa é realizada ainda nas plataformas de petróleo, logo após sair do reservatório e alcançar a superfície e será explicada mais detalhadamente no próximo tópico.
2.2 - Processamento Primário do Petróleo
Como dito anteriormente, o petróleo de diferentes poços chega à superfície juntamente com água, gás e impurezas. Torna-se necessária a separação desses elementos, já que o interesse econômico é apenas pelo óleo e gás separadamente e a presença de água nas tubulações pode comprometer certas operações, gerar problemas de incrustação e corrosão nos oleodutos de exportação e acelerar o processo de formação de hidratos sólidos que bloqueiam a passagem de gás nos gasodutos. A essa separação óleo/gás/água dá-se o nome de processamento primário de petróleo.
O processo de separação da água e gás é consideravelmente simples já que a diferença de densidade entre eles é grande. Sendo assim, é realizada somente uma fragmentação inicial seguido de um baixo tempo de separação. A separação da água e do óleo, entretanto, é um pouco mais complexa, pois embora os mesmos sejam imiscíveis, eles chegam ao separador sobre a forma de emulsão devido à agitação a que são submetidos nas tubulações de produção.
A figura 2 apresenta um esquema simplificado das principais etapas do processamento
primário de petróleo. No final do processo, têm-se os fluxos separados de óleo, gás e da água
tratada.
Figura 2 - Fluxograma do processamento primário de petróleo
Fonte: Autor.
2.3 - Vasos Separadores
Os fluidos oriundos dos poços, ao chegarem à superfície, passam por separadores bifásicos ou trifásicos. No separador bifásico é realizada a separação gás/líquido e no separador trifásico ocorre a separação óleo/água/gás.
No separador bifásico, o fluido entra na seção de separação primária e choca-se com
defletores. Esse impacto provoca uma mudança brusca em sua velocidade e direção. As gotículas
de líquido são separadas do gás pela força da gravidade e se acumulam na seção de acúmulo de
líquido. O líquido permanece nesta região por um tempo suficiente para que o gás se desprenda
do líquido, flua sob os defletores de entrada e vá para a seção de separação secundária. Antes de
deixar o vaso, o gás passa pela seção de aglutinação que extrai a névoa presente no fluido. As
diferentes seções do separador bifásico podem ser vistas na figura 3 abaixo.
Figura 3 - Esquema de um separador bifásico
Fonte: Thomas (2001).
Os separadores trifásicos são utilizados para separar a água livre (camada de água relativamente limpa que aparece no fundo do separador após a decantação da emulsão óleo/água).
O projeto destes separadores é idêntico aos separadores bifásicos, sendo que mais espaço deve ser
deixado para a decantação do líquido e algum dispositivo deve ser adicionado para a remoção da
água livre (THOMAS, 2001, P.258). A Figura 4 mostra o esquema de um separador trifásico.
Figura 4 - Esquema de um separador bifásico
Fonte: Thomas (2001).
2.4 - Simulação Hardware in the Loop
Nos últimos anos, devido ao desenvolvimento de tecnologia e ao uso de computadores digitais em vários sistemas, o desenvolvimento de sistemas de supervisão com alto desempenho e softwares de controle robustos tem atraído grandes atenções. Por esse motivo, a simulação Hardware in the Loop (HIL) tornou-se uma boa ferramenta no projeto de sistemas sofisticados.
De maneira geral, uma simulação HIL é caracterizada pela conexão entre componentes
reais e componentes simulados. Esse tipo de simulação permite que elementos reais de um
sistema sejam testados concomitantemente aos elementos simulados, de modo que o sistema
possa ser submetido a condições mais próximas da realidade sem comprometer o sistema real ou
o protótipo de testes, como é representado na Figura 5.
Figura 5 - Representação do conceito Hardware in the Loop
Fonte: Autores
Geralmente, o hardware e o software da aplicação final são implementados com componentes reais, ao passo que sensores, atuadores e o processo físico são simulados, seja parcialmente ou totalmente. (ISERMANN; SCHAFFNIT; SINSEL, 1999)
De acordo com Silva e Kienitz (2002, p. 1)
Sendo possível equacionar os fatores que governam um processo, é viável utilizar-se o computador para resolver as equações matemáticas envolvidas e, por meio de quantificações, chegar-se a previsões da influência de cada fator nos resultados do processo. A título de ilustração, pode-se considerar que planejando a construção de uma máquina, um engenheiro tem como inserir num programa de simulação suas principais características e estudar os efeitos do trabalho a que ela se presta e eventuais erros de cálculo do projeto, bem antes de experimentar construir um protótipo para testes de campo. Consegue ainda analisar nesse mesmo programa vários sistemas de controle do funcionamento de seu artefato, podendo escolher o que apresentar melhores resultados. É por isso que tanto no contexto industrial quanto no contexto educacional, o uso e estudo da simulação têm se expandido.
Recentemente, a simulação HIL tem se espalhado em diferentes etapas do ciclo de criação de um sistema, tais como design, desenvolvimento, implementação e teste em várias aplicações, como a indústria automobilística, construção naval, linhas de energia, sistemas robóticos e etc.
Ou seja, onde quer que exista interação entre simulação e o mundo real, existe uma oportunidade
para a abordagem de simulação com hardware in the loop.
Este trabalho monográfico dependeu da utilização desse tipo de simulação para que obtivesse resultados devido a indisponibilidade de um separador bifásico real onde pudessem ser implementada uma estratégia de controle e acompanhar os resultados. Dessa forma, o processo físico foi totalmente simulado, este sendo baseado no modelo matemático presente no livro “Modelagem e Controle na Produção de Petróleo - Aplicações em MATLAB ”, como já foi citado anteriormente, e um controlador lógico programável foi utilizado representando a parte física da simulação HIL.
2.5 - Softwares de Supervisão
Sistemas supervisórios são sistemas configuráveis com a finalidade de supervisão ou controle de uma planta automatizada através de uma interface amigável que representa todo o processo. A leitura das variáveis se dá em tempo real através de equipamentos de aquisição de dados. O CLP processa esses dados e aplica a ação de controle nos equipamentos instalados na planta. O software de supervisão permite a visualização de todo o processo de forma centralizada através de telas gráficas e pode enviar sinais para o CLP atuar na planta industrial.
O software utilizado para o desenvolvimento das telas de supervisão neste trabalho monográfico foi o InduSoft Web Studio Educacional versão 8.0. Essa versão permite o uso gratuito de todas as funcionalidades do software pelo período de seis meses.
“O InduSoft Web Studio® é uma poderosa coleção de ferramentas de automação que possibilita o desenvolvimento de aplicações IHM, SCADA, para sistemas embedded, e para sistemas de instrumentação.” (SCHNEIDER ELECTRIC SOFTWARE, c2016) .
O InduSoft Web Studio permite a visualização de qualquer aplicação utilizando Internet Explorer ou intranet incluindo XML, utiliza linguagem UNICODE, permite rodar a aplicação em plataformas diferentes da qual ela foi desenvolvida e utiliza tecnologias abertas, como ActiveX e .NET.
Na figura 6 pode ser visto um exemplo de aplicação desenvolvida nesse software.
Figura 6 - Exemplo de aplicação utilizando o Indusoft Web Studio
Fonte: Autores
2.6 - Software de Simulação Matemática
O Matlab (MatrixLaboratory) é um software de alta performance, voltado para solução de problemas científicos e de engenharia. O Matlab proporciona um ambiente de fácil utilização com comandos parecidos com expressões algébricas que utilizamos usualmente, ao contrário da programação tradicional.
O software possui além de diversas extensões (toolboxes) um ambiente de simulação baseado em diagrama de blocos chamado Simulink.
Simulink® é um ambiente de diagrama de blocos para simulação multidomínio e Design baseado em modelos. Suporta simulação, geração automática de código, e teste e verificação contínua de sistemas embedded.
O Simulink fornece um editor gráfico, bibliotecas personalizadas de blocos e
solucionadores para modelagem e simulação de sistemas dinâmicos. Ele é integrado ao
MATLAB®, permitindo a incorporação de algoritmos do MATLAB em modelos e exportação de resultados de simulação para o MATLAB para uma análise mais aprofundada.
Figura 7 - Exemplo de utilização do Simulink para implementação de estratégia de controle em cascata
Fonte: Autores
No presente trabalho foram utilizados o Matlab 2016a e o ambiente Simulink para representação do modelo matemático referente ao vaso separador bifásico.
2.7 - Controladores Lógicos Programáveis
Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), os Controladores Lógico programáveis, CLPs são aparelhos eletrônicos digitais que utilizam uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.
O CLP foi desenvolvido nos Estados Unidos em 1968 pela montadora de automóveis General Motors com o intuito de substituir os relés eletromagnéticos. Os relés eletromagnéticos frequentemente apresentavam desgastes devido ao contato repetitivo, o que ocasionava a necessidade de manutenções periódicas. Além disso, atualizações nos sistemas de montagem implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro devido a necessidade de mudança de fiação e instalação de relés.
Os Controladores Lógicos Programáveis permitem modificar a lógica do processo
facilmente devido às linguagens de programação utilizadas que são de fácil aprendizagem e
utilização. A manutenção é bem simples e permite o controle em tempo real. Além de contar com
sistema antirruídos eletromagnéticos e rack modulares que facilitam a mudança de configuração de acordo com a necessidade.
O controlador programável tem sua estrutura baseada no hardware de um computador, tendo portanto uma unidade central de processamento (UCP), interfaces de entrada e saída e memórias. As principais diferenças em relação a um computador comum estão relacionadas a qualidade da fonte de alimentação, que possui características ótimas de filtragem e estabilização, interfaces de E/S imune a ruídos e um invólucro específico para aplicações industriais. Temos também um terminal usado para programação do CLP. (VIANNA, 2000, p.8)
O ILC 150 ETH da Phoenix Contact foi utilizado como o controlador físico desta simulação hardware in the loop. Este CLP é um mini controlador de alta capacidade com interface Ethernet integrada e software de programação PC WORX/ PC WORX EXPRESS. O ILC 150 ETH permite trocar dados com os servidores OPC e comunicar com os usuários aptos a TCP/IP.
Figura 8 - Controlador Phoenix modelo ILC 150 ETH
Fonte: Phoenix Contact (c2017)
2.8 -Protocolo de Comunicação OPC
O protocolo OPC (OLE for Process Control) surgiu para padronizar a comunicação entre os dispositivos de chão de fábrica e os sistemas de automação. De acordo com Fonseca (2002, p.
2):
Basicamente, o padrão OPC estabelece as regras para que sejam desenvolvidos sistemas com interfaces padrões para comunicação dos dispositivos de campo (CLPs, sensores, balanças, etc.) com sistemas de monitoração, supervisão e gerenciamento (SCADA, MES, ERP, etc.).
Na comunicação OPC existem os clientes e os servidores. Segundo Ratunde, Santos e Cruz ( [2014], p. 3)
Os produtos para monitoração de dados, como IHMs, sistemas supervisórios e etc, normalmente são clientes OPC. Por outro lado, os produtos que fazem a comunicação direta com os dispositivos de campo utilizando protocolos proprietários são servidores OPC. Cada produto pode incorporar as duas funcionalidades, sendo o mais comum em aplicações normalmente onde o cliente possa ser servidor, e não o contrário.
Os servidores OPC são responsáveis por fazer a troca de dados, leitura e escrita, entre os clientes. O servidor AX OPC Server, disponível para o CLP da Phoenix foi, configurado para que os softwares clientes, PC WORX EXPRESS, InduSoft e Matlab, pudessem trocar informações de leitura e escrita entre si. No APÊNDICE I encontra-se o passo a passo para a configuração do servidor.
2.9 - Sistema Cliente Servidor
A arquitetura cliente/servidor divide o processamento da informação em duas partes:
Os servidores, que são responsáveis pelo gerenciamento do banco de dados e os clientes, que são softwares utilizados para acesso a dados e informações de alarmes e históricos.
Todas as máquinas em arquitetura Cliente/Servidor devem ser interligadas pela rede
utilizando o mesmo tipo de protocolo (TCP/IP). A rede funciona como meio de transporte de
dados, permitindo que os clientes enviem requisições aos servidores que processam os pedidos e
retornam as informações solicitadas para o cliente.
Figura 9 - Esquema de comunicação cliente/servidor OPC
Fonte: Autor
2.10 - Sistema Web Server
A configuração web server funciona de forma similar ao sistema cliente/servidor. Ambos têm como objetivo a disponibilização de dados de um processo através da rede, diferenciando-se apenas pelo fato de que na configuração web server o cliente não necessita ter um software instalado na máquina. Os dados são acessados via browser de internet, através do qual é possível visualizar as telas do processo e realizar comandos.
As telas de simulação deste trabalho foram desenvolvidas no software InduSoft Web Studio. Essas telas foram publicadas como páginas WEB e o servidor web do Windows, IIS (Internet Information Service), foi utilizado para acessar a aplicação através da web usando o Internet Explorer.
O software é instalado apenas na estação servidor onde a aplicação é criada e a estação
cliente simplesmente carrega a interface gráfica do projeto. O servidor web fornece todos os
dados necessários requisitados pelo browser e qualquer máquina que possuir uma conexão ativa
com a estação servidor através do protocolo TCP/IP pode acessar a aplicação durante sua
execução.
2.11 - Teoria do Controle
A Teoria do Controle é baseada no comportamento de sistemas dinâmicos. O principal objetivo de um sistema de controle é fazer com que a saída do sistema, também conhecido como planta, siga o valor de referência (setpoint) estipulado, podendo esse valor ser fixo ou não.
Quando a saída de um sistema não atinge espontaneamente o valor de referência, um controlador é projetado para monitorar o valor de saída e compará-lo ao valor de referência. A diferença entre a referência e a saída é conhecida como erro, que é valor no qual controlador se baseia para fazer modificações no valor de saída até que se atinja o setpoint desejado.
O engenheiro responsável pelo projeto do controlador deve escolher a técnica de controle a ser utilizada atentamente, levando em consideração a dinâmica da planta e o tipo de variável a ser controlada, já que dependendo do comportamento do sistema, alguns controladores podem apresentar melhor desempenho que outros.
Figura 10 - Representação de um sistema dinâmico
Fonte: Ogata, 1998, p. 54.
2.12 - Controlador PID
O controle proporcional integrativo derivativo, mais conhecido como PID, é o método de
controle mais utilizado na indústria devido a sua robustez, alta precisão e a grande variedade de
processos em malha fechada a que pode ser aplicado. O controlador utiliza da soma das ações
proporcional, integrativa e derivativa para reduzir o erro do sistema ao máximo. A Equação 1 caracteriza a soma das ações de um controlador PID.
Equação 1 - Representação de um controlador PID
A ação proporcional (P) é proporcional à magnitude do erro, ou seja, quanto maior o erro maior será o sinal de saída. É a parte do controlador responsável por reduzir o erro para que o valor da variável de processo se aproxime do valor de setpoint. A ação integrativa (I) é responsável por corrigir o erro de regime permanente do sistema e acelera a resposta permitindo chegar ao valor de setpoint mais rapidamente. Já a ação derivativa (D) produz um sinal de saída proporcional a velocidade do erro, por isso antecipa a correção do erro, diminuindo o tempo de resposta e a instabilidade do sistema.
A ação do controlador PID em um sistema pode ser vista na figura 11:
Figura 11 - Representação da ação de um controlador PID
Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PID.svg
2.13 - Estratégias de Controle
A seguir serão apresentadas algumas das diversas estratégias de controle existentes.
2.13.1 - Controle Antecipativo
O Controle Antecipativo, também conhecido como Feedforward, é uma estratégia de controle em malha aberta, geralmente aplicada a processos com grande atraso. O controlador antecipa a ação corretiva na variável manipulada assim que identifica a entrada de um distúrbio no sistema, dessa forma não espera que o erro se propague pelo processo antes de fazer a correção para manter a variável de processo no valor de setpoint.
Figura 12 - Exemplo de aplicação da estratégia Feedforward
Fonte: Autores
2.13.2 - Controle Feedback
O método de Feedback, ou realimentação negativa, é uma das estratégias de controle
mais utilizadas. Realizado em malha fechada, esse método compara o valor da variável
controlada ao valor de setpoint e usa o erro gerado como entrada para o controlador. De acordo
com o tamanho do erro a ação corretiva na variável manipulada será diferente. Esse tipo de
controlador tem como principal vantagem a rapidez na correção às mudanças de setpoint, mas
tem como desvantagem a resposta lenta aos distúrbios que atingem a planta.
Figura 13 - Exemplo de aplicação da estratégia Feedback
Fonte: Autores
2.13.3 - Controle Cascata
A estratégia de controle em Cascata é ideal para sistemas os quais a variável de processo não consegue atingir o valor de referência devido à presença de distúrbios. Nesse tipo de controle existem duas malhas de controle, malha mestre e malha escrava, em realimentação negativa, e apenas um elemento final de controle. A saída do controlador da malha mestre serve de valor de referência para o controlador da malha escrava, cuja saída vai para a válvula de controle. Utilizar uma variável secundária para auxiliar no controle da variável processo, permite que as ações corretivas do controlador mestre sejam mais leves evitando grandes oscilações na saída da planta e, consequentemente, evitando que ela fique instável.
Figura 14 - Esquema da estratégia de controle Cascata
Fonte: Autores
3 - METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do simulador bifásico com a estratégia de simulação hardware in the loop proposta foi necessária a integração entre:
(i) o modelo matemático que descreve o sistema, que foi simulado através do Matlab®;
(ii) o sistema de supervisão industrial, elaborado no InduSoft Web Studio (IWS);
(iii) e a lógica de controle do processo, implementada no CLP ILC 150 ETH.
O processo consiste de um vaso separador bifásico, uma válvula SDV-101 que libera ou bloqueia a entrada do sistema, uma válvula BDV-101 responsável pela despressurização em caso de emergência, transmissores de pressão, nível, vazão de gás e vazão de óleo, um controlador de pressão (PIC-101), um controlador de nível (LIC-101), válvulas controladoras de vazão de gás (PCV-201) e vazão de óleo (LCV-201) e chaves de pressão e nível.
No separador bifásico é realizada a primeira fase de separação do óleo e gás produzidos pelo poço. O gás é direcionado para o vaso depurador (V-201) e o óleo para o segundo estágio de separação (V-301). Em caso de acionamento do alarme de pressão muito alta ou alarme de nível muito alto o sistema será despressurizado para o Flare.
A estratégia de controle utilizada foi a estratégia feedback, tanto para o sistema de controle de nível quanto para o de pressão. As variáveis controladas são pressão e nível e as variáveis manipuladas são a abertura da válvula de vazão de saída de óleo e a abertura da válvula de vazão de saída de gás.
Além disso, a proposta do trabalho também envolve a publicação das telas do sistema de
supervisão em WEB para que os usuários consigam acessar e controlar o processo remotamente
através do browser Internet Explorer. A tabela abaixo mostra as tags utilizadas no projeto e suas
descrições:
Tabela 1 - Lista de tags
Fonte: Autores
3.1 - Modelo Matemático
Antes de se iniciar o desenvolvimento do simulador era preciso ter em mãos o modelo
matemático que descrevesse o comportamento do sistema. O modelo utilizado neste trabalho foi
retirado do livro Modelagem e Controle na Produção de Petróleo - Aplicações em MATLAB, dos
autores Giovani Cavalcanti Nunes, José Luiz de Medeiros e Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo.
Tabela 2 - Nomenclaturas TABELA DE NOMENCLATURAS C Comprimento do vaso (m)
D Diâmetro do vaso (m)
𝐶 𝑉 𝑀𝐴𝑋𝐺 Máximo coeficiente de vazão da válvula de gás 𝐶 𝑉 𝑀𝐴𝑋𝐿 Máximo coeficiente de vazão da válvula de líquido
𝑃 𝐿 Pressão do líquido 𝑃 𝐺 Pressão do gás
𝜌 𝐿 Densidade do líquido (kg/l) 𝜌 𝐻
2𝑂,15,5𝑥² ℃ Densidade da água (kg/l)
g Gravidade (m/s²)
𝑉 𝑇 Volume da fase aquosa + fase oleosa do vaso (m³) 𝑀𝑀 𝑎𝑟 Peso molecular do ar (kg/mol)
𝑀𝑀 𝐺 Peso molecular do gás (kg/mol) 𝐿 𝑖𝑛 Vazão de entrada de líquido (m³/s) 𝐿 𝑜𝑢𝑡 Vazão de saída de líquido (m³/s)
ℎ 𝐿 Altura da fase oleosa (m) 𝐺 𝑖 Vazão de entrada de gás (m³/s) 𝐺 𝑜𝑢𝑡 Vazão de saída de gás (m³/s)
𝑣 𝐿 Posição da válvula de líquido (%) 𝑣 𝐺 Posição da válvula de gás (%)
P Pressão do vaso (bar) 𝑉 𝐿 Volume do vaso (m³)
T Temperatura do vaso (K)
Fonte: Autores
O modelo linearizado é apresentado a seguir para o caso particular:
Considerando:
Nas condições de estado estacionário, correspondentes a:
As seguintes equações descrevem o sistema:
Equação 2 – Nível do vaso (hl)/Vazão de entrada de óleo (Li)
Equação 3 - Nível do vaso (hl)/Pressão (P)
Equação 4 – Pressão (P)/Vazão de entrada de gás (Gi)
Equação 5 – Pressão (P)/Nível do vaso (hl)
Equação 6 – Pressão (P)/Temperatura (T)
Equação 7 - Nível do vaso (hl)/Posição da válvula de nível (vl)
Equação 8 – Pressão (P)/Vazão de entrada de óleo (Li)
Equação 9 – Pressão (P)/Posição da válvula de nível (vl)
Equação 10 – Pressão (P)/Posição da válvula de gás (vg)
O modelo matemático foi programado na ferramenta Simulink do software Matlab baseado no submodelo apresentado na figura 15. Esta figura mostra a interconexão entre as funções de transferência relacionadas ao nível (FT hl) e as funções de transferência relacionadas a pressão (FT P).
Figura 15 - Interconexão das funções de transferência do separador bifásico
Fonte: Modelagem e Controle na Produção de Petróleo (2010)
3.2 - Proteções e Intertravamentos do Sistema de Separação Bifásica
Nesse projeto, como complemento aos alarmes de nível e pressão alta, foram utilizadas duas válvulas de segurança, SDV e BDV, que são responsáveis por intertravar a planta em casos de condições anormais de operação.
A Shut Down Valve (SDV) é uma válvula de segurança, instalada na entrada do sistema,
que bloqueia a entrada automaticamente caso haja perturbações que ameacem as condições de
segurança da planta. Quando há uma emergência e os alarmes de nível muito alto (LAHH) ou pressão muito alta (PAHH) atuam, ocorre o evento de shut down da planta.
Figura 16 - Shutdown valve (SDV)
Fonte: Case Study 1 – Emergency Shutdown Valves
1.
O evento de shut down provoca o fechamento da SDV e a abertura da Blow Down Valve (BDV). A abertura da BDV gera a despressurização do sistema e o envio do gás excedente para queima.
Figura 17 - Blow down valve (BDV)
Fonte: Blow down valves
2.
1
Disponível em: http://www.valvedistributors.com.au/lorem-ipsum-dolor-sit-amet-lorem-ipsum-dolor-sit-amet/.
Acessado em Fevereiro de 2017.
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