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

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO ANDRÉ EDUARDO BATISTEL DE SOUZA FERNANDA RODRIGUES BATISTA MARCOS SÉRGIO PACHECO DOS SANTOS LIMA JUNIOR DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO E DE CONTROLE PARA PLANTA PILOTO DE ESCOAMENTO MULTIFÁSICO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2011

2 ANDRÉ EDUARDO BATISTEL DE SOUZA FERNANDA RODRIGUES BATISTA MARCOS SÉRGIO PACHECO DOS SANTOS LIMA JUNIOR DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO E DE CONTROLE PARA PLANTA PILOTO DE ESCOAMENTO MULTIFÁSICO Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Carlos Eduardo Ferrante do Amaral, Dr. Eng. Co-Orientador: Tiago Piovesan Vendruscolo, Eng. CURITIBA 2011

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Automatização e Automação Escoamento multifásico na área petroquímica Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) PROBLEMA OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 16

4 4 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Automatização e Automação A automatização e a automação manifestam-se de diversas maneiras, muitas vezes de forma imperceptível, porém influenciando o contexto em quese encontram. Comumente estes dois conceitos são tratados como sinônimos, o que não é verdade. O termo automatização fortaleceu-se com a Revolução Industrial, que se caracterizava principalmente pela substituição, parcial ou total, da mão-de-obra humana por máquinas que dispunham de movimento automático e repetitivo. Um processo onde existe a aplicação somente da automatização, pode ser encarado como um processo cego, que tem suas variáveis de saída independentes das variáveis de entrada e não contempla sistemas para correções de erros, também sendo denominado de controle em malha aberta. Já a automação abordaa manipulação de um sistema, recebendo informações provenientes deste, analisando os dados e avaliando, através de algoritmos, a necessidade de atuação. O controle que relaciona os valores de saída aos sinais da entrada de referência do processo, buscando a correção de erros, pode ser classificado como um controle a malha fechada ou com realimentação. (SILVEIRA; WINDERSON, 2010). O entendimento das diferenças presentes entre estas malhas de controle e conceituação de um sistema propiciará conhecimento necessário para avaliação da malha mais adequada para cada tipo de processo em diferentes aplicações. Segundo Dorf e Bishop (1998), um sistema em malha aberta utiliza algum tipo de dispositivo de atuação para controlar de forma direta o processo, sem o uso de retroalimentação. Esta configuração tem como características a sensibilidade a perturbações e a incapacidade de corrigir os efeitos destas sobre o sistema(nise, 2002). Em outras palavras, as informações sobre a variável controlada não são aproveitadas para manipulação da variável de entrada, que poderiam ser utilizadas para manipular as

5 5 variáveis manipuladas e consequentemente as variáveis de controle (BEGA et al, 2003). A Figura 1ilustra um sistema a malha aberta de forma genérica: Figura 1- Sistema de controle a malha aberta (sem retroação) Um sistema de controle em malha fechada utilizao sinal de saída do processo para realizar a retroação. Este sinal é comparado com a respostaesperada, ou set point, que pode ser uma referência ou um comando (DORF; BISHOP, 1998). Este tipo de sistema manipula a variável de controle, fazendo correlações em uma variável de processo, que é denominada variável manipulada (BEGA et al, 2003). Um sistema de controle genérico a malha fechada é mostrado na Figura 2. Figura 2- Sistema de controle a malha fechada (com retroação) De acordo com Soisson (2002), a automação utilizando recursos computadorizados para controle, registro e aquisição de dados expandiu seu emprego para as plantas modernas, tais como: a indústria química, petroquímica, de polpa e papel, alimentícia, siderúrgica, entre outras. Os processos produtivos existentes nessas indústrias envolvem altos níveis de periculosidade e custos associados. Esses fatores exigem um sistema de controle mais rigoroso, buscandose melhorar a segurança, diminuir desperdícios, prever falhas, maximizar produção e controlar o processo produtivo de forma geral. Este trabalho foca o controle de uma planta experimental para simulação de escoamentos na indústria petroquímica.

6 Escoamento multifásico na área petroquímica Na extração de petróleo e gás natural, trabalha-se com escoamento de fluídosmonofásicos ou multifásicos (duas ou maissubstâncias). Para tal, existem tubulações com trajetos inclinados, verticais e horizontais, conforme afigura 3. Tais dutos, muitas vezes ficam imersos em água com profundidades alcançando uma faixa superior a 1000 m. A permanência desses dutos em altas profundidades provoca variação de pressão e troca de calor do fluído interno à tubulação com o meio. Além disso, o escoamento pode ser intermitente (pulsante), ou seja, ocorre por meio de golfadas (SOUZA, 2010). A Figura 4ilustra alguns padrões de escoamento bifásico composto por gás (em cinza) e líquido (em branco). Figura 3- Trajetos percorridos pelo escoamento multifásico em exploração de petróleo e gás natural Fonte: Jornal O Expresso (2011)

7 7 Figura 4- Alguns padrões de escoamento bifásico gás-líquido em tubulações horizontais: a) Bolhas dispersas b)golfadas c) Estratificado. Fonte:RODRIGUES, 2009 Essas características demandam estudos de equipamentos que sejam capazes de determinar a vazão de cada fase do fluído separadamente. Também é importante a verificação das pressões e temperaturas nos dutos, onde a dificuldade de inspeção e troca de instrumentos é elevada. São problemas como esses que o Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) procura estudar. Mais especificamente, com a planta experimental de escoamentos multifásicos, analisa-se o comportamento do escoamento, através de elementos sensores e simulações, procurando desenvolver novos equipamentos para as medidas e estabelecer um modelo matemático que represente os diferentes padrões de escoamento Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) O Laboratório de Ciências Térmicas está situado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná no campus Curitiba. Consiste em um grupo de pesquisa criado em 1999 com atividades na área de Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor e Termodinâmica, contemplando investigações teóricas e práticas. O LACIT conta com um espaço físico de aproximadamente 60m², onde possui linhas de pesquisa associadas às ciências térmicas, otimização e controle de processos, instrumentação industrial e processamento de imagens, tendo como foco

8 8 comum o estudo do escoamento de óleos pesados misturados com água, ar ou sedimentos (PPGEM, 2011). Nesta instalação encontra-se ocircuito experimental para estudo de escoamento multifásico, a qual, desde sua instalação e instrumentação iniciais(realizadas em 2009), já sofreu diversas alterações. O esquema dafigura 5 é a representação do layout atual da planta experimental de escoamento que será objetode estudo deste trabalho. A figura 6 apresenta fotografias da planta do laboratório LACIT(tubulações, sensores e componentes do sistema de medição multifásico). Figura 5- Fluxograma da planta experimental. Figura 6- Fotografia das tubulações, sensores e componentes do sistema de medição multifásico do LACIT.

9 9 1.2 PROBLEMA O sistema de vazão de gás e de água da planta experimental do LACIT atualmente encontra-se em malha aberta. Os transmissores estão em comunicação com uma central, por onde ocorre a leitura de dados e cálculos de alguns valores como: a velocidade superficial, pressão e temperatura, que são variáveis relevantes do processo.os equipamentos que controlam a vazão de água e de gás são manipulados pelo operador, sem ajuste fino dos valores em questão. Tais equipamentos poderiamter o seu desempenho melhorado com a implantação de um software supervisório, trabalhando simultaneamente a uma realimentação. Esta modificação resultaria numa planta mais precisa e em um tempo menor para aconfiguração de cada experimento. Uma das partes do processoque deve ser ligadaa uma malha fechada éo controle de vazão de entrada de gás. Atualmente este processo é realizado pelo operador através de uma válvula manual. Outroponto do processo que terá sua função e funcionamento estudados, visando à automação da entrada de água na planta, é oconjunto composto pela motobomba(bcie602 WEG) e inversorde frequência(cfw08 WEG). O controle do inversor é realizado por meio de um circuito analógico, onde o ajuste grosso do sinal enviado ao conjunto é realizado através de um potenciômetro. Este inversor, por sua vez, tem como finalidade controlar a rotação da motobomba responsável pela vazão de água nos dutos da planta. 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Desenvolver um sistema supervisório e de controle para planta piloto de escoamento multifásico localizada no Laboratório de Ciências Térmicas da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

10 10 Através da ferramenta de desenvolvimento LabVIEW (linguagem de programação gráfica) projetar-se-á um sistema de blocos de aquisição de dados, instrumentação e controle dos equipamentos da planta. A aquisição de dados realizar-se-á por meio de uma placa de aquisição da NationalInstrumentstendo comunicação com os elementos de campo através de uma rede de comunicação com protocolo Fieldbus Foundation já existente.afigura 7 mostra o diagrama de blocos do sistema atual com as adaptações necessárias para o controle em malha fechada. Figura 7- Diagrama de blocos do funcionamento futuro do sistema Objetivos Específicos Estudar o funcionamento e os componentes da planta experimental; Especificar e desenvolver o circuito para a interface do computador com os elementos de controle da vazão de ar e líquido; Desenvolver um programa de controle em plataforma LabVIEW; Fazer testes experimentais na planta de escoamento multifásico; Realizar análise de incerteza do sistema e componentes;

11 JUSTIFICATIVA O controle pretendido à planta é o controle por realimentação, ou feedback, negativa. Este tipo de controle utiliza o desvio do valor da variável controlada (cujos dados são medidos por elementos sensores) em relação ao valor desejado (valorde referência) para efetuar a ação corretiva através de equipamentos de controle. No caso da planta estudada, os equipamentos de controle serão o conjunto inversor de frequência - motobomba e a válvula de controle de injeção de gás. A principal vantagem deste tipo de implantação está relacionada à redução do esforço físico do homem (diminuição do tempo de configuração) eao aumento da precisão de análise das características das variáveis analisadas, melhoria na qualidade de um produto e segurança do processo,bega et. al (2003). Isto ocorre porque um sistema controlado com instrumentação mantém as variáveis do processo em condições mais adequadas aos equipamentos e as estruturas do que quando manualmente controlada por um operador. Ao contrário de um mecanismo automático, o controle manual está sujeito a erros devido à distração ou ao cansaço do operador. Os motivos aqui citados justificam a necessidade de implantação dos conceitos de automação e controle na planta experimental. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS As etapas especificadas abaixo foram organizadas de forma a direcionar o esforço intelectual e técnico da equipe para que os objetivos propostos neste trabalho fossem satisfatoriamente atendidos. 1ª Etapa: Revisão Bibliográfica Nesta etapa será levantado material a respeito dos temas abordados em livros e artigos: Protocolos de Comunicação Industrial FieldBusFundation Instrumentos de medição

12 12 Sensores; Válvulas de Controle; Técnicas de medição de Pressão, Vazão e Temperatura; Máquinas Elétricas Motores deindução trifásicos; Controle de motor de indução trifásica com Inversor de frequência; Controle Técnicas de Controle; Plataforma LabVIEW; 2ª Etapa: Análise da planta existente Durante esta etapa será investigado o funcionamento da planta experimental para análise e especificação correta de seu sistema de controle através de artigos publicados e orientação dos professores e pesquisadores do Laboratório de Ciências Térmicas da UTFPR. 3ª Etapa: Desenvolvimento e Confecção do Circuito de Controle Nesta fase estão previstas as especificações dos materiais e componentes necessários para o desenvolvimento do hardware e o projeto e confecção do circuito que fará a interface entre os componentes da planta. O circuito eletrônico projetado fará a conversão D/A dos dados enviados pelo computadorao inversor de frequência e à válvula de controle. Desta forma será obtido o controle das variáveis de vazão de gás e de água. 4ª Etapa: Desenvolvimento do software de Controle Esta etapa se iniciará com estudos aprofundados da ferramenta de desenvolvimento LabVIEW com relação aos blocos de controle necessários para a realização da malha fechada do sistema da planta. O software de comunicação entre o centro de processamentos de dados e os transmissores, inversor de frequência e válvula de controleserá desenvolvido em plataforma LabVIEW, que é desenvolvido pela NationalInstruments e visa através de uma interface gráfica criar códigos de programação em blocos. Diferente das linguagens de programação baseadas em textos (lista de comando), esta linguagem utiliza ícones gráficos e ligações que se assemelham a um fluxograma. A plataforma de programação

13 13 LabVIEW disponibiliza uma grande quantidade de bibliotecas que possuem aplicações específicas, ampliando a gama de atuação deste software, tais como: aquisição de dados com placas DA e AD (DAQ), interfaces gráficas de análise de dados, protocolos (OPC), instrumentos com interface serial e outros módulos de automação, cálculo e simulação. A Figura é um exemploda tela de programação do LabVIEW. Figura 8- Exemplo de programação utilizando o LabVIEW 5ª Etapa: Teste e análises Após a finalização das atividades anteriores serão realizados testes para avaliação do novo sistema automatizado da planta. Também nesta etapa será realizada a análise de incertezas dos equipamentos e sistema, com as correções necessárias.

14 ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho será composto de cinco capítulos. O primeiro capítulo destinase a introdução sendo subdividido em tema, problema, objetivo geral e objetivos específicos, justificativa e procedimentos metodológicos. O segundo capítulo irá explicar através de pesquisa bibliográfica os principais conceitos que envolvem o funcionamento da planta de escoamento multifásico do LACIT. Também levantar-se-á especificações dos equipamentos físicos de instrumentação, fundamentações a respeito de redes industriais, e plataforma de programação LabVIEW. O terceiro capítulo irá tratar do desenvolvimento do hardware a ser implantado para o controle da vazão de gás e de líquido da planta. Será explicado como será a topologia física do circuito que servirá de interface entre os componentes da planta. Também fará parte desse capitulo o desenvolvimentodo programa emlabviewpara o controle da planta em malha fechada e a comunicação coma eletrônica projetada. O quarto capítulo realizará um estudo sobre exatidão inerente à automação e aos instrumentos utilizados. Serão tratadas as possíveis incertezas, problemas e resultados decorrentes do controleda planta (em malha fechada) e serão mostrados os resultados dos testes executados.

15 1.7 CRONOGRAMA ATIVIDADE OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Revisão bibliográfica e estudo da planta atual Aquisição de sensores Projeto geral do sistema de controle Desenvolvimento do circuito eletrônico para controle Programação em ambiente LabView Testes na planta experimental Análises e correções Testes finais Documentação Defesa do TCC 15

16 16 REFERÊNCIAS BEGA, Egídio A.(Org.) et al. Instrumentação Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, DORF, Richard C.; BISHOP, Robert H. Sistemas de Controle Modernos. 8ª ed. LTC, DZIADZIO, Eliane; JUSTINIANO, Reinaldo S. G.; MARASCHINI, Samuel D. Instrumentação de circuito de escoamento bifásico em tubulações f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Jornal O Expresso. Disponível em: < Acesso em: set NI - Nationalinstruments. Disponível em: < Acesso em: set NISE, Norman S. Engenharia de Sistemas de Controle. 3ª ed. Rio de janeiro: LTC, PPGEM - Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica. Disponível em: < >. Acesso em: set RODRIGUES, Hendy T. Simulação numérica do escoamento bifásico gáslíquido no padrão de golfadas utilizando um modelo lagrangeano de seguimento de pistões. Dissertação de Mestrado, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, SILVA, Marco J. da; AMARAl, Carlos E. F.; MORALES, Rigoberto E. M.; ARRUDA, L. V. Investigação experimental de escoamentos bifásicos gás-líquido em tubulações através da técnica wire-mesh. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e Controle discreto. 9ª ed. São Paulo: Érica, 2010.

17 17 SOISSON, Harold E. Instrumentação Industrial. Hemus, SOUZA, Jaime N. M. de. Modelagem e simulação de escoamento Multifásico em dutos de produção de óleo e Gás natural, f. Tese de doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010.