Implementação de um Módulo de Supervisão para um Sistema de … · 2017. 10. 20. · Divisão...

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA

DE PETRÓLEO

Implementação de um Módulo de Supervisãopara um Sistema de Detecção de Vazamentos

em Dutos de Petróleo

Rodrigo Eduardo Ferreira da Silva

Orientador: Prof. Dr. André Laurindo Maitelli

Natal, RN, Dezembro de 2009




Dissertação de Mestrado apresentada aoPrograma de Pós-Graduação em Ciências eEngenharia de Petróleo da UFRN (área deconcentração: Automação) como parte dosrequisitos para obtenção do título de Mestreem Ciências.

Natal, RN, Dezembro de 2009

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da publicação na fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Silva, Rodrigo Eduardo Ferreira da.Implementação de um módulo de supervisão para um sistema de detecção de

vazamentos em dutos de petróleo / Rodrigo Eduardo Ferreira da Silva. - Natal,RN, 2009.

68 f. : il.

Orientador: André Laurindo Maitelli

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Cen-tro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dePetróleo.

1. Oleodutos de petróleo - Dissertação. 2. Petróleo - Transporte - Disserta-ção. 3. Sistemas de detecção de vazamentos - Dissertação. I. Maitelli, AndréLaurindo. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 622.692.4(043.2)




Dissertação de Mestrado aprovada em 22 de Dezembro de 2009 pela banca examinadoracomposta pelos seguintes membros:

Prof. Dr. André Laurindo Maitelli (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Andrés Ortiz Salazar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Vicente Delgado Moreira (membro externo) . . . . . . . . . PETROBRAS

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao nosso Senhor Deus, pelas bençãos a que temme submetido durante a minha vida.

Aos que condicionaram a minha existência e que continuam dando apoio incondicionaldurante a minha jornada, por isso agradeço a minha mãe Maria Lúcia da Silva, meu paiVillegaignon Ferreira da Silva, aos meus irmãos Bárbara Alexsandra Ferreira da Silva eGiordano Bruno Ferreira da Silva.

À minha família, em especial as minhas tias Fátima Félix Lacerda, Francisca das Chagasda Silva Mendonça, e minha avó Raquel Ferreira da Silva.

Aos amigos Antônio Higor, Giovane Montine, Iuri Augusto, Thayse França, KleydsonWilbert, Alan Paulo, Ivanovitch Medeiros, Evellyne Batista, Álvaro Avelino, MarceloGuerra pela grande amizade adquirida nesses anos.

Aos amigos que integram ou integraram o pensionato onde moro Pablo Thiago, EmilianoPereira, Saimonton Dantas, Diego Frederico e Gilson Queiroz pela contribuição indiretana dissertação e pela convivência.

Aos demais amigos, pelas críticas, sugestões e pela amizade.

Ao meu orientador, professor André Laurindo Maitelli, sou grato pela orientação.

Aos professores do Departamento de Computação e Automação pela contribuição acadê-mica.

E a todos que contribuiram de alguma forma nesta minha empreitada pelo mundo.

Resumo

O transporte de fluidos através de tubulações é utilizado na indústria petrolífera, sendoos dutos um elo importante na logística de escoamento de fluidos. Porém, os dutos so-frem deterioração em suas paredes ocasionadas por diversos fatores o que pode provocara perda de fluidos para o meio exterior, justificando o investimento em técnicas e métodosde detecção de vazamentos para minimizar a perda do fluido e os danos ambientais pro-vocados. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um módulo de supervisão paraque seja informado ao operador a ocorrência de vazamento no duto monitorado no menortempo possível, com o propósito que o operador efetue procedimentos que acarretem nofim do vazamento. Esse módulo é um componente de um sistema que visa à detecção devazamento em dutos petrolíferos utilizando tecnologia sônica, wavelets e redes neurais.A planta utilizada no desenvolvimento e testes do módulo aqui apresentado, foi o sistemade tanques do Laboratório de Avaliação de Medição em Petróleo (LAMP), e a sua Lo-

cal Area Network (LAN), como rede de supervisão. A proposta consiste, basicamente,de duas etapas. Inicialmente, avaliar o desempenho da infraestrutura de comunicação domódulo de supervisão. Posteriormente, simular vazamentos para que o DSP (Digital Sig-

nal Processor) envie informações para o supervisório realizar o cálculo da localizaçãodos vazamentos e indicar a qual sensor o vazamento é mais próximo, e usando o sistemade tanques do LAMP, capturar a pressão no duto monitorado através de sensores piezore-sistivos, sendo essa informação processada pelo DSP e enviada ao supervisório para queseja apresentado ao usuário dados em tempo real.

Palavras-chave: Supervisório, Sistemas de Detecção de Vazamentos, Rede de Co-municação, Modbus.

Abstract

The transport of fluids through pipes is used in the oil industry, being the pipelines animportant link in the logistics flow of fluids. However, the pipelines suffer deteriorationin their walls caused by several factors which may cause loss of fluids to the environment,justifying the investment in techniques and methods of leak detection to minimize fluidloss and environmental damage. This work presents the development of a supervisorymodule in order to inform to the operator the leakage in the pipeline monitored in theshortest time possible, in order that the operator log procedure that entails the end of theleak. This module is a component of a system designed to detect leaks in oil pipelinesusing sonic technology, wavelets and neural networks. The plant used in the developmentand testing of the module presented here was the system of tanks of LAMP, and its LAN,as monitoring network. The proposal consists of, basically, two stages. Initially, assessthe performance of the communication infrastructure of the supervisory module. Later,simulate leaks so that the DSP sends information to the supervisory performs the calcula-tion of the location of leaks and indicate to which sensor the leak is closer, and using thesystem of tanks of LAMP, capture the pressure in the pipeline monitored by piezoresistivesensors, this information being processed by the DSP and sent to the supervisory to bepresented to the user in real time.

Keywords: Supervisory, Leak Detection Systems, Network, Modbus.

Sumário

1 Introdução 11.1 Histórico SONIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Sistema Supervisório 52.1 Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Sistema SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Processo físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2 Hardware de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.3 Rede de comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.4 Software de Supervisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Rede de Comunicação 133.1 Padrão EIA-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Padrão EIA-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Padrão Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 Modelo de referência TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.5 Protocolo DDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.6 Protocolo NMEA-0183 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.7 Protocolo Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.7.1 Modo ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.7.2 Modo RTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.8 Mecanismo de comunicação cliente/servidor . . . . . . . . . . . . . . . . 253.9 Mecanismo de comunicação mestre/escravo . . . . . . . . . . . . . . . . 253.10 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

i

4 Sistema de Detecção de Vazamentos 274.1 Sistema de detecção de vazamentos baseado em identificação de padrões . 29

4.1.1 Algoritmo de detecção de vazamentos . . . . . . . . . . . . . . . 294.1.2 Algoritmo de localização de vazamentos . . . . . . . . . . . . . . 304.1.3 Tempo de detecção de vazamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2 Detecção acústica de vazamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.3 Projeto SONIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.3.1 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3.2 Sensores Acústicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3.3 Sistema de Posicionamento Global (GPS) . . . . . . . . . . . . . 394.3.4 Processador Digital de Sinais (DSP) . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3.5 Conversor RS232/RS485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.6 Conversor RS485/Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.7 Unidade Terminal Remota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3.8 Unidade de Processamento Central . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5 Sistema Proposto 455.1 Modbus embarcado em DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.2 Aquisição do horário do GPS pelo DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.3 Rede de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.4 Rede de Supervisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.5 Servidor-Mestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.6 Software de Supervisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.7 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.8 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6 Conclusão 636.1 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.2 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Referências 65

Lista de Figuras

2.1 Níveis de um sistema de automação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Estrutura de uma Rede de Comunicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1 Pilha de Comunicação Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Quadro de dados do modbus ASCII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Quadro de dados do modbus RTU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1 Equação de Localização de Vazamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2 Arquitetura do projeto SONIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3 Sensor piezoresistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4 Espectro de freqüências na saída de um sensor de pressão ideal. . . . . . 394.5 Representação teórica de um vazamento no domínio do tempo e da freqüên-

cia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.6 Faixa de freqüências captadas por um sensor ideal (resposta em freqüên-

cia de um sensor ideal). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.7 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.8 Conversor RS232/RS485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.9 Conversor RS485/Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.1 Arquitetura utilizada no LAMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.2 Abertura do Supervisório. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.3 Tela da planta do LAMP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.4 Simulação de Vazamento do primeiro teste. . . . . . . . . . . . . . . . . 615.5 Simulação de Vazamento do segundo teste. . . . . . . . . . . . . . . . . 615.6 Gráfico em tempo real do sensor PI001. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

iii

Lista de Quadros

3.1 Mensagem de entrada do NMEA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2 Mensagem de saída do NMEA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3 Funções do Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4 Exceções do Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.1 Funções utilizadas do Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.2 Exceções empregadas do Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3 Exemplo de quadro de dados de leitura enviado pelo mestre. . . . . . . . 495.4 Exemplo de quadro de dados de escrita enviado pelo mestre. . . . . . . . 495.5 Exemplo de quadro de dados de leitura enviado pelo escravo. . . . . . . . 505.6 Exemplo de quadro de dados de escrita enviado pelo escravo. . . . . . . . 505.7 Mensagem RMC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.8 Quadro de dados para taxa de transferência de 9.600bps e polling >= 92ms. 585.9 Quadro de dados para taxa de transferência de 19.200bps e polling >=46ms. 585.10 Quadro de dados para diferentes ondas senoidais. . . . . . . . . . . . . . 59

iv

Lista de Símbolos e Abreviaturas

ωs Frequência de corte

API American Petroleum Institute

ARPANET Advanced Research Projects Agency Netowrk

ASCII American Standard Code for Information Interchange

bps bits por segundo

CAN Controller Area Network

CENPES Centro de Pesquisa da Petrobras

CEP Controle Estatístico do Processo

CLP Controlador Lógico Programável

CRC Cyclical Redundancy Check

CRLF Carriage Return - Line Feed

DDE Dynamic Data Exchange

DSP Digital Signal Processor

E/S Entrada/Saída

EIA Electronic Industries Alliance

EPS Enterprise Production Systems

ERP Enterprise Resource Planning

ETA Estreito A

ETB Estreito B

v

F.E. Fundo de Escala

FIFO First In First Out

GGA Global Positioning System Fixed Data

GMT Greenwich Mean Time

GPS Global Positioning System

GSA GNSS DOP and Active Satellites

GSV GNSS Satellites in View

I2C Inter-Intergrated Circuit

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IHM Interface Homem-Máquina

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

IP Internet Protocol

LAMP Laboratório de Avaliação de Medição em Petróleo

LAN Local Area Network

LAUT Laboratório de Automação em Petróleo

LCR Longitudinal Redundancy Check

MES Manufacturing Execution Systems

NMEA National Marine Electronics Association

NSFNET National Science Foundation

ODBC Open Data Base Connectivity

OPC OLE for process control

PI Pressure Indicator

PIMS Plant Information Management Systems

RMC Recommended Minimum Specific GNSS Data

RNA Rede Neural Artificial

RS Recommended Standard

RTU Remote Terminal Unit

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SCI Serial Peripheral Interface

SONIC Sistema de Detecção de Vazamentos

TCP Transmission Control Protocol

UART Universal Synchronous Receiver/Transmitter

UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte

UTC Universal Time Coordinate

Capítulo 1

Introdução

Um sistema de dutos é o meio mais seguro e econômico para o transporte de flui-dos, como pode ser observado na evolução humana desde o deslocamento de água até ageração de energia, devido à sua simplicidade, e facilidade de manutenção.

A indústria do petróleo também se beneficia dos sistemas de dutos, por causa dagrande demanda por petróleo, das grandes distâncias a serem percorridas para deslocarpetróleo e seus derivados, interligando regiões produtoras, plataformas, refinarias, termi-nais marítimos, parques de estocagem e os centros consumidores.

A operação de terminais e oleodutos é um importante elo na cadeia logística de abas-tecimento. Dos campos de produção, o petróleo é transportado, por oleodutos e ou pornavios, para os terminais e de lá até as refinarias. Após o refino, os derivados são nova-mente escoados por dutos aos terminais aquaviários e terrestres para ser entregues, pordutos e também por navios, às companhias distribuidoras, chegando aos mercados.

As dimensões continentais do Brasil determinam a grande quantidade de terminais ea extensão dos oleodutos operados. Os dutos são as artérias, que movimentam uma fontede energia essencial para o desenvolvimento do País. Os 47 terminais, 27 aquaviários e 20terrestres, os 7 mil km de oleodutos, e os 4,5 mil km de gasodutos interligam as diversasregiões produtoras de petróleo e seus derivados, refinarias e bases de processamento e dedistribuição (TRANSPETRO, 2009).

Esse sistema de dutos movimentou em 2008 (TRANSPETRO, 2009):

• Oleodutos: 670 milhões de m3 de petróleo, derivados e álcool/ano;• Gasodutos: 46 milhões de m3 de gás natural/dia.

Esses dados elencados tanto em relação à infraestrutura dos dutos quanto ao volumede fluidos transportados pelos mesmos, apresentam um sistema que deve ser monitoradodevido à sua dimensão.

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2

Um dos principais problemas existentes na área de transporte de petróleo e seus deri-vados por dutos é a ocorrência de vazamentos, pois o sistema de dutos está sempre sujeitoà intempéries de natureza físico-química que ocasionam a deterioração da parede do duto,podendo provocar a perda do fluido para o meio exterior.

É investido pela indústria petrolífera em sistemas e técnicas de detecção de vazamen-tos (MURRAY, 2001), não somente para evitar perda de produção com esses vazamen-tos que ocasionam prejuízos econômicos, mas também para proteger o meio ambientee evitar as consequências legais que são provocadas, pois o meio ambiente é um direitodifuso (FREITAS et al., 2004).

A segurança do meio ambiente é um dos grandes desafios dessa indústria durantetodas as fases de produção e armazenamento.

Embora a indústria petrolífera invista nos sistemas e técnicas de detecção de vazamen-tos, esses possuem grande complexidade devido à aspectos inerentes ao processo, comoo transitório de ligação de bombas, fechamentos de válvulas e etc, que podem ocasionaralarmes falsos.

Visto esses problemas expostos, o sistema de detecção deve apresentar uma funcio-nalidade em tempo real para dar uma resposta rápida, bem como indicar a localização dovazamento (SIQUEIRA, 2006), para que o operador aja rápido minimizando os prejuízos.

O crescente aumento na complexidade dos sistemas, bem como uma procura maiorpor segurança na realização do controle desses sistemas, fez crescer a necessidade deautomatizar determinados processos.

A utilização da automação tem sido cada vez maior em processos industriais permi-tindo flexibilidade, segurança, aumento na qualidade e quantidade da produção, e podendoatender a estratégias corporativas, tornando a indústria competitiva na sua área de atuação,reduzindo os custos e oferecendo preços atrativos aos seus clientes.

Para isso foram desenvolvidos sistemas Supervisory Control and Data Acquisition

(SCADA) que proporcionam a supervisão, operação, o controle e a aquisição de dados quesão apresentados na tela de um supervisório ao operador, permitindo que este monitore asvariavéis adquiridas do processo e proceda de forma eficiente quando ocorrer algo sinistrocomo um vazamento num duto.

Esses sistemas também proporcionam dados a serem utilizados pela gerência cor-porativa para poder embasar o plano estratégico definido e adequar as necessidades domercado.


1.1 Histórico SONIC

O estudo de métodos de detecção de vazamentos em dutos do grupo de pesquisaUFRN/LAMP/LAUT teve início em 2003 em parceria com a Petrobrasr e pode ser divi-dido em duas etapas:

• 1aEtapa: 2003 - 2006

– Sensor de pressão capacitivo, com tempo de resposta de 20ms;– CLP utilizado para adquirir o sinal do sensor;– Comunicação wireless entre o CLP e o supervisório.

• 2aEtapa: 2007 - 2010

– Sensor de pressão piezoresistivo, com tempo de resposta de 1ms;– Processamento local (DSP);– Localização do vazamento (GPS);– Pesquisadores:

∗ Eng. Álvaro Avelino - DSP;∗ Eng. Rodrigo Eduardo - Supervisório;∗ Eng. José Álvaro - Algoritmos;∗ Aluno Gabriel John - Algoritmos.

1.2 Motivação

Baseado na infraestrutura de oleodutos e gasodutos existente e na projeção futura, emconseguência da grande dimensão do Brasil, e do volume de fluidos transportados poresse sistema, pode-se verificar que a pesquisa em sistemas de detecção de vazamentos éum campo promissor.

A minimização dos danos ocasionados pela liberação de fluidos é crucial para a in-dústria petrolífera, devido à perda do produto, bem como o dano ambiental que podeprovocar, visto que, esses fluidos causam grande impacto ao meio ambiente e acarretamgrande custo para se fazer a limpeza do local afetado, requerendo muito tempo, técnicase equipamentos especiais para a retirada desse fluido.

Outro fator que impulsionou a pesquisa nessa área é a grande ocorrência de váriosalarmes falsos verificados nos sistemas de detecção de vazamentos comerciais existentes,que reduzem a eficiência do sistema e causa perda de confiança nos seus resultados.


1.3 Objetivo

Diante do que foi exposto, o objetivo deste trabalho é projetar um sistema SCADApara um sistema de detecção de vazamentos que emprega tecnologia sônica.

Possuindo como objetivos específicos os seguintes:

• Embarcar o protocolo Modbus em um DSP;• Integrar a rede de campo com a rede de supervisão;• Possibilitar a comunicação entre o DSP e o GPS;• Desenvolver telas de supervisório para a monitoração do sistema de detecção de

vazamentos;• E interligar o módulo de supervisão em dutos petrolíferos, desenvolvendo uma fer-

ramenta de aplicação industrial para as necessidades da indústria do petróleo emrelação ao monitoramento de escoamento de fluidos.

1.4 Organização do trabalho

A estrutura deste trabalho está disposta da seguinte forma. Neste capítulo introdutóriofoi realizadA uma breve contextualização do trabalho. O capítulo 2 apresenta as principaiscaracterísticas de um sistema supervisório. No capítulo 3 são abordados os padrões eprotocolos empregados em redes de comunicação industrial. Um sistema de detecção devazamentos é exposto no capítulo 4. A proposta do trabalho relacionada ao módulo desupervisão de um sistema de detecção de vazamentos é descrito no capítulo 5, no capítulo6 é realizada a conclusão do trabalho proposto e dadas sugestões para trabalhos futuros.

Capítulo 2

Sistema Supervisório

Neste capítulo serão descritas as principais características relacionadas a sistema su-pervisório, como a automação, sistema SCADA, e software de supervisão.

2.1 Automação

Anteriormente à revolução industrial toda a manufatura de produtos era realizada pelaação manual de mestres, artesãos e aprendizes. Esse processo consumia grande tempo etinha pouca eficiência.

Com o advento da revolução industrial ocorreu uma mudança radical na manufaturade produtos, sendo empregadas máquinas e ferramentas para isso, iniciando o processode mecanização dos processos produtivos, acarretando uma maior produção.

Posteriormente, foi inserida nesse processo a automação devido à necessidade de subs-tituir métodos antigos de controle manual pelos eficientes métodos de controle automati-zados (SOUZA, 2005).

A automação consiste em um conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticosdiversos processos na indústria, substituindo o trabalho do homem por equipamentos di-versos.

O emprego da automação pretende a flexibilidade do processo, a melhora da qualidadedo produto manufaturado, a produtividade e a viabilidade técnica do processo, tornandoa empresa competitiva no mercado que atua (MAITELLI, 2007).

Existem, basicamente, dois segmentos da automação industrial, segundo a manipu-lação das variáveis a serem controladas (MAITELLI, 2007). Quando estas são do tipoanalógica, tem-se o controle de processo contínuo; caso aquelas sejam discretas tem-se ocontrole de processo discreto.

Os processos automatizados empregam métodos e técnicas que permitem, através deinstrumentos de controle, armazenar dados, calcular o valor desejado para essas informa-

CAPÍTULO 2. SISTEMA SUPERVISÓRIO 6

ções e, se necessário, tomar alguma ação corretiva.Para uma melhor representação da arquitetura de um sistema automatizado, este é

dividido em níveis, conforme a Figura 2.1.Na primeira camada encontram-se os sensores e atuadores, como os sensores de pres-

são que capturam dados do processo para saber qual o seu estado, e válvulas que atuamno processo para que este fique dentro dos parâmetros estabelecidos para sua execução.

No segundo nível estão inseridos os controladores lógicos programáveis e os sistemasSCADA, que atuam no controle, operação e supervisão do processo.

O nível seguinte refere-se aos sistemas de gerência de informação dos processos queestão englobados nos Enterprise Production Systems (EPS), ondes estão incluídos osPlant Information Management Systems (PIMS) e os Manufacturing Execution Systems

(MES) (NATALE, 2000).No último nível encontra-se os sistemas corporativos de gestão de planta Enterprise

Resource Planning (ERP), que coletam as informações do chão de fábrica e os transfor-mam em informações de negócio, otimizando a gerência dos dados corporativos, redu-zindo custos.

Essa integração das informações do chão de fábrica com os dados corporativos, produzvários benefícios como:

• Aumento da qualidade do produto;• Aumento da produtividade;• Redução dos custos operacionais e pessoais;• Gerência de informações;• Integração dos setores da indústria;• Planejamento estratégico.

Figura 2.1: Níveis de um sistema de automação.Fonte: (SOUZA et al., 2005)


2.2 Sistema SCADA

A necessidade de automação dos vários processos existentes em uma indústria paraque possa centralizar o máximo possível de informações no menor tempo possível e in-tegrar diversos dispositvos que pertecem ao processo, foram desenvolvidos sistemas paraadquirir dados e fornecer informações ao operador do processo, reduzindo as dimensõesdos painéis que existiam e melhorando a interface homem/máquina.

Estes sistemas são conhecidos como SCADA (MELENDEZ et al., 2001), que coletamas informações e as disponibilizam aos usuários do sistema (SOUZA et al., 2006), sendouma integração de vários subsistemas.

No início os sistemas supervisórios eram arquiteturas centralizadas, fechadas e semconectividade externa, que empregavam hardware e software proprietários. As informa-ções eram visualizadas em um painel de lâmpadas e indicadores, sem qualquer interfaceamigável ao operador.

Atualmente, os sistemas de manufatura utilizam tecnologias de computação e de co-municação que permitem automatizar a monitoração e controle de processos, às vezesgeograficamente distantes, e disponibilizados de forma amigável, com recursos gráficos einteratividade (SANTOS, 2007).

Os sistemas supervisórios tem se apresentado como uma estrutura importante dentrode uma indústria, sendo uma valiosa fonte de informação dentro da mesma, possuindo asseguintes características (SOUZA, 2005):

• Realiza a aquisição de dados do processo;• Torna os dados disponívies visualmente;• Processa eventos e ativa alarmes;• Deve ser tolerante a falhas.

Um sistema supervisório é composto basicamente por quatro elementos: processofísico, hardware de controle, software de supervisão e rede de comunicação (DANEELS;SALTER, 1999).

2.2.1 Processo físico

O processo físico é o elemento que se deseja monitorar e/ou controlar, é o objetoda automação, onde informações deste elemento são capturadas através de instrumentos,tanto para o controle do processo quanto para a gerência de dados.

Os sensores são os elementos responsáveis pela leitura do estado em que o processose encontra.


Os atuadores são dispositivos que têm a função de atuar sobre uma grandeza física doprocesso monitorado, respondendo a comandos manuais ou automáticos.

Os transdutores são os responsáveis pela conversão primária de dados em campo,sendo utilizados tanto para os sensores quanto para os atuadores. Grandezas físicas comotemperatura, pressão e velocidade, são convertidos em sinais digitais ou analógicos paraas estações remotas.

2.2.2 Hardware de controle

O hardware de controle localiza-se na Remote Terminal Unit (RTU), unidade com-putacional robusta empregada em processos industriais, que monitora e controla os ins-trumentos remotos, como sensores e atuadores, que estão distantes da estação central,realizando processamento local de informações coletadas.

Os processos automatizados localizados à distâncias relevantes, utilizam as RTUs queatravés de dispositivos de monitoração e controle armazenam dados e empregam técnicasque permitem verificar se o processo está com seus parâmetros adequados e, se necessário,realizar alguma ação corretiva.

2.2.3 Rede de comunicação

A rede de comunicação propicia a integração desses diversos subsistemas, sendo aresponsável pelo tráfego de informações (SOUZA et al., 2006). A integração de infor-mações por meio de uma rede de comunicação entre os mais diversos níveis hieráquicosnuma indústria possibilita a redução dos custos, e uma melhor eficiência na tomada dedecisão.

Geralmente, uma rede de comunicação constitui-se de duas sub-redes, apresentadasna Figura 2.2, denominadas rede de campo, que é a responsável pela aquisição dos dadosdo processo, podendo o processo está em locais remotos;

E rede local de supervisão, que disponibiliza e compartilha os dados do processo emuma LAN para que usuários possam requisitar esses dados e utilizá-los para o controle, esupervisão do mesmo.

Em sua maioria, as redes de campo utilizam o mecanismo de comunicação mes-tre/escravo com o intuito de uma comunicação determinística. Nesta sub-rede, as RTUsdesempenham a função de estações escravas, respondendo somente às solicitações feitaspela unidade central mestre, através de um polling.

A unidade mestre é quem inicia a transação, podendo endereçar uma mensagem paraum único escravo ou para vários escravos ao mesmo tempo. Então a estação escrava pode


forncecer os dados requisitados pela unidade mestre ou realizar uma ação requisitada natransação.

Já em relação a rede local de supervisão, esta geralmente utiliza o mecanismo de co-municação cliente/servidor (BUCCI; LANDI, 2003) e (ZHI et al., 2000) em que clientesdistribuídos numa rede realizam a requisição de dados a uma unidade servidora, entãoesta coleta as informações requisitadas e as repassa ao cliente que as solicitou.

Figura 2.2: Estrutura de uma Rede de Comunicação.Fonte: (SOUZA, 2005)

2.2.4 Software de Supervisão

O software de supervisão encontra-se na estação central e disponibiliza os dados ad-quiridos em telas para os usuários. A estação central possui duas funções principais, queé obter periodicamente dados da RTU, e controlar dispositivos remotos através da estaçãocentral, tudo isso realizado pelo software de supervisão.

O propósito do software de supervisão é promover a interface homem/máquina, per-mitindo ao usuário inspecionar, executar comandos de operação e supervisão disponi-bilizados em telas configuradas, estas representando um processo, através de um microcomputador.

O software de supervisão é estruturado em uma série de telas e janelas. Telas e janelassão compostas de objetos que representam os diferentes equipamentos do processo e estão


classificados de acordo com o tipo de informação apresentada.Um software de supervisão deve possuir as seguintes funções básicas:

1. Apresentação das variáveis em tempo real;2. Gráficos de tendência das variáveis de processo;3. Alarmes com descrição e codificação de cores;4. Sinalização visual e sonora de alarmes, bem como seu reconhecimento;5. Sinalização do status de operação dos equipamentos;6. Modificação dos parâmetros operacionais;7. Armazenamento de eventos;8. Armazenamento histórico e Visualização de variáveis de processo e alarmes;9. Telas de Acompanhamento Operacional;

10. Relatórios.

Atualmente existem diversos softwares de supervisão comerciais podendo ser desta-cados os seguintes (SANTOS, 2007):

LabView da National Instruments (http://www.ni.com/). O LabView oferece um ambi-ente de desenvolvimento gráfico fácil de usar e voltado para aplicações científicas ede engenharia. Permite criar interfaces para instrumentação virtual (osciloscópios,geradores de função, etc.), sem a necessidade de gerar códigos de programação.Também apresenta um grande número de cartões para aquisição de dados de campoe facilidade para construir aplicativos em um ambiente totalmente gráfico, que po-dem ser executados em rede ou pela Internet.

InTouch da Wonderware (http://www.wonderware.com/). É composto por um conjuntode módulos de software industrial voltados ao controle de processos. O móduloIntouch fornece, através de uma interface gráfica, a visualização centralizada de to-dos os recursos de controle e informações do chão-de-fábrica. O módulo InControlé um sistema de controle de arquitetura aberta que permite projetar, criar, testar eexecutar aplicativos para controle de processos. O módulo IndustrialSQL Serveré uma base de dados relacional combinada com um sistema de controle de temporeal.

Elipse SCADA da Elipse (http://www.elipse.com.br). Apresenta funcionalidades neces-sárias para a construção do supervisório, como Interface Homem-Máquina (IHM),Open Data Base Connectivity (ODBC) que permite troca de dados com a base dedados Access, incorpora a tecnologia OLE for process control (OPC) para aqui-sição de dados de CLPs e troca de informações com outros aplicativos SCADA


em tempo real, controla e monitora todos os processos no chão-de-fábrica, permiteemitir relatórios formatados, históricos, controle de alarmes e Controle Estatísticodo Processo (CEP).

Software InTouch

O software InTouch é uma ferramenta para o desenvolvimento de sistemas de supervi-são e controle, que permite a criação e execução de aplicativos IHM e SCADA para umagrande quantidade de processos.

O software InTouch é formado por três principais componentes:

Application Manager Organiza as aplicações criadas. O painel de aplicação contém umalista de ícones para aplicações que residem naquele nó. Ele é usado para configu-rar o WindowMaker como um serviço NT, para configurar o desenvolvimento deaplicação de rede para arquiteturas baseadas no cliente e no servidor.

WindowMaker É o ambiente de desenvolvimento do software InTouch, em que gráficosorientados ao objeto são usados para criar as janelas de telas animadas, sensíveisao toque. Essas janelas podem ser conectadas a sistemas de E/S industriais e outrosaplicativos Windowsr.

WindowViewer É o ambiente de runtime usado para exibir as janelas gráficas criadasno WindowMaker. Ele realiza registro de dados históricos e relatórios, processa oregistro de alarme e o relatório, e pode atuar como um cliente e um servidor para osprotocolos de comunicação DDE e SuiteLink.

Para a implementação do sistema SCADA, módulo do sistema de detecção de vaza-mentos em dutos petrolíferos foi escolhido o software InTouch.

Foram vários os fatores que contribuíram para essa decisão:

• Possui fácil interface para a criação de janelas para a abstração do processo super-visionado;

• Utiliza a comunicação DDE para a aquisição de dados;• A Petrobrasr emprega esse software para supervisionar vários processos, podendo

então esse módulo de supervisão desenvolvido para o sistema de detecção de va-zamentos em dutos ser integrado ao sistema Petrobrasr, pois o software InTouch

basea-se em janelas.


2.3 Conclusão

Ante o exposto neste capítulo, a automação possibilita uma melhora significativa emtodos os processos existentes em uma indústria, aumentando a sua produtividade e outrosaspectos importantes.

O sistema supervisório sendo uma peça de fundamental importância nessa estrutura,deixou de ser apenas uma ferramenta operacional, contribuindo como uma valiosa fontede informação para o planejamento corporativo.

O sistema supervisório apresentado pode ser dividido em: processo físico, hardware

de controle, rede de comuicação e software de supervisção. Este deve apresentar telasque propiciem ao operador monitorar o processo e realizar ações adequadas baseadas nosdados mostrados.

Assim, o software InTouch escolhido para o desenvolvimento da proposta apresentatodas essas características e ainda é empregado na Petrobrasr em vários processos o quefacilita a sua integração posteriormente ao sistema Petrobrasr.

Capítulo 3

Rede de Comunicação

A rede de comunicação entre computadores iniciou no auge da guerra fria, onde odepartamento de defesa dos EUA queria uma rede de controle e comando capaz de so-breviver a uma guerra, então deu início a Advanced Research Projects Agency Network

(ARPANET).Posteriormente, foi criada a National Science Foundation (NSFNET) que seria aberta

a todos os grupos de pesquisa universitários.Quando a ARPANET e a NSFNET foram interconectadas, o crescimento da troca de

informações foi exponencial, ocasionando o aparecimento da internet.A internet é um imenso conjunto de diferentes redes que empregam certos protocolos

comuns e fornecem determinados serviços, onde qualquer usuário de computador pode seconectar (TANENBAUM, 1997).

O rápido progresso tecnológico visualizado no decorrer dos anos, fez com que asdiferenças entre coleta, transporte, armazenamento e processamento de informações di-minuíssem cada vez mais.

Isso aumentou a necessidade de formas de processamento desses dados de forma maissofisticada para que o usuário pudesse interpretar essas informações da melhor maneirapossível de acordo com a sua necessidade.

As aplicações industriais estão adquirindo os modelos utilizados em aplicações co-merciais para comportilhar recursos.

Elas objetivam tornar todos os programas, equipamentos e dados ao alcande de todosna rede, independente de sua localização geográfica, mas adequando esses modelos àssuas especificidades e aos graus de risco de sua atividade industrial.

O ambiente industrial necessita de certas proteções devido a ser um meio hostil, comoa existência de alto nível de ruído, a necessidade de determinismo em sua comunicaçãode dados, a segurança de informação, uma maior robustez em seus equipamentos devidoàs intempéries do ambiente.

CAPÍTULO 3. REDE DE COMUNICAÇÃO 14

A procura por meios físicos que tenham alta imunidade a interferência eletromagné-tica; a criação de regras e procedimentos para que dispositivos possam se comunicar emuma rede; a segurança da informação, para que intrusos não acessem estas e as manipulemmaliciosamente, são questões verificadas em plantas industriais.

Assim podemos destacar algumas variáveis, como:

• O tipo de sinais elétricos usados para transmitir dados;• O tipo de código usado para cada símbolo que está sendo transmitido;• O significado dos caracteres;• Taxa de transferência de dados no canal;• Como o fluxo de dados é controlado;• Como os erros são detectados e corrigidos;• Quem pode ter acesso a determinada informação.

Então pesquisas para solucionar essas questões ocasionam avanços nas tecnologias decomunicação, proporcionando a coleta de informações em plantas industriais de formamais eficiente e barata (WILLIG, 2008).

O acoplamento dessas tecnologias com redes de controle e supervisão criam ferra-mentas poderosas para o gerenciamento remoto de todo um processo (SILVA, 2008).

As regras de hardware aplicadas a interface física e as conexões são conhecidas comopadrões de interface, enquanto as regras de software aplicadas ao formato e controle dofluxo de dados e a detecção e correção de erros são geralmente chamadas de protocolosde comunicação.

Existem alguns padrões de interface bastante utilizados em aplicações industriais,como os descritos a seguir.

3.1 Padrão EIA-232

O padrão EIA-232, inicialmente chamado RS232 e posteriormente regulamentadopela Eletronic Industries Alliance, é um conjunto de normas que definem a comunica-ção serial ponto a ponto entre dispositivos.

É um padrão de interface bastante difundido para a transmissão de dados serial devidoo seu emprego em IBM PC e posteriormente em equipamentos industriais.

O padrão de interface EIA-232 consiste em três principais componentes, que defi-nem (PARK; MACKAY, 2003):


Características elétricas: Sinais elétricos, como os níveis de voltagem, as característi-cas de aterramento da troca de sinais e circuitos associados, comportamento emrelação a curto-circuito, carga máxima de capacitância;

Características mecânicas de interface: A disposição física dos conectores e a identi-ficação dos pinos, basicamente podendo ser empregado o conector DB-9;

Descrição funcional: Define a função de dados para cada circuito na interface do co-nector, a taxa de transferência, tempo e sinais de controle para a comunicação,permitindo a conexão de diversos dispositivos na mesma linha.

As principais características do padrão de interface EIA-232 são (PARK; MACKAY,2003):

• Comunicação ponto a ponto;• Adequação para comunicação serial, binária, digital;• Muitos dados de comunicação estão em código ASCII, apesar de não ser um padrão;• Comunicação assíncrona;• Comunicação full-duplex;• Sinais de Voltagem: lógico 1 : -3 a -25 V; lógico 0: +3 a +25 V;• Os sinais de voltgens são desbalanceados, sendo mais susceptível a ruído;• Distância máxima de 15m.

As principais desvantagens do padrão de interface EIA-232 quando usado para comu-nicação, aquisição e controle de dados em um ambiente industrial, são (PARK; MACKAY,2003):

• A restrição da comunicação ponto a ponto é uma limitação quando muitos instru-mentos são usados;

• A limitação da distância máxima em 15m é restritiva para aplicação em sistemas decontrole;

• A taxa de 115kbps também é muito baixa para muitas aplicações.

3.2 Padrão EIA-485

O padrão de interface EIA-485 também inicialmente chamado RS485 e posterior-mente regulamentado pela Eletronic Industries Alliance, é uma expansão do padrão EIA-422.

Ele foi desenvolvido em virtude das limitações do padrão de interface EIA-232 e foicada vez mais empregado em sistemas de aquisição e controle de dados.


O padrão de interface EIA-485 é um conjunto de normas que define a comunicaçãopor diferencial balanceada entre dispositivos, aumentando a sua imunidade ao ruído.

Da mesma forma que o padrão de interface EIA-232, o padrão de interface EIA-485consiste em três principais componentes (PARK; MACKAY, 2003):

Características elétricas: Sinais elétricos, como os níveis de voltagem, os três estadosde operação, lógico 0, lógico 1, e alta impedância, este permite que na rede apenasum dispositivo esteja ativo em cada momento;

Características mecânicas de interface: A disposição física dos conectores e a identifi-cação dos pinos não é especificada, possuindo apenas dois terminais para a conexão,podendo ser empregado o conector DB-9;

Descrição funcional: Define a taxa de transferência, não especifica como os dados serãoenviados.

As principais características do padrão de interface EIA-485 são (PARK; MACKAY,2003):

• Comunicação half-duplex;• Comunicação multiponto balanceada;• Utiliza 2 fios para a comunicação;• Permite até 32 acionadores numa mesma linha;• Permite até 32 receptores numa mesma linha;• Taxa de transfereência de até 10Mbps;• Distância máxima de 1.200m;• Resistores de terminação são necessários nos elementos extremos da rede para mi-

nimizar os efeitos de reflexão de dados devido a capacitância e indutância da linhade transmissão;

• As derivações que conectam nós intermediários ao barramento precisam ser tãocurtas quanto possível, pois uma longa derivação cria uma anomalia na impedânciado cabo, que leva a reflexões indesejadas. Por isso as topologias recomendadas sãoo barramento e Daisy Chain.

3.3 Padrão Ethernet

O padrão Ethernet foi projetado e implementado por Metcalfe e Boggs para conec-tar computadores que estavam isolados, surgindo a primeira rede local (TANENBAUM,1997).


Então o Ethernet foi padronizado pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers

(IEEE) como IEEE 802.3 em 1983, definindo o cabeamento e os sinais elétricos paraa camada física de uma rede local (TANENBAUM, 1997), bem como o formato dosquadros e os protocolos para a camada de controle de acesso ao meio.

Esse padrão é uma rede de difusão de barramento com controle descentralizado, osdispositivos conectados ao barramento podem transmitir sempre que desejarem, se doisou mais pacotes colidirem, cada dispositivo aguarda um tempo aleatório para retransmitiro seu pacote mais tarde.

As taxas de Transmissão que podem ser empregadas são:

• Ethernet - 10Mbps;• Fast Ethernet - 100Mbps;• Gigabit Ethernet - 1Gbps;• 10 Gigabit Ethernet - 10Gbps;

A estrutura original do quadro Ethernet proposta por Metcalfe e Boggs foi padroni-zado pelo comitê do IEEE, sofrendo duas alterações (VALENTIM, 2008):

• A primeira foi deixar o preâmbulo com 7 bytes e usar o último byte para delimitaro início do quadro;

• A segunda foi alterar o campo tipo para comprimento (length);

Quando este padrão foi publicado diversos fabricantes já tinham produzido software

e hardware baseado no padrão original, isso fez com que o IEEE confirmasse ambas asestruturas dos formatos.

Um protocolo de comunicação é formado por um conjunto de procedimentos, regras,que definem como se dá a comunicação entre pares que podem ser processos ou disposi-tivos de hardware numa rede de comunicação, sendo normalmente associado a pacote dedados transmitido numa interface de comunicação.

Alguns protocolos de comunicação são empregados, tentando padronizar a comuni-cação na rede de campo e de supervisão, conforme descrição a seguir.

3.4 Modelo de referência TCP/IP

O modelo de referência TCP/IP é um conjunto de protocolos utilizado para interco-nectar redes de computadores, sendo esses dois os principais protocolos.


Esse modelo foi bastante difundido com o aparecimento da internet, sendo o maisaplicado para a troca de informações entre pessoas que estão conectadas na rede mundialde computadores.

Os protocolos desse conjunto podem ser vistos como um modelo de camadas, ondecada camada fornece serviços bem definidos para a camada superior.

A camada de inter-redes desse modelo emprega o conceito de comutação de pacotesbaseada em uma camada de interligação sem conexões, que permite que os hosts enviempacotes em qualquer rede e garanta que eles trafeguem, independentemente até o seudestino (TANENBAUM, 1997).

O roteamento de pacotes e a necessidade de evitar congestionamento entre eles écrucial nessa camada para que se possa entregar pacotes em diferentes tipos de redes pelomelhor caminho possível.

O protocolo IP é o utilizado para encontrar um host numa rede de computadores,sendo este protocolo o empregado na camada de inter-redes.

Acima da camada inter-redes encontra-se a camada de transporte, cujo objetivo é per-mitir que as entidades pares dos hosts de origem e destino mantenham uma conversação,de forma confiável e econômica, fornecendo serviços à camada superior.

Os serviços disponibilizados por essa camada devem assegurar que todos os dados,se necessário fragmentados, recebidos da camada superior chegarão corretamente à outraextremidade.

O tipo de serviço que vai ser disponibilizado é definido quando a conexão é estabele-cida entre os hosts de origem e destino.

A camada de transporte sendo, portanto, uma camada fim a fim interliga a origem aodestino para que exista uma conversação.

O protocolo TCP é orientado a conexão confiável que permite a entrega de dados semerros de um fluxo de bytes em uma inter-rede não confiável, sendo este usado na camadade transporte.

3.5 Protocolo DDE

O protocolo de comunicação DDE é utilizado para troca de informações dinâmicasentre aplicações Windowsr, baseada no conceito de mensagens (SEIXAS; SZUTER,1993).

Através desse protocolo é possível a duas aplicações (um servidor e um cliente) con-versarem através de mensagens padronizadas, que permitem ao cliente obter dados a partirde um servidor.


A aplicação cliente é quem inicia o protocolo de comunicação requisitando infor-mações, equanto que a aplicação servidor recebe o pedido e disponibiliza a informaçãosolicitada.

No mecanismo de comunicação DDE as duas aplicações que realizam o processoestão conectadas pela informação que trocam entre si.

Cada cliente também pode requisitar dados de diversos servidores, onde para cada umdeles um canal de comunicação é estabelecido (SOUZA et al., 2005).

A sintaxe da função DDE para que seja estabelecida uma comunicação deve possuiros seguintes argumentos:

Aplicação − Uma expressão da cadeia, sequência de caracteres contíguos, que identificauma aplicação que possa participar numa conversação DDE.

Tópico − Uma expressão de cadeia que consiste no nome de um tópico, assunto de umaconversação de intercâmbio dinâmico de dados entre duas aplicações.

Item − Uma expressão de cadeia que consiste no nome de um item de dados, conjuntode dados específico de uma aplicação que pode ser transferido através de um canalDDE reconhecido pela aplicação.

3.6 Protocolo NMEA-0183

O protocolo NMEA-0183 foi desenvolvido pela National Marine Electronics Associ-

ation (NMEAr) com o intuito de padronizar a comunicação entre diferentes dispositivoseletrônicos navais, como o receptor GPS, sonares.

Esse protocolo em sua mensagem utiliza o conjunto de caracteres American Standard

Code for Information Interchange (ASCII) e possui um formato definido. Cada mensa-gem inicia com o caracter $ (hex 0x24) e termina com os caracteres <CR><LF> (hex0x0D 0x0A).

Os campos da mensagem são separados por vírgula, e opcionalmente a mensagempode possuir um campo de checksum, consistindo de um * (hex 0x2A) e o valor do cálculodo checksum.

O valor checksum é calculado com um OR exclusivo entre todos os caracteres exis-tente entre $ e *.

Os tipos de mensagem de entrada do protocolo NMEA-0183 são mostrados no Quadro3.1, conforme (SiRF Technology, Inc., 2008).

Os tipos de mensagem de saída do protocolo NMEA-0183 são apresentados no Qua-dro 3.2 (SiRF Technology, Inc., 2008).


Mensagem Nome Descrição100 SetSerialPort Configura a porta serial A

101 NavigationInitializationParâmetros requeridos para a inicializa-ção usando as coordenadas X/Y/Z

102 SetDGPSPORTConfigura a porta serial B para a entradado DGPS

103 Query/Rate ControlConsulta padrão da mensagem NMEAe/ou configuração da taxa de envio

104 LLANavigationInitializationParâmetros requeridos para inicializaçãousando as coordenadas Lat/Lon/Alt

105 Development Data On/OffDesenvolvimento da mensagem de dadosOn/Off

106 Select DatumSeleção do datum usado para a transfor-mação de coordenadas

Quadro 3.1: Mensagem de entrada do NMEA.

Mensagem DescriçãoGGA Tempo, a posição e dados do tipo fixoGLL Latitude, longitude, o tempo UTC da posicão fixa e o status

GSAModo de operação do GPS, satelites usados na solução da posição e va-lores DOP

GSVNúmero de GPS em visão com o número ID dos satélites, elevação, azi-mute, e valores SNR

MSS Taxa de sinal/ruido, intensidade do sinal, freqênciaRMC Tempo, a data, a posição, o curso e a velocidade dos dadosVTG Informação do curso e velocidade realtiva a terraZDA Mensagem de temporização do PPS

Quadro 3.2: Mensagem de saída do NMEA.

3.7 Protocolo Modbus

O protocolo de comunicação Modbus é utilizado para comunicação serial e foi desen-volvido pela Modiconr para permitir a comunicação entre dispositivos interligados emuma rede de campo.

Ele utiliza os meios físicos EIA-232, EIA-485, ou Ethernet, baseando-se no paradigmamestre/escravo para acessar os dados nos dispositivos (MODICON, Inc., 1996).

Neste protocolo apenas o dispositivo mestre pode iniciar uma transação, e os disposi-tivos escravos respondem enviando os dados solicitados pelo mestre.

Devido à sua versatilidade, atualmente esse protocolo é aplicado em diferentes tiposde redes como pode ser observado na Figura 3.1.


Figura 3.1: Pilha de Comunicação Modbus.Fonte: (ROZA, 2004)

Esse protocolo é bastante empregado na indústria, sendo aplicado em 40% das aplica-ções industriais, tais como CLP e instrumentos inteligentes, devido à sua fácil extensibi-lidade, suas várias funcionalides, sua fácil implementação e o seu baixo custo (SIDENGet al., 2008).

Esse protocolo pode ser utilizado em diferentes meios de transmissão, como o cabeadoquando a rede de campo possui uma distância relativa ou wireless quando os equipamen-tos de campo localizam-se em ambientes muito remotos.

Uma aplicação foi a apresentada por Roza (2004) em que ele utiliza modems wireless

sobre a infraestrutura de dados celular interligando equipamentos de campo que utilizammodbus com o supervisório localizado a grande distância.

Esses fatores contribuíram para a sua escolha devido à necessidade do sistema dedetecção de vazamento realizar o processamento de grande quantidade de informaçãolocalmente, possuindo o dispositivo de processamento quantidade de memória limitada.

O protocolo Modbus define três tipos de quadro de dados:

Quadro de solicitação É empregado quando o mestre solicita informação a algum dis-positivo;

Quadro de resposta Serve para o envio de dados solicitado pelo mestre;Quadro de resposta excepcional É utizado pelo dispositivo para informar que tipo de

erro ocorre durante a comunicação ou execução da ação especificada pela função.

Na checagem de erro, o protocolo Modbus utiliza dois tipos: a paridade que pode seropcionalmente aplicada em cada caracter do quadro; e a checagem do quadro que pode


ser o Longitudinal Redundancy Check (LRC) ou o Cyclical Redundancy Check (CRC)dependendo do modo de transmissão.

O mestre no protocolo é configurado pelo usuário para aguardar um intervalo de tempolimite pré-determinado antes de abortar a transação quando ocorrer alguma falha na co-municação.

Esse intervalo é definido para ser um tempo suficiente para qualquer escravo pararesponder normalmente.

Se o escravo detecta um erro de transmissão, a mensagem não será respondida. Oescravo não vai construir uma resposta para o mestre.

Assim, o tempo de espera irá expirar e permitir que o programa mestre lide com oerro. Uma mensagem dirigida a um dispositivo escravo que não existe também irá causarum timeout.

O protocolo Modbus possui dois modos de transmissão para a comunicação serial, oASCII e o RTU. O modo selecionado e os parâmetros da comunicação serial devem ser omesmo para todos os dispositivos em uma rede Modbus (MODICON, Inc., 1996).

3.7.1 Modo ASCII

O modo ASCII usa para a transmissão de dados em uma rede, os dados codificados emcódigo ASCII. A cada 8 bits em um quadro, esses bits são enviados como dois caracteresASCII.

A quantidade de bits por cada palavra de dados para modo ASCII é sempre igual a 10,independetente dos parâmetros de comunicação.

O formato do quadro é mostrado na Figura 3.2 e descrito nos tópicos seguintes.

Figura 3.2: Quadro de dados do modbus ASCII.

Início de Framing Esse campo da mensagem começa com um caracter ASCII : (hex0x3A);

Endereço do escravo Esse campo possui dois caracteres ASCII, que possui um range de0 à 127 (decimal) dispositivos escravos;


Função Modbus Esse campo também possui dois caracteres ASCII, onde os códigosválidos variam de 1 à 255 (decimal) indicando a função correspondente;

Dados para o escravo Esse campo pode possuir n caracteres ASCII, dependendo da so-licitação do dispositivo mestre;

Checksum Esse campo possui 2 caracteres ASCII e seu valor é encontrado pelo LRC,que calcula esse valor pelo conteúdo da mensagem, excluindo o começo e o finaldo quadro;

Fim de Framing Esse campo termina com dois caracteres ASCII CRLF (Carriage Re-

turn - Line Feed) (hex 0x0D e 0x0A).

3.7.2 Modo RTU

O modo RTU diferente do modo ASCII, não possui bytes que indiquem o ínicio e ofim do quadro para a comunicação entre o mestre e o escravo.

Para identificar o quadro do modo RTU, não deve existir transmissão de dados por umperíodo mínimo de 3,5 vezes o tamanho da palavra de dados do maior quadro, entre ocomeço e o final do quadro, conforme a Equação 3.1 (MODICON, Inc., 1996).

A principal vantagem deste modo é a sua maior densidade de caracteres, permitindouma melhor transferência de dados que o modo ASCII para a mesma taxa de transmissão.

intervalo =no de bytes× palavra×3,5

taxa de transferência(3.1)

Para o modo RTU a quantidade de bits por cada palavra de dados deve ser sempreigual a 11, independetente dos parâmetros de comunicação.

O quadro do modo RTU é apresentado na Figura 3.3 e descrito a seguir.

Figura 3.3: Quadro de dados do modbus RTU.


Endereço do escravo O campo de endereço possui 8 bits que indica de 0 à 127 (decimal)dispositivos escravos, sendo o valor 0 usado para broadcast;

Função Modbus O campo função possui 8 bits que varia de 1 à 255 (decimal), indicandoa função solicitada pelo dispositivo mestre;

Dados para o escravo O campo de dados é formado por n x 8 bits, de acordo com asolicitação do mestre;

Checksum O campo de checksum contém em seu campo 16 bits que são implementadoscomo 2 bytes. Esse cálculo é realizado pelo método CRC no conteúdo do quadro, obyte de menor ordem vem primeiro no quadro e o de maior ordem é o último byte

do quadro;

O Quadro 3.3 apresenta as principais funções do protocolo Modbus.

Função Descrição0x01H Lê o status ON/OFF de saídas discretas.0x02H Lê o status ON/OFF de entradas discretas.0x03H Lê o conteúdo de registradores de uso geral.0x04H Lê o conteúdo de registradores de entradas.0x05H Escreve na saída discreta o valor ON ou OFF.0x06H Escreve um valor em um único registrador de uso geral.0x0FH Escreve o valor ON ou OFF em múliplas saídas discretas em sequência.0x10H Escreve valores em uma sequência de registradores de uso geral.

Quadro 3.3: Funções do Modbus.

Quando ocorre alguma exceção no escravo, este monta um quadro de retorno expli-cando o que ocorreu, no campo da função os códigos do Quadro 3.3 são usados, contudoo seu bit mais significativo passa a ter seu valor igual a 1.

O campo de dados deve conter o código que motivou a exceção. Os principais códigosestão mostrados no Quadro 3.4.

Exceção Descrição0x01H Função inválida0x02H Registrador inválido0x03H Valor do dado inválido0x04H Falha do escravo0x05H Estado de espera0x06H Escravo ocupado

Quadro 3.4: Exceções do Modbus.


3.8 Mecanismo de comunicação cliente/servidor

Esse mecanismo de comunicação foi desenvolvido para aplicações distribuídas nãoparalelas, que separa clientes e servidores interligados por uma rede de comunicação.

Cada instância de um cliente pode enviar requisições de dado para algum dos ser-vidores, máquinas potentes em capacidade de entrada/saída, conectados que fornecemserviços.

Por sua vez, algum dos servidores disponíveis pode aceitar tais requisições, processá-las e retornar o resultado para o cliente. Esse mecanismo é bastante empregado na internet.

Principais vantagens desse mecanismo (KIOSKEA, 2009):

1. Recursos centralizados: o servidor está no centro da rede, pode gerir recursos co-muns a todos os utilizadores, como por exemplo uma base de dados centralizada, afim de evitar os problemas de redundância e de contradição;

2. Uma melhor segurança: porque o número de pontos de entrada que permitem oacesso aos dados é menos importante;

3. Uma administração a nível do servidor: como os clientes têm pouca importâncianeste modelo, têm menos necessidade de ser administrados;

4. Uma rede evolutiva: graças a esta arquitectura, é possível suprimir ou acrescentarclientes sem perturbar o funcionamento da rede e sem modificação essencial.

Principais desvantagens desse mecanismo:

1. Um custo elevado devido ao tecnicismo do servidor;2. Um elo fraco: o servidor é o único elo fraco da rede cliente/servidor, já que toda a

rede está estruturada ao redor dele.

3.9 Mecanismo de comunicação mestre/escravo

Em sua maioria, as redes de campo utilizam o mecanismo de comunicação mes-tre/escravo com o intuito de uma comunicação determinística.

Neste modelo as RTUs desempenham a função de estações escravas, respondendosomente às solicitações feitas pela unidade central mestre, através de um polling.

A unidade mestre é quem inicia a transação através do canal de comunicação, po-dendo endereçar uma mensagem para um único escravo ou para vários escravos ao mesmotempo. Assim, somente a estação escrava a qual a mensagem se destina deve forncecer osdados requisitados pela unidade mestre ou realizar uma ação requisitada na transação.


O tempo de transmissão de dados em redes que utilizam este padrão é determinístico,pois apesar de o canal de comunicação ser único, o início de um procedimento de co-municação é de competência exclusiva da estação mestre, implicando a inexistência decolisões no tráfego deste tipo de rede (SOUZA, 2005).

3.10 Conclusão

De acordo com o conteúdo exposto neste Capítulo, foi possível constatar as caracte-rísticas dos padrões, protocolos e mecanismos de comunicação utilizados no desenvolvi-mento da prosposta deste trabalho.

O emprego desses padrões, protocolos e mecanismos no trabalho garantem a confi-abilidade da entrega dos dados da rede de campo à rede de supervisão, possibilitando acomunicação na estrutura de um sistema superviório.

Dentre os diversos protocolos industriais existentes, o protocolo Modbus RTU apre-senta características essenciais para sistemas embarcados em DSP, como facilidade deimplementação e baixo consumo de memória, se comparado por exemplo com o proto-colo OPC. Estas características credenciam o referido protocolo para a implementação dosistema proposto.

Capítulo 4

Sistema de Detecção de Vazamentos

O transporte de fluidos por tubulações é imprescindível, pois acarreta em um menorcusto a longo prazo para o deslocamento desses, sendo esse meio de transporte utilizadoem vários ambientes, como o transporte de água para os consumidores, o transporte defluidos de poços para as refinarias, e destas para o consumidor final no caso do gás cana-lizado.

Entretanto, as tubulações com o passar do tempo sofrem as mais diversas ações in-trínsecas, bem como extrínsecas, ocasionando a deterioração das paredes do duto e con-sequentemente um vazamento.

Na indústria do petróleo os vazamentos de fluidos trazem diversos prejuízos, poisacarretam em perda do produto, e esses fluídos são bastante prejudiciais ao meio ambi-ente, ocasionando prejuízo econômico devido a perda do produto, bem como as sançõeslegais impostas pela agressão ao meio ambiente.

Com o objetivo de fornecer parâmetros de desempenho para a especificação e com-paração entre diferentes sistemas de detecção de vazamentos, a norma API 1155 propõequatro métricas de avaliação, apresentadas a seguir:

Exatidão − Capacidade de um sistema de detecção de vazamentos fornecer informações(localização e volume) exatas sobre o vazamento;

Robustez − Capacidade de um sistema de detecção de vazamentos manter o mesmo de-sempenho, independente de mudanças nas condições de operação ou de degradaçãode sensores;

Confiabilidade − Capacidade de um sistema de detecção de vazamentos evitar alarmesfalsos. É definido, usualmente, em número de alarmes falsos por unidade de tempo;

Sensibilidade − Capacidade de um sistema de detecção de vazamentos detectar o menorvazamento no menor espaço de tempo. Pode ser representada através de uma curvarelacionando a vazão através do furo com o tempo de anúncio do vazamento.

CAPÍTULO 4. SISTEMA DE DETECÇÃO DE VAZAMENTOS 28

Nas pesquisas para resolução dos problemas apresentados em transporte de óleo emdutos, foram lançadas várias técnicas que vão das estimativas estatísticas a cálculos demodelagem do sistema físico, mas devido à quantidade de variáveis que envolvem o pro-cesso, ou mais ainda a modelagem do duto estudado, a prática destes métodos podem serinviáveis ou inaplicáveis no sentido de tornarem a detecção impraticável, como:

• Alto tempo de resposta;• Detecção em grandes volumes;• Modelagem muito complexa do duto.

Esses aspectos são itens cruciais a sistemas que pretendem detectar vazamentos. Ouainda grande quantidade de alarmes falsos, que leva ao descrédito do operador quandosua apresentação, ou até mesmo o seu desligamento (SIQUEIRA, 2006).

Cada um dos métodos de detecção apresenta vantagens e desvantagens e foram im-plementados em diferentes oleodutos com níveis de êxito diferentes, dependendo do casoe a aplicabilidade do método ao caso concreto.

O nível de êxito de um método varia de acordo com a manutenção do duto, a cali-bração dos instrumentos de medição, o sistema de comunicação de dados, e o regime defuncionamento do processo no oleoduto.

O tipo de fluido escoando pela tubulação é também um fator determinante para osucesso do método de detecção.

A localização dos vazamentos de fluido (petróleo, derivados ou gás) mediante o usode sistemas de detecção de vazamentos comerciais tem tido pouco êxito em dutos do tipomultifásico, onde se escoa óleo, gás e água em um mesmo duto.

Da mesma forma, esses sistemas encontram sérias dificuldades na detecção de pe-quenos vazamentos. Além disso, devido à dificuldade de determinar as características dolíquido que flui através da tubulação, a medição de vazão fica bastante comprometida,gerando grande quantidade de alarmes falsos.

Cada técnica possui um campo de atuação, possuindo limites para sua aplicação. En-tão é necessário que se desenvolva pesquisa afim de encontrar um sistema de detecçãode vazamento que abranja um maior número de casos e não indique alarmes falsos aooperador.


4.1 Sistema de detecção de vazamentos baseado em iden-tificação de padrões

As técnicas de detecção de vazamentos baseadas na identificação de padrões partemdo princípio de que o aparecimento de uma ruptura, vazamento ou dano, dá existênciaa uma variação transiente nas condições de escoamento no duto que são diferentes doruído de escoamento do duto e do ruído hidráulico produzido por outros elementos ativosexistentes no duto (bombas, compressores, válvulas, etc).

Sistemas de detecção que empregam essas técnicas monitoram continuamente o dutopara identificar quando esses perfis acontecem e notificar o vazamento.

Vários trabalhos já foram desenvolvidos em busca dos melhores descritores para aidentificação confiável de um perfil de vazamento.

Os descritores geralmente são definidos em função da forma de onda do sinal nodomínio do tempo, da análise de suas harmônicas no domínio da freqüência (AZEVEDO,2009) , ou através de análise das componentes das transformadas wavelets (SIQUEIRA,2006), (ZHANG et al., 2006) e (AVELINO et al., 2009).

A utilização das componentes da transformada wavelets aliadas às Redes Neurais Ar-tificiais (RNAs) amplia a capacidade de generalização das situações de vazamento, pois asRNAs são bastante empregadas para identificar padrões, que podem se apresentar como:vazamentos lentos, vazamentos rápidos, vazamentos bruscos ou mesmo vazamentos depequena magnitude.

Esses tipos de vazamento são, muitas vezes, confundidos com aberturas e/ou fecha-mento de válvulas ou mesmo ligamento e desligamento de bombas presentes no escoa-mento de fluidos.

Este conflito de informação gera, na maioria dos casos, alarmes falsos para os sis-temas, portanto a capacidade de generalização das RNAs permite diferenciar tais situa-ções, identificando diferentes perfis de vazamento (AVELINO et al., 2009) e (BELSITOet al., 1998).

4.1.1 Algoritmo de detecção de vazamentos

O algoritmo de detecção de vazamentos de um sistema baseado em identificação depadrões emprega técnicas de processamento de sinal para extrair descritores que permitamidentificar um perfil de vazamento.

A extração de descritores pode ser realizada através de analisadores espectrais, paralevantamento das freqüências que compõem o sinal (HUEBLER; CRAIG, 1984), ou uti-


lizando as componentes da transformada wavelets, que propiciam a visualização de umsinal em diferentes níveis de resolução (FREITAS et al., 2004), (SIQUEIRA, 2006) e(AVELINO et al., 2009).

Em Yang & Recane (2002) não há extração de descritores: o próprio sinal, após passarpor filtros, é diretamente comparado com sinais de vazamento armazenados em um bancode dados. A correlação cruzada entre os dois sinais é utilizada como parâmetro paraidentificar o vazamento.

Com o uso das componentes da transformada wavelets para a identificação de pa-drões, os descritores extraídos da análise de um sinal do nível de resolução desejado sãoconfrontados com padrões de vazamentos para lhe determinar diferença, semelhança ourelação.

Essa comparação pode ser direta, utilizando um banco de dados que armazena perfisde vazamentos, ou indireta, utilizando uma rede neural, devido a grande capacidade degeneralização de uma rede neural e seu emprego em identificar diversos padrões, treinadacom vários perfis de vazamentos.

O resultado desse confronto é avaliado de acordo com limites de tolerância (thresholds)que, se ultrapassados, levarão o sistema de detecção de vazamentos a indicar um vaza-mento.

A definição destes limites geralmente reflete um compromisso entre a sensibilidade(capacidade do sistema detectar pequenos vazamentos em pouco tempo) e a confiabilidade(capacidade do sistema de evitar alarmes falsos) e é o principal ponto de sintonia dosistema de detecção.

Um fluxogram para um algoritmo de detecção de vazamentos empregando o que foiexplicitado nesta seção é mostrado em Alvaro et al. (2009), onde o algoritmo de detecçãoestá dividido em quatro partes distintas que são:

• Tratamento inicial do sinal de pressão capturado pelos sensores;• Cálculo das componentes da transformada wavelets;• Cálculo da saída da rede a partir das energias do último nível das componentes da

trnasformada wavelets;• E análise de vazamento pelo classificador.

4.1.2 Algoritmo de localização de vazamentos

O algoritmo de localização de vazamentos utiliza o tempo em que as frentes de ondaque se propagam através do fluido existente no duto levam para ir do ponto onde ocorre ovazamento até os sensores localizados nas extremidades do trecho do duto monitorado.


Para o sistema de detecção indicar onde existe um vazamento, o algoritmo de locali-zação emprega os tempos em que o sinal de vazamento é detectado em cada sensor, estestempos podem ser fornecidos por GPSs.

No algoritmo é utilizado uma das equações básicas da cinemática para localizar oponto onde o vazamento ocorre, conforme a Figura 4.1.

Várias incertezas associadas ao algoritmo de localização referem-se a utilização deuma mesma base de tempo para todos os relógios dos pontos que realizam o processa-mento de identificação de vazamento.

E também a consideração de que a velocidade de propagacão da onda de pressão nofluído, resultante do vazamento é a mesma em todo o duto e independe do sentido dofluxo.

Tentando minimizar essas incertezas, os pontos de processamento local são conecta-dos a receptores GPS que se encarregam de fornecer uma base de tempo sincronizada,com margem de erro de apenas 0,5 µs (ALONSO, 2009).

Isto serve para que seja realizado o cálculo do local de vazamento de forma maisacurada, visto que o GPS fornece o tempo solicitado para a unidade local indicar o tempoque é detectado o vazamento no sinal do sensor.

E quanto a determinação da velocidade da onda de pressão no fluído, a velocidadepode ser determinada através de testes na implantação do sistema e adotando um valormédio (ALONSO, 2009), ou segundo Hogseth et al. (2000) empregar instrumentaçãoultrasônica que pode ter uma precisão de até ± 0.005 m/s.

Isto deve-se porque a velocidade do som sofre uma grande dependência da pressão etemperatura do fluido.

P

Sensor 1

P

Sensor 2

Vazamento

L

x

fvttL

x )(2

1

221

x ® localização do vazamento

L ® comprimento monitorado do duto

t1 ® tempo de detecção do sensor 1

t2 ® tempo de detecção do sensor 2

vf ® velocidade de propagação da onda

de pressão no duto

Figura 4.1: Equação de Localização de Vazamentos


4.1.3 Tempo de detecção de vazamentos

Para que os algoritmos de detecção e localização de vazamentos funcionem de formaeficiente em um sistema baseado em identificação de padrões, dois tempos devem serconsiderados (COLOMBAROLI, 2008).

O primeiro tempo que deve ser examinado, é o tempo que o sinal de um vazamentono duto requer para se deslocar em frentes de onda até onde está localizado o sensor.

Esse tempo pode ser calculado conforme a Equação 4.1.

tempo =distância do ponto de vazamento do sensor

velocidade do som no fluido(4.1)

O segundo tempo a ser considerado, é o tempo requerido para a unidade central dosistema de detecção de vazamentos acessar todas as unidades remotas de campo, realizaro cálculo da localização do vazamento e apresentar essa informação ao operador na telade supervisório.

Esse tempo pode ser calculado conforme a Equação4.2.

tempo =comprimento do duto

velocidade do som no fluido+varredura+ computação (4.2)

4.2 Detecção acústica de vazamento

O aparecimento de uma ruptura, vazamento ou dano, gera ondas acústicas de baixafrequência, em forma de frentes de ondas, que se propagam através do fluido, em ambosos sentidos, sendo guiadas pelas paredes do duto.

A amplitude e a freqüência do espectro e o comportamento de atenuação são umafunção das propriedades do material da parede do duto (BASSIM; TANGRI, 1984).

Se o dano causa um vazamento súbito, a mudança rápida associada a pressão do fluidoproduz uma pressão transitória, muitas vezes referida como um sinal de ruptura.

A tecnologia acústica pode ser empregada eficientemente para detecção de vazamen-tos em dutos que transportam vários tipos de fluidos, quer sejam líquidos, gases ou mul-tifásicos, podendo ser aplicada em dutos subterrâneos ou submarinos.

Em geral, a detecção acústica de vazamentos pode fazer uso da energia de vibraçãoemitida pelo rompimento da parede do duto, ou pela energia associada com o vazamentode fluído através da ruptura no duto (LOTH et al., 2003).

O princípio de funcionamento de um sistema de detecção acústico de vazamentosbasea-se na detecção do transiente fluidodinâmico que é iniciado no momento em que


ocorre o vazamento (ALONSO, 2009).Quando ocorre uma ruptura ou falha na parede do duto, no momento em que se inicia

o vazamento, é produzido um transiente de pressão que se propaga através do fluido, emambos os sentidos, em forma de frentes de ondas.

Sensores acústicos são instalados em pontos estratégicos do duto, separados por umadistância adequada, para leitura desses sinais que permitirão identificar a ocorrência dovazamento.

Eles são colocados em quantidades e distâncias que variam de acordo com a carac-terística e configuração de cada duto, como requerimentos de sensibilidade, precisão delocalização, fontes de ruído, etc.

O tempo de propagação do transiente desde o local do vazamento até os sensoresacústicos adjacentes é medido, permitindo a rápida localização do vazamento.

Tendo conhecimento dos tempos em que a frente de onda alcança os sensores acústi-cos é possível determinar a localização do vazamento.

Em caso de ocorrências de vazamento, o tempo de detecção é um parâmetro funda-mental para minimizar a perda de produto, evitar riscos à segurança, danos ambientais,etc.

Um sistema de detecção acústico utiliza as freqüências subsônicas, região onde selocalizam as principais componentes espectrais dos sinais acústicos produzidos por vaza-mentos.

As ondas mecânicas de baixas freqüências, por encontrarem menos obstáculos, podempropagar-se facilmente através do fluido por dezenas de quilômetros. Enquanto que asondas de alta freqüência sofrem forte atenuação e não se propagam por longas distâncias(ALONSO, 2009).

A velocidade de propagação das frentes de ondas dependerá da natureza do fluidotransportado, e também de outras variáveis como pressão e temperatura.

Então vários pontos devem ser levados em consideração num sistema de detecçãoacústica, como:

• Distinguir perfis de vazamentos dos ruídos normalmente emitidos em um duto,como ruído de bombeio, ruído da turbulência da vazão, abertura e fechamento deválvulas, etc;

• Detectar perfis acústicos de vazamentos em pontos distantes de sua fonte, visto queondas sonoras são atenuadas ao se propagarem pelo duto;

• Detectar os vazamentos gerados pela lenta degradação da parede por corrosão, poisnão geram energia acústica suficiente para se propagar a longas distâncias;


• Determinar a velocidade de propagação da pressão no duto;• Determinar o momento exato em que ocorre o vazamento.

4.3 Projeto SONIC

A equipe de pesquisa do LAUT pertecente à UFRN em parceria com a Petrobrasr

desenvolve o projeto SONIC.O projeto tem por finalidade desenvolver um sistema de aplicação industrial para a

monitoração computacional de dutos de petróleo e seus derivados com o intuito de detec-tar e localizar vazamentos.

Esse sistema é baseado na identificação de padrões de pressão de vazamento utilizandotécnicas de processamento de sinais, como wavelets e redes neurais.

O sistema possui o objetivo de detectar algum vazamento na tubulação monitorada nomenor tempo possível, possibilitando o operador realizar procedimentos necessários paraminimizar os prejuízos com perda do fluído e danos ambientais.

Para a captura de sinais de pressão é empregado sensores de tecnologia acústica emcada extremidade do duto monitorado.

Esse sistema será instalado num duto pressurizado da Petrobrasr, entre o Estreito A(ETA) e o Estreito B (ETB), localizadas no município de Alto do Rodrigues− Rio Grandedo Norte, compreendendo uma tubulação a ser monitorada de 9,8 km de extensão.

Um campo de prova real como esse, possibilita conhecer vários fatores que interferemnuma tubulução de escoamento de fluidos, acarretando uma melhor otimização do sistemaproposto.

Esse campo permite avaliar a propagação dos sinais de vazamento com o intuito de:

• Estimar o espaçamento máximo a ser aplicado entre a instalação dos sensores;• Identificar padrões de acionamento e desligamento de bombas;• Identificar perfis de vazamentos;• E analisar outras variáveis importantes para um bom desempenho de um sistema de

detecção de vazamentos.

4.3.1 Arquitetura do Sistema

A idéia do sistema de detecção de vazamentos utilizada no projeto SONIC consisteem instalar dois sensores piezoresistivos em cada uma das extremidades do duto.

Esta técnica é conhecida como filtragem direcional, sendo aproveitada como um efi-ciente filtro para evitar alarmes indevidos e, permite investigar a origem do sinal.


Caso o sinal seja detectado pelos sensores mais externos, isso pode indicar aciona-mento de bombas, e ruídos vindos fora do campo de monitoração da tubulação; casocontrário, o sinal capturado ocorreu entre as estações ETA e ETB no duto monitorado.

Em cada estação há um DSP, localizado em uma RTU, coletando e, em seguida, pro-cessando através de transformada wavelets e redes neurais os dados fornecidos pelos doissensores de pressão.

Ao final do processamento, uma vez detectado algum vazamento, através da identifi-cação de padrões de vazamentos, ao longo do duto monitorado, o DSP envia, juntamentecom o horário da ocorrência do vazamento fornecido pelo GPS, um quadro ao supervisó-rio indicando o vazamento.

Esse quadro é encapsulado no protocolo Modbus RTU no DSP e enviado através darede de campo e da rede de supervisão para o supervisório.

Na rede de campo, a comunicação entre o DSP e o supervisório emprega o mecanismode comunicação mestre/escravo, sendo o primeiro o escravo e o último, o mestre. En-quanto que na rede de supervisão o mecanismo de comunicação usado é o cliente/servidor.

A interface física que o DSP utiliza para comunicar-se com o supervisório é a EIA-232. Contudo, este padrão tem uma limitação física de 30m entre os dispositivos (PARK;MACKAY, 2003).

Na estação ETB a distância entre o painel do projeto SONIC e a sala de controle é de220m. Então a saída do DSP é convertida no padrão EIA-485 (que suporta distâncias deaté 1.200m (PARK; MACKAY, 2003)).

No abrigo de automação o sinal do padrão EIA-485 é convertido em Ethernet e oquadro Modbus RTU é encapsulado no protocolo TCP/IP para que essa informação estejadisponível na rede de comunicação da Petrobrasr .

O módulo de supervisão agrupa um servidor que captura a informação disponível narede de supervisão da Petrobrasr e a disponibiliza para o supervisório.

O supervisório contendo uma abstração do duto monitorado, deve apresentar ao opera-dor essa informação de forma amigável, ativando alarme de vazamento e disponibilizandoa localização do vazamento, empregando um algoritmo de localização de vazamentos, noduto monitorado.

O superviório contém diversas telas disponibilizando informações pertinentes relaci-onadas ao processo monitorado. A arquitetura do sistema é apresentada na Figura 4.2.


Sensor 1 Sensor 2

Circuito

condicionador

DSP

Conversor

EIA232/EIA485

Conversor

EIA485/Ethernet

EIA232 (Modbus RTU)

EIA485 (Modbus RTU)

Ethernet (Modbus RTU)

Switch

Rede PETROBRAS

Sensor 1 Sensor 2

Circuito

condicionador

DSP

Conversor

EIA232/EIA485

Conversor

EIA485/Ethernet

EIA232 (Modbus RTU)

EIA485 (Modbus RTU)

Ethernet (Modbus RTU)

Switch

Rede PETROBRAS

4-20mA 4-20mA 4-20mA4-20mA

0-3V 0-3V

ETB

ETA

GPS GPS

Figura 4.2: Arquitetura do projeto SONIC

4.3.2 Sensores Acústicos

Os sensores acústicos são dispositivos versáteis que estão começando a demonstrarseu potencial comercial. Estes sensores são assim denominados, pois seu mecanismo dedetecção é através de uma onda acústica.

À medida que a onda acústica se propaga através do material, quaisquer mudanças dascaracterísticas do caminho de propagação do sinal afetam a velocidade e/ou a amplitudeda onda.

Mudanças na velocidade podem ser monitoradas pela medição da freqüência ou fase


características do sinal, podendo então ser correlacionados com a quantidade da grandezafísica mensurada.

O sensor de pressão piezoresistivo, um tipo de sensor acústico, emprega o princípiodo efeito piezoresistivo, baseado na variação de comprimento e diâmetro, e, portanto, navariação da resistência.

Esse efeito ocorre quando um fio de resistência sobre uma deformação elástica prove-niente da aplicação de uma tensão mecânica no material gerada por uma pressão (BEGAet al., 2006). Esse sensor é de alta sensibilidade, capaz de captar pequenas variações depressão.

Essa característia de capturar pequenas variações de pressão viabiliza o objetivo doprojeto que emprega a metodologia da identificação de padrões de vazamentos com atecnologia acústica, visto que no duto a onda de um perfil de vazamento viaja através doduto como frentes de onda acústica.

O sensor piezoresistivo utilizado no projeto SONIC é o PTX 7800 da Druckr, pos-suindo as seguintes características, e apresentado na Figura 4.3:

• Faixa de Pressão: 0 à 7 bar;• Sinal de Saída: 4 à 20 mA (2 fios);• Tensão de Alimentação: 9 à 30 Vdc;• Carga máxima: 50 x (tensão aplicada - 9);• Tempo de Resposta: 1ms;• Exatidão: +- 0,25 %F.E., combinado com não linearidade, histerese e repetibili-

dade;• Temperatura de operação: 40 à 100 ◦C;• Certificado INMETRO: À prova de explosão.

Figura 4.3: Sensor piezoresistivo

A isolação de Hastelloy do diafragma, a solda ao corpo de aço inoxidável 316L eo encapsulamento eletrônico fornecem uma montagem livre de manutenção, adequada


para utilização em uma vasta gama de aplicações, como instalações industriais [DRUCK2003].

Frequência de corte do sensor

Na existência de um vazamento, este provoca uma dinâmica de diversos eventos hi-dráulicos que acontecem ao mesmo tempo no duto, com possíveis componentes de todasas freqüências (AZEVEDO, 2009).

No emprego de sensores para capturar os efeitos destes eventos no comportamentoda pressão, uma parte das informações é perdida devido às características dinâmicas dosensores empregados. Em razão de limitações físicas e construtivas, os sensores nãoconseguem perceber mudanças abruptas e de curta duração na variável medida.

Em função disso, os sensores se comportam como um filtro passa-baixa, no qual ωs,denominada freqüência de corte ou limite de faixa dos sensores, representa a freqüênciamáxima captada de forma consistente pelos sensores.

A freqüência de corte define a faixa de passagem de um sensor, que representa avariedade de freqüências que um sensor consegue captar de um sinal (AZEVEDO, 2009).

Segundo Azevedo (2009) a freqüência de corte de um sensor corresponde à freqüên-cia limite a partir da qual o sensor percebe menos que 50% da energia contida em cadafreqüência do sinal real.

Esta freqüência é inversamente proporcional ao tempo de resposta do sensor, ou seja,o tempo necessário para a saída de um sensor atingir 63,2% da amplitude de um degrauaplicado na variável medida.

A saída do sensor, quando realizada uma análise no domínio da frequência, corres-ponde ao espectro de freqüências original do fenômeno hidráulico atenuado nas freqüên-cias além da freqüência de corte do sensor, Figura 4.4.

Matematicamente, isto equivale à representação freqüencial do vazamento, Figura 4.5,multiplicada pela resposta em freqüência do sensor, Figura 4.6.

Azevedo (2009) realiza uma comparação entre o tempo de resposta de diversos sen-sores de pressão. Baseado nessa análise é possível verificar que o sensor empregado noprojeto possui as melhores características.

Visto que sua frequência de corte é de 500Hz, podendo capturar uma faixa maior defrequência que pode ser utilizada para diferenciar um vazamento de outros eventos queocorrem num duto.


Figura 4.4: Espectro de freqüências na saída de um sensor de pressão ideal.Fonte: (AZEVEDO, 2009)

Figura 4.5: Representação teórica de um vazamento no domínio do tempo e da freqüência.Fonte: (AZEVEDO, 2009)

Figura 4.6: Faixa de freqüências captadas por um sensor ideal (resposta em freqüência deum sensor ideal).

Fonte: (AZEVEDO, 2009)

4.3.3 Sistema de Posicionamento Global (GPS)

O GPS é um sistema de posicionamento que utiliza 24 satélites lançados pelos EUApara proporcionar a triangulação de ondas de rádio, determinando a posição, velocidadee tempo de um receptor na superfície da terra.

O GPS é usado em cada unidade de processamento local para fornecer o tempo emque esta identificou um vazamento no sinal capturado do sensor.

Este tempo fornecido pelo GPS é utilizado no cálculo da localização do vazamentono duto monitorado, visto que o GPS fornece sincronismo de tempo, possibilitando umamelhor precisão no cálculo.

O receptor GPS usado no projeto SONIC é o ET-332 da GLOBALSATr, Figura 4.7,


que fornece o tempo solicitado encapsulado no protocolo NMEA-0183.O horário UTC possui o formato hhmmss:sss. O zero UTC corresponde à meia-noite

em Greenwich situada na longitude zero.Como o Brasil está no terceiro fuso horário a oeste de Greenwich, então é necessario

subtrair 3 horas do horário fornecido pelo GPS.Além disso, o GPS garante um desvio do horário fornecido em relação ao horário dos

satélites de, no máximo, 1µs.Para o correto funcionamento do GPS é necessário que a antena do mesmo seja insta-

lada em um local sem obstáculos, permitindo visada direta com os satélites.O GPS utiliza o protocolo NMEA-0183 e fornece as seguintes instruções: GGA, GSA,

GSV e RMC. Destas, as instruções GGA e RMC fornecem o tempo.Entretanto, a última apresenta duas vantagens: tamanho de quadro menor (facilitando

a decodificação por parte do DSP) e o campo status, que informa se o dado fornecido peloGPS é válido ou não.

A taxa de atualização padrão das mensagens GGA, GSA e RMC é de 1Hz e a mensa-gem GSV é de 5Hz. Contudo pode ser configurado o envio de mensagens do GPS.

As opções para configurar o envio de mensagens são:

• Desabilitar uma mensagem;• Modificar a taxa de atualização de uma mensagem;• E solicitar o envio de uma mensagem apenas uma vez.

Quando ligado, o GPS leva um certo tempo para fornecer informações confiáveis.Este tempo é chamado cold start e, segundo o fabricante, varia entre 1s e 42s.

Esse receptor GPS possui as seguintes características principais:

• Tensão de alimentação: 3,8 à 6,5 Vdc;• Consumo: 75 mA;• Fornece o horário a cada 1s;• Interface física: serial,utiliza o padrão TTL (0-2,85 V);• Taxa de transferência: 4.800 bps;• Suporta o protocolo NMEA-0183;• Temperatura de operação: 40 à 85 oC;• 12 canais.


Figura 4.7: GPS

4.3.4 Processador Digital de Sinais (DSP)

O DSP é um microprocessador especializado projetado especificamente para o pro-cessamento digital de sinais.

Nele podem ser embutidos algoritmos de processamento digital de sinais que reque-rem um grande número de operações matemáticas que devem ser executadas rapidamentesobre um conjunto de dados.

O DSP devido a sua característica de processamento especializado digital de sinaistem importância fundamental, pois a metodologia do projeto de analisar sinais acústicospara identificar um vazamento requer um grande processamento de sinal.

O DSP empregado no projeto é o TMS320F28335 da Texas Instrumentsr, e se ca-racteriza principalmente pelo fato da aritmética do processamento ser feita em ponto-flutuante, de acordo com o padrão IEEE-754.

Esta característica facilita a migração de algoritmos testados e simulados em um mi-crocomputador convencional.

As principais características desse DSP são mostradas a seguir:

• Velocidade de processamento: 150 Mhz;• Aritmética: ponto-flutuante;• Tamanho das instruções: 32 bits;• Comunicação serial: CAN, I2C, SCI, SPI, UART;• Linguagem de programação: C/C++ ou Assembler;• Memória RAM (externa): 256 kb;• Memória Flash: 512 kb.

O DSP é in socket, o que significa que se houver algum problema com o processador,é possível realizar a troca apenas do processador, não comprometendo o restante do kit


de desenvolvimento. Outra vantagem deste DSP é o conversor A/D interno, dispensandoo uso de um CI externo específico para esta tarefa. O kit conta ainda com uma interfaceRS232, através de um conector DB9.

4.3.5 Conversor RS232/RS485

O Conversor RS232/RS485 é um dispositivo que converte o padrão EIA-232 no pa-drão EIA-485, sendo esses padrões bastante utilizados na indústria.

O conversor usado no projeto é o FM-DC.001.004 TX/RX da Flexmediar, Figura 4.8,sendo empregado para que seja realizada a comunicação entre o DSP e o ConversorRS485/Ethernet.

Esse conversor possui as seguintes características:

• Tensão de alimentação: 12 à 24 Vdc;• Temperatura de operação: 0 à 60 oC;• Comprimento máximo do cabo RS 232: 15 m;• Comprimento máximo do cabo RS 485: 1.200 m;• Não utiliza os sinais de controle (RTS e CTS);• Opto-isolação: 2.500 V;• Taxa de transferência máxima RS232: 115.200 bps;• Taxa de transferência máxima RS485: limitado pelo RS232 em 115.200 bps.

Figura 4.8: Conversor RS232/RS485

4.3.6 Conversor RS485/Ethernet

O conversor RS485/Ethernet é um dispositivo que converte o padrão EIA-485 no pa-drão Ethernet e encapsula os dados na pilha de protocolo TCP/IP para que esses dadossejam disponibilizados numa rede de computadores.

O conversor utilizado no projeto SONIC é o ESC713 da HI tecnologiar, mostrado naFigura 4.9 possui as seguintes características:


• Tensão de alimentação: 10 à 30 Vdc;• Consumo: 50 mA máximo;• Ethernet: 10BaseT;• Taxa de transferência serial: de 150 à 115.200 bps;• Conector: DB9 macho;• Temperatura de operação: 0 à 55 oC.

O ESC713 possui dois leds de status identificados como SG (Led Verde) e SR (LedVermelho) que tem por função sinalizar várias condições operacionais de status do con-versor. Na Figura 4.9 estão as principais condições passíveis de serem indicadas pelomódulo.

Figura 4.9: Conversor RS485/Ethernet

4.3.7 Unidade Terminal Remota

O painel de monitoração ou RTU é a unidade que monitora, processa e controla asinformações dos instrumentos longe da estação central e que encaminha informações paraesta.

O painel desenvolvido visa à fornecer energia ao equipamentos, proteger os equipa-mentos devido à sensibilidade dos mesmos, processar os dados capturados pelos sensores,e enviar informações pela rede de comunicação para que sejam acessados na unidade cen-tral.

A seguir estão listados os equipamentos existentes no painel:

• Protetor contra surtos: Esse equipamento serve para proteger o painel contra des-cargas atmosféricas;

• Disjuntor: Esse equipamento serve para proteção;• DSP: Equipamento que processa as informações coletadas;


• Conversor RS232/RS485: Equipamento que converte o padrão RS232 em RS485 ecomunica o DSP ao conversor RS485/Ethernet;

• Fonte de Alimentação 24 V: Esse equipamento fornece 24 Vdc aos sensores;• Barreira de Proteção: Esse equipamento protege o sensor contra sobre tensão, e é

intrinsecamente seguro.

4.3.8 Unidade de Processamento Central

A unidade de processamento central, geralmente localizada numa sala de controle, éintegrada à rede local de supervisão para que os dados disponibilizados sejam visualiza-dos.

Nessa unidade encontra-se um aplicativo servidor responsável por rotear as requisi-ções do cliente, um software de supervisão que é o aplicativo cliente, reponsável porrequisitar dados ao servidor e apresentá-los através de uma interface amigável.

Essa unidade no projeto consiste em um micro, onde estão instalados o servidor queconverte o protocolo Modbus em protocolo DDE, e o aplicativo InTouch que consiste nosoftware de supervisão e requisita dados ao servidor, apresentando de forma amigávelesses dados e a abstração do processo de interesse.

4.4 Conclusão

Inicialmente neste capítulo foi apresentado o sistema de detecção de vazamentos base-ado em identificaçao de padrões, onde o algoritmo de detecção extrai descritores do sinalcapturado podendo ser usado transformada wavelets para isso, confrontado os mesmoscom perfis de vazamento.

O resultado dessa comparação foi avaliado de acordo com limites que indicarão ounão a existência de vazamento no duto monitorado.

Quando identificado um vazamento é possível localizar o mesmo através dos temposque os sensores localizados nas extremidades do duto sentem o sinal de vazamento.

Também foi exposta a detecção acústica de vazamentos, visto que ocorrem frentes deonda quando existe um vazamento, podendo essas serem capturadas pelos sensores nasextremidades no duto.

Foi apresentado o objetivo do projeto SONIC que usa a detecção de vazamentos ba-seado em identificação de padrões com a detecção acústica, bem como a descrição dosrespectivos equipamentos empregados na arquitetura do projeto.

Capítulo 5

Sistema Proposto

A monitoração de dutos através de sistemas computacionais visa principalmente adetecção de vazamentos, que é um fator essencial na operação de dutos de petróleo.

Este tipo de monitoração permite uma operação mais confiável e contribui para umamelhor proteção do meio ambiente.

Outro fator importante no emprego de sistemas computacionais na detecção de vaza-mento em dutos de petróleo é a maior rapidez com que essa informação é disponibilizada,fazendo com que diminua o tempo para o reparo do duto danificado.

A importância de sistemas desse tipo vem aumentando devido ao envelhecimento dainfraestrutura de dutos e à grande malha de dutos existentes no país e no mundo e suaprojeção de crescimento, visto que o transporte de fluidos por meio de dutos é um meioeconômico para o deslocamento e distribuição de fluidos.

Existe uma contínua busca de sistemas mais confiáveis que aumentem a segurança,diminuindo os riscos ao meio ambiente e não afetando a produção por fechamento dedutos devido a alarmes falsos.

Para a implementação do projeto de forma compacta foi utilizada a planta do LAMPpertencente à UFRN. Esta planta propicia a otimização do sistema devido à logística queé necessária para os testes de vazamento no duto da Petrobrasr.

O fator logística para os testes é um grande gargalo porque acarreta em deslocamentode pessoal, caminhão sugador, manifold com vários diâmetros e etc.

O LAMP possui dois tanques (um auditor e outro misturador) de armazenamento defluidos que são interligados por dutos, estes possuindo pontos de medição de pressão epontos para simular vazamento.

As características do duto monitorado são elencadas a seguir:

• A pressão do fluído no duto: 0 à 3 bar;• Diâmetro Nominal: 3";• Espessura: 5,49 mm;

CAPÍTULO 5. SISTEMA PROPOSTO 46

• Vazão: varia de 1 à 12 m3/h;• Comprimento do duto monitorado: 14,36 m.

Nesse duto foram instalados dois sensores piezoresistivos, um em cada extremidadeda região do duto monitorado para a realizaçãos dos testes.

Esses sensores de tecnologia sônica são empregados para capturar ondas de baixafreqüência, sendo essas manipuladas pelo DSP.

Esses sinais são processados localmente pelo DSP que envia através da rede de comu-nicação para o software de supervisão dados concisos, onde este mostrará informaçõespertinentes ao usuário.

A arquitetura do sistema é mostrada na Figura 5.1.Essa troca de informações entre o DSP e o supervisório através de uma rede de co-

municação e a visualização no supervisório do que está ocorrendo no duto monitorado, equando na existência de um vazamento informar na tela do supervisório a localização doponto de vazamento é a proposta deste trabalho.

A aplicação de fundamentos teóricos em um campo de prova beneficia o desenvolvi-mento tecnológico, permitindo ajustar um projeto às condições encontrada na prática.

Sensor 1 Sensor 2

Circuito

condicionador

DSPConversor

EIA232/EIA485

Conversor

EIA485/Ethernet

EIA232 (Modbus RTU) EIA485 (Modbus RTU) Ethernet (Modbus RTU)

Switch

4-20mA 4-20mA

0-3V

GPS

SUPERVISÓRIO

Figura 5.1: Arquitetura utilizada no LAMP


5.1 Modbus embarcado em DSP

O protocolo Modbus RTU, por causa de sua facilidade de implementação e o seu con-sumo de pouca memória, fator essencial devido à grande necessidade de processamentodos algoritmos de detecção de vazamentos no DSP, foi o usado neste trabalho.

Então no DSP foi embarcado o protocolo Modbus RTU, que basea-se no mecanismode comunicação mestre/escravo, para disponibilizar informações para a unidade central.

Nesse mecanismo a unidade mestre tem a competência exclusiva de iniciar a transa-ção através do canal de comunicação, podendo endereçar uma mensagem para um únicoescravo ou para vários escravos ao mesmo tempo.

Somente a estação escrava a qual a mensagem se destina deve forncecer os dadosrequisitados pela unidade mestre ou realizar uma ação requisitada na transação. Portantonesse ciclo a comunicação é determinística.

A linguagem de programação de alto nível compilada C, que facilita a criação deprogramas, utiliza o paradigma de programação procedimental, fornece um sistema detipos de dados e outras características, é a destinada a desenvolver os códigos que sãoembarcados no DSP.

Para embarcar o protocolo, foram declaradas quatro variáveis do tipo float, duas quearmazenam as pressões dos sensores piezoresistivos, e duas que armazenam os tempos,fornecidos pelo GPS, que cada sensor reagiu à mudança da pressão no duto por um vaza-mento.

Também foi declarada uma variável do tipo booleana contendo flags que indicaminformações quanto à ocorrência de um vazamento.

As seguintes funções foram implementadas no programa:

writeData Essa função é utilizada para escrever dados na porta serial;CRC16 Essa função retorna o valor calculado do CRC em relação a um quadro;float2bytes Essa função converte um tipo float em bytes e retorna este;bool2bytes Essa função converte um tipo bool em bytes e retorna este;volttobar Essa função converte volts em bar;sciaRxFifoISr Esta é uma função de interrupção de recepção de dados pela porta serial

SCI-A;scia_fifo_init Esta função inicializa uma estrutura do tipo FIFO (First In First Out) que

é usada pela porta serial SCI-A;scia_xmit Essa função é empregada para transmitir dados pela porta serial SCI-A.

No embarque do protocolo Modbus, os seguintes códigos do campo de função apre-


sentados no Quadro 5.1 foram utilizados.

Função Descrição0x03H Lê o conteúdo de registradores de uso geral.0x05H Escreve na saída discreta o valor ON ou OFF.0x06H Escreve um valor em um único registrador de uso geral.0x10H Escreve valores em uma sequência de registradores de uso geral.

Quadro 5.1: Funções utilizadas do Modbus.

E no caso de ocorrer alguma exceção, os seguintes códigos mostrados no Quadro 5.2foram empregados.

Exceção Descrição0x01H Função inválida0x02H Registrador inválido0x03H Valor do dado inválido0x05H Estado de Espera

Quadro 5.2: Exceções empregadas do Modbus.

Na implementação da função que calcula o valor do CRC para minimizar o tempogasto nesta operação, foram criadas duas tabelas de 256 bytes cada uma.

Essas tabelas contêm todas as possíveis combinações tanto para o byte de maior ordemquanto para o de menor ordem do registrador CRC. Então é realizado o cálculo do valoratravés de indexação de seus valores.

O procedimento para a geração do valor do CRC desta forma é descrito a seguir,(ALFA INSTRUMENTOS, 2000):

1. Carrega-se um registrador CRC+ com FFH e outro registrador CRC- com FFH;2. As tabelas referenciadas como tab CRC+ e tab CRC- devem estar previamente pro-

gramadas com os respectivos valores de combinação;3. Submete-se o byte da mensagem a uma lógica XOR com o conteúdo do registrador

CRC+, retornando o resultado em uma variável de 8 bits referenciada como index;4. Submete-se o valor da tab CRC+, indexada pela variável index, a uma lógica XOR

com o conteúdo do registrador CRC-, retornando o resultado no registrador CRC+;5. Carrega-se o registrador CRC- com o valor da tab CRC-, indexada pela variável

index;6. Repete-se os itens 3 à 5 até que todo o conteúdo da mensagem tenha sido analisado;7. Após este processo, os registradores CRC+ e CRC- já possuem os respectivos va-

lores a serem carregados no campo checksum do quadro.


O processo de comunicação é realizado da seguinte forma: o DSP fica esperando umasolicitação do mestre e quando é requisitado, o quadro, Quadro 5.3 ou Quadro 5.4, éarmazenado em uma variável, sendo verificado o campo do checksum do quadro, no casoo CRC.

Sendo o campo CRC correto, são verificados os campos do dispositivo e da função.Se o campo da função é de leitura, os dados de pressão dos sensores PI001 e PI002, osdados de tempos destes, e as flags são capturados e convertidos em bytes.

Após a conversão dos dados em bytes, começa a montagem do quadro, Quadro 5.5 ouQuadro 5.6 , de envio de resposta para o mestre, contendo a identificação do dispositivo, afunção, a contagem de bytes, os dados, e o CRC, sendo então disponibilizada a informaçãona rede.

Então o DSP fica aguardando uma nova solicitação do mestre para que seja refeitotodo o processo descrito.

Nome do campo Valor (hexa)Endereço do escravo 01HFunção modbus 03HEndereço inicial (+) 00HEndereço inicial (-) 00HN.◦ de registradores (+) 00HN.◦ de registradores (+) 09HChecksum caracter 1 85HChecksum caracter 2 CCH

Quadro 5.3: Exemplo de quadro de dados de leitura enviado pelo mestre.

Nome do campo Valor (hexa)Endereço do escravo 01HFunção modbus 06HEndereço inicial (+) 00HEndereço inicial (-) 00HN.◦ de registradores (+) 00HN.◦ de registradores (+) 01HChecksum caracter 1 48HChecksum caracter 2 0AH

Quadro 5.4: Exemplo de quadro de dados de escrita enviado pelo mestre.


Nome do campo Valor (hexa) Nome do campo Valor (hexa)Endereço do escravo 01H Dado do 6◦ registrador (+) 40HFunção modbus 03H Dado do 6◦ registrador (-) 20HByte Count 12H Dado do 7◦ registrador (+) 00HDado do 1◦ registrador (+) 00H Dado do 7◦ registrador (-) 00HDado do 1◦ registrador (-) 00H Dado do 8◦ registrador (+) 40HDado do 2◦ registrador (+) 3FH Dado do 8◦ registrador (-) 00HDado do 2◦ registrador (-) C0H Dado do 9◦ registrador (+) 00HDado do 3◦ registrador (+) 00H Dado do 9◦ registrador (-) 05HDado do 3◦ registrador (-) 00H Checksum caracter 1 6EHDado do 4◦ registrador (+) 3FH Checksum caracter 2 95HDado do 4◦ registrador (-) 80HDado do 5◦ registrador (+) 00HDado do 5◦ registrador (-) 00H

Quadro 5.5: Exemplo de quadro de dados de leitura enviado pelo escravo.

Nome do campo Valor (hexa)Endereço do escravo 01HFunção modbus 06HEndereço inicial (+) 00HEndereço inicial (-) 00HN.◦ de registradores (+) 00HN.◦ de registradores (+) 01HChecksum caracter 1 48HChecksum caracter 2 0AH

Quadro 5.6: Exemplo de quadro de dados de escrita enviado pelo escravo.

5.2 Aquisição do horário do GPS pelo DSP

No sincronismo da base de tempo em que os processadores locais identificam umperfil de vazamento no sinal de pressão analisado para que seja efetuada a localização domesmo no duto monitorado é usado um GPS em cada unidade local para o fornecimentode tempo.

Esses tempos fornecidos em cada extremidade servem como fatores da equação apre-sentada na Figura 4.1 para a localização do vazamento.

Para que o DSP possa solicitar ao GPS um horário foi desenvolvido rotinas em lin-guagem C e embarcadas no DSP. Também foi utilizada a segunda porta serial do DSP,interface SCI-B.

As seguintes funções foram implementadas no programa para a troca de informaçõescom o GPS:


time2second Essa função converte o horário em segundos e retorna este;scibRxFifoISr Esta é uma função de interrupção de recepção de dados pela porta serial

SCI-B;scib_fifo_init Esta função inicializa uma estrutura do tipo FIFO (First In First Out) que

é usada pela porta serial SCI-B.

O GPS emprega o protocolo NMEA-0183 para que seja realizada a sua configuraçãoe possa ser requisitado o horário disponibilizado pelos sistemas de satélites.

O GPS envia as mensagens do protocolo NMEA-0183 a cada 1s (exceto a mensa-gem GSV, que é enviada a cada 5s). A mensagem de interesse é a RMC, que possui 68caracteres.

O DSP captura as mensagens enviadas pelo GPS e a armazena em uma variável. Entãoé realizada uma busca nessa variável para saber se o campo status da mensagem RMC édo GPS é válido.

Caso a informação seja ’A’, o horário é armazenado. Caso contrário (’V’), o DSPcaptura novamente a mensagem RMC até que o campo torne-se ’A’, indicando que ainformação recebida é válida.

Sendo a mensagem RMC correta, esta é convertida em segundos do tipo float, assimé armazenada num registrador que é incrementado a partir de uma interrupção do DSP de1ms, possuindo o DSP seu próprio relógio.

A cada uma hora, o DSP captura uma nova mensagem RMC do GPS, então o horárioda mensagem RMC é armazenada no registrador do relógio existente no DSP.

Esse relógio existente no DSP melhora a exatidão no horário requerido quando ocorrealgum vazamento, visto que o GPS só fornece mensagem a cada 1s, então ocorrendovazamento no intervalo desse período a localização deste não será tão exata.

Quadro Descrição

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, ,*10

Mensagem que retornahorário do GPS

Quadro 5.7: Mensagem RMC.

5.3 Rede de Campo

A rede de campo corresponde à infraestrutura de comunicação empregada em campoe consiste na utilização do padrão EIA-232, pois este está disponível no DSP.


O cabo de comunicação empregado para esse padrão, devido ao DSP e ao conversorRS232/RS485, foi o cabo serial macho-macho com conectores DB9.

O outro padrão usado na rede de campo é o EIA-485, também bastante empregado naindústria, devido a maior distância alcançada em relação ao EIA-232.

O cabo empregado para esse padrão, devido ao conversor RS232/RS485 e o conversorRS485/Ethernet, foi um cabo com 2 fios numa extremidade que é conectada ao conversorRS232/RS485 e na outra extremidade um conector fêmea DB9 que é conectado ao outroconversor.

Esse cabo possui blindagem para proteger o sinal que transita nele de interferênciaeletromagnética e é robusto para proteger contra o ambiente hostil que ele deve ser inse-rido.

5.4 Rede de Supervisão

A rede de supervisão usada foi a infraestrutura de comunicação da LAN do LAMP,para que os dados disponibilizados nela possam ser acessados de qualquer computador,assim dois números IP fixos foram adquiridos para o experimento.

O primeiro número IP fixo serve para o conversor RS485/Ethernet disponibilizar da-dos na LAN e o segundo número IP serve para um computador capturar informaçõesexistentes na LAN através de alguns aplicativos.

Na interconexão da rede de campo com a rede de supervisão foi empregado o con-versor RS485/Ethernet. Para o acesso dos dados do conversor foi criado uma porta serialvirtual, por onde o dispositivo é configurado para a efetivação da comunicação do sistemaproposto.

5.5 Servidor-Mestre

O aplicativo Servidor-Mestre utiliza o mecanismo de comunicação mestre/escravo,onde o mestre é quem indica qual escravo poderá utilizar os recursos da comunicaçãopara enviar os dados ao mestre dentro de uma janela de tempo determinada por este.

E do mecanismo de comunicação cliente/servidor, bastante utilizado para aplicaçõesdistribuídas, onde um processo servidor está sempre a espera de comunicação para dispo-nibilizar os seus recursos e o processo cliente tem a iniciativa de começar a comunicaçãoquando este deseja algum serviço.


Dois aplicativos foram utilizados e comparados para serem empregados no sistema, oaplicativo KEPServerEXr e o aplicativo MODBUS da Wonderwarer.

Esses aplicativos possuem como suas funcionalidades a possibilidade de conversão doprotocolo Modbus RTU propício para o primeiro mecanismo em protocolo DDE, propíciopara o segundo mecanismo, servindo assim bem para o objetivo do trabalho.

No primeiro mecanismo de comunicação, o aplicativo funciona como mestre solici-tando informações ao escravo, no caso o dispositivo DSP.

No segundo mecanismo de comunicação, o aplicativo funciona como um servidor,disponibilizando informações adquiridas no DSP quando solicitado para o aplicativo cli-ente.

Para que os dados enviados pelo DSP sejam capturados de forma consistente, onde osmesmos estão encapsulados no protocolo Modbus RTU, o mestre deve respeitar o inter-valo de tempo de solicitação de dados definido na Equação 3.1, esta equação é normativapara o protocolo Modbus RTU.

Um exemplo de como é feito este cálculo: o número de bytes enviados pelo DSP são23, a palavra de dados corresponde a 11 bits, e a taxa de trasferência é 19.200 bps. Entãoo intervalo de tempo deve ser maior ou igual a 46 ms, conforme a Equação 5.1.

O menor intervalo de tempo fonecido pelo aplicativo KEPServerEXr como pelo apli-cativo MODBUS da Wonderwarer para a realização do mecanismo de polling é de 50ms,podendo o intervalo ser incrementado de 10ms.

intervalo de polling >=23×11×3,5

19.200= 46ms (5.1)

5.6 Software de Supervisão

Um supervisório deve coletar informações de variáveis associadas ao processo moni-torado e apresentá-las ao usuário de forma amigável, devendo possuir requisitos para asua utilização devido à segurança de informação e ao risco inerente associado a processosindustriais.

Essa ferramenta de supervisão possui fundamental importância na estrutura de umaindústria, deixando de ser apenas uma ferramenta operacional, passando a ser uma valiosafonte de informação para o planejamento corporativo de uma indústria.

O software InTouch é a ferramenta empregada para o desenvolvimento do supervisó-rio, que fornece uma interface gráfica.

Essa interface gráfica permite a criação e execução de aplicativos IHM que rodam nosistema opracional Windowsr, possibilitando a geração de telas para a visualização de


informações pertinentes para a monitoração de algum processo.Um fator importante para o seu uso é que a Petrobrasr possui esse softawre para su-

pervisionar diversos processos, sendo possível integrar facilmente o sistema de detecçãode vazamentos proposto ao sistema Petrobrasr.

O supervisório é estruturado em uma série de telas e janelas. Telas e janelas são com-postas de objetos que representam abstratamente o duto monitorado e os equipamentosque proporcionam a captura de dados, bem como informações de todo o sistema desen-volvido.

Para o sistema de detecção de vazamentos, o supervisório deve disponibilizar infor-mações que facilitem o manuseio do operador e propiciem um rápido procedimento paraminimizar os prejuizos que um vazamento acarreta no derramamento de fluidos.

Essas informações são coletadas pelo supervisório através do protocolo DDE do apli-cativo Servidor-Mestre, onde é configurada no superviório a sintaxe da função DDE parao recebimento desses dados.

O supervisório deve também armazenar essas informações para que sejam utilizadaspara o diagnóstico de falhas e ter um histórico do duto monitorado.

A Figura 5.2 expõe a abertura do supervisório do sistema de detecção acústico devazamentos, onde o usuário deve ser cadastro no banco de dados para poder utilizar a telaprincipal.

A segurança de acesso à informação é crucial devido ao risco inerente existente emprocessos industriais, principalmente relacionados a indústria do petróleo cujo danos po-dem ser catastróficos.

Sendo válido o acesso do usuário, a tela principal, que contêm a abstração da partedo LAMP utilizada no experimento para a aquisição de dados e testes, é apresenta comopode ser observado na Figura 5.3. Os itens numerados são descritos a seguir.

1. Esse ícone serve para o usuário visualizar os status de comunicação e as caractéris-ticas do duto monitorado;

2. Esse ícone quando pressionado dispõe o sumário de alarmes;3. Esse ícone apresenta o histórico de eventos que ocorrem no supervisório;4. Esse ícone mostra o histórico das pressões capturadas;5. Esse ícone serve para o usuário sair do supervisório;6. Esse ícone apresenta a data;7. Esse ícone apresenta o horário;8. Esse ícone mostra o valor do sensor;9. Esse ícone dispõe o gráfico em tempo real da pressão medida pelo sensor


Figura 5.2: Abertura do Supervisório.

Figura 5.3: Tela da planta do LAMP.


O supervisório fica rodando em background uma rotina para a cada 10ms apresentarinformações ao usuário do duto monitorado, se o mesmo está em condições normais deoperação ou se existe algo anômalo na tubulação.

Dentro da rotina, se os dois sensores capturarem algum sinal de vazamneto, e noprocessamento do DSP isso é informado ao supervisório, então é realizado o cálculo (di-vidindo o duto ao meio) para indicar a localização do mesmo e a qual sensor o vazamentoestá mais próximo, dentro dessa rotina existente no supervisório.

Quando o operador reconhece o vazamento, no sumário de alarmes, um novo vaza-mento será indicado no supervisório quando ocorrer uma variação de 10% sobre a últimadistância do vazamento dentro do intervalo do duto dividido.

Se apenas um dos sensores capturou algum sinal anômalo e o DSP disponibiliza essainformação ao supervisório, isso é apresentado na tela principal do supervisório com umalerta (cor amarela) especificando qual dos sensores o capturou, devendo ser reconhecidopelo operador para que este alerta desapareça da tela do operador.

O supervisório também armazena todos os eventos que ocorrem quando um operadorutilizou o sistema, possibilitando realizar uma auditoria nessas informações para verificarse o operador está reconhecendo os alarmes quando estes ocorrem, bem como pode possi-bilitar uma análise para a realização de manutenção na tubulação monitorada se estiveremocorrendo muitos alarmes no duto monitorado.

5.7 Resultados

Para validar o módulo de supervisão proposto, diversos testes foram realizados paraque o sistema possa funcionar da forma mais eficiente.

Inicialmente, foram realizados testes para averiguar a robustez na infraestrutura fí-sica do sistema proposto, então alguns quadros foram montados disponibilizando essasinformações.

O DSP realiza todo o processamento localmente, e envia para o supervisório somenteinformações pertinentes encapsuladas no protocolo Modbus RTU, reduzindo o tráfegopela rede de comunicação.

Uma maneira de verificar o polling efetuado pelos aplicativos, foi realizar os testesquando a LAN tinha uma grande demanda de utilização e quando a LAN tinha poucademanda.

Então era fixado um polling para a solicitação do mestre ao escravo, e verificado noosciloscópio se o polling era condizente com a informação do fabricante.

Para esses testes foram empregadas a Equação 5.1 e outras equações, como:


taxa de perdas =no de quadros enviados pelo mestreno de quadros recebidos pelo mestre

(5.2)

taxa de erro =no de bits de quadro enviado - no de bits de quadro recebido

total de bits(5.3)

Nesses testes foram utilizados 200 (duzentas) amostras para a taxa de perdas de dadosquando o mestre solicita informações ao escravo. E 253 (duzentos e cinquenta e três) bits

para a taxa de erro que correspondem ao quadro de solicitação enviado pelo mestre.A máxima taxa de transferência possível que o aplicativo KEPServerEXr suporta

é de 19.200 bps, limitando assim a taxa de dados que podem ser enviados do DSP aosupervisório.

Analisando os Quadros 5.8 e 5.9 pode ser verificado que, nos testes efetuados, nãoocorrem perdas, ou seja, todos os quadros de solicitação do mestre tem um quadro dedados de retorno do dispositivo escravo.

Com relação a erros na mensagem, da mesma forma que não aconteceu perda de dadosquando o mestre solicita informações ao escravo, não ocorreu erro nos bits do quadro.

Isso demonstra que a infraestrutura é robusta com relação ao dados transmitidos entrea rede de campo e a rede de supervisão, não sofrendo interfereência em todo o percursodo cabeamento empregado.

Analisando o desempenho com relação à existência de delay, foi empregado os doisaplicativos, o KEPServerEXr e o MODBUS da Wonderwarer.

Pode-se verificar a existência de muita variação no polling executado pelos dois apli-cativos quando a LAN é bastante requisitada, tanto para uma taxa de transferência dedados de 9600bps quanto para uma taxa de transferência de 19.200kps.

Quando a LAN possui pouca demanda, pode-se verificar através do Quadro 5.9 que opolling realizado pelos aplicativos varia menos, mas mesmo assim, não é em alguns casoscondizente com o que é explicitado pelos fabricantes.

Essas variações nos polling podem ser ocasionados por vários motivos:

1. O sistema operacional utilizado não é aplicável para sistemas em tempo real;2. Os protocolos TCP/IP não são determinísticos, então existindo demanda variável

na LAN pode originar essa variação na execução do polling;3. A implementação desses aplicativos industriais pode conter erro;4. Entre outros.


Polling (ms) Perdas (%) Erro (%) KEP Delay (ms) MODBUS Delay (ms)100 0 0 varia de 72 a 110 125150 0 0 varia de 78 a 156 varia de 145 a 192200 0 0 varia de 202 a 240 varia de 245 a 376250 0 0 varia de 50 a 320 varia de 246 a 333300 0 0 varia de 99 a 508 312350 0 0 varia de 357 a 405 375400 0 0 varia de 85 a 608 438450 0 0 varia de 193 a 700 500500 0 0 varia de 50 a 625 500550 0 0 varia de 492 a 565 562600 0 0 varia de 605 a 615 625650 0 0 varia de 645 a 665 687

1000 0 0 varia de 995 a 1015 varia de 1000 a 1046

Quadro 5.8: Quadro de dados para taxa de transferência de 9.600bps e polling >= 92ms.

Polling (ms)Perdas (%)Erro (%) KEP Delay (ms) MODBUS Delay (ms)muita pouca muita pouca

50 0 0 62 62 62,5 62100 0 0 varia de 109 a 110 62 125 60150 0 0 varia de 140 a 156 108 varia de 130 a 191 125200 0 0 varia de 195 a 230 156 varia de 250 a 373 187250 0 0 varia de 205 a 270 204 varia de 250 a 291 250300 0 0 varia de 302 a 323 250 312 250350 0 0 varia de 352 a 417 312 375 312400 0 0 varia de 383 a 422 360 437 375450 0 0 varia de 440 a 465 406 500 436500 0 0 varia de 460 a 535 500 500 500550 0 0 varia de 555 a 570 562 562 562600 0 0 varia de 595 a 630 610 625 624

1000 0 0 varia de 990 a 1005 1000 1000 1000

Quadro 5.9: Quadro de dados para taxa de transferência de 19.200bps e polling >=46ms.

Nesse teste, foi empregado um gerador de sinais, este gerando algumas ondas senoi-dais de diferentes frequências, que são capturadas pelo DSP e enviadas para o supervisórioem diferentes taxas de polling.

Isso serve para ser verificada a consistência da reconstrução do sinal capturado peloDSP e apresentado no supervisório, como pode ser verificado no Quadro 5.10.

Realizando uma análise do Quadro 5.10, pode-se verificar que o supervisório deveapresentar pontos de um sinal que seja praticamente constante ou que sua frequência seja


muito maior que o polling do mecanismo de comunicação para que sua visualização sejaconsistente.

Visto que o polling funciona como uma taxa de amostragem do sinal e no sistemaproposto o processamento das informações contidas no sinal é realizado localmente peloDSP, este enviando poucos dados para o supervisório.

Polling (ms) 2 Hz 10 Hz 100 Hz50 bom mau mau

100 bom mau mau150 mau mau mau200 mau mau mau250 mau mau mau

Quadro 5.10: Quadro de dados para diferentes ondas senoidais.

Nesse ponto vamos realizar alguns comentários em relação ao tempo de detecção dovazamento e ao tempo que o supervisório informa o mesmo ao operador.

Para o comprimento monitorado do duto do LAMP que possui 14,36 metros, o piorcaso para que o sinal do vazamento seja capturado por um sensor é se o vazamento ocorrerna outra extremidade.

No primeiro caso, vamos empregar uma velocidade do som no fluido de 980 m/s deacordo com COLOMBAROLI (2008), então nesse exemplo tempo é de:

tempo =14,36980

= 14,65ms

Para o segundo caso, foi empregado uma velocidade de 1.800 m/s, assim o tempo dedetecção é:

tempo =14,361.800

= 7,98ms

Para um terceiro caso, quando o comprimento do duto é de 9.800 metros e a veloci-dade é de 980 m/s, o tempo é de:

tempo =9.800980

= 10s

E para um quarto caso, quando o comprimento do duto é de 9.800 metros e a veloci-dade é de 1.800 m/s, o tempo é de:

tempo =9.8001.800

= 5,44s


Verificando os casos apresentados acima, percebe-se que quanto mais denso for ofluido que escoa pelo duto monitorado mais rápido é a captura de um sinal de vazamentopelo sensor.

Para o tempo que o sistema informe ao operador da ocorrência do vazamento, paraque este realize os procedimentos para sanar o vazamento, então da Equação 4.2 pode serutilizado os tempos de varredura verificados no Quadro 5.9.

Na proposta é utilizado um polling de 62ms, visto que nos testes realizados o tempoque o DSP usa para a transmissão de dados é de 12ms para uma taxa de 19.200bps epara computar todo o processamento do DSP é de 14ms, e o tempo de computação dosupervisório no pior caso é de 10ms.

No primeiro caso o tempo que o operador recebe a informação é de 86,65ms; nosegundo caso esse tempo é de 79,98ms; no terceiro caso o tempo é de 10,72s e no quartocaso o tempo é de 6,16s.

Observando esses resultados, verifica-se que o gargalo no tempo que o operador re-cebe a informação do vazamento no comprimento do duto do LAMP é o tempo de varre-dura.

Já num duto com dimensão de comprimento bem maior, o que na realidade industrialé vivenciado, o gargalo é o comprimento e o tipo de fluido escoado pelo duto.

A resposta rápida para informar ao operador do vazamento, minimiza bastante os pre-juízos provocados pelo vazamento, segundo COLOMBAROLI (2008) o custo no Brasilde um vazamento é de R$ 150.000,00 por metro cúbico.

Neste experimento, foi simulado um vazamento detectado pelo DSP. Este envia ostempos de seu relógio, tempo001 igual a 53.760,797s e o tempo002 igual a 53.760,801s,e os respectivos flags ativados indicando a ocorrência do vazamento.

Então o supervisório realizando uma rotina calcula, empregando o comprimento doduto monitorado, a velocidade do som de 1.800m/s e os tempos que cada sensor em suaextremidade capturaram um perfil de vazamento, a localização do vazamento simuladoque foi igual a 3,66m especificando que o vazamento está mais próximo do PI001, comoestá exposto na Figura 5.4.

No teste posterior, o tempo001 foi igual a 57.815,406s e o tempo002 foi igual a57.815,398s, com os flags ativos, indicando existência do vazamento.

O supervisório solicita essas informações ao servidor e empregando a equação mate-mática, realiza o cálculo para a localização do vazamento.

Assim, apresentando que o vazamento está a 0,15m do PI002, possibilitando um me-lhor referencial de qual extremidade do duto monitorado o vazamento está mais próximo,como pode ser observado na Figura 5.5.


Figura 5.4: Simulação de Vazamento do primeiro teste.

Figura 5.5: Simulação de Vazamento do segundo teste.


No último teste foi empregada a planta do LAMP. O DSP coleta as informações dossensores, processa, e repassa o que for útil para a rede de comunicação.

Na Figura 5.6 pode ser observado o gráfico em tempo real da pressão capturada pelosensor PI001, no funcionamento da planta do LAMP, e na abertura de válvula simulandoum vazamento, primeiro um vazamento rápido e segundo um vazamento lento.

Figura 5.6: Gráfico em tempo real do sensor PI001.

5.8 Conclusão

Neste capítulo foi descrita a proposta do trabalho para a monitoração computacionalde dutos através de um sistema de detecção de vazamentos.

Foram abordados os protocolos de comunicação utilizados, a infraestrutura física em-pregada, bem como a configuração do sistema para o funcionamento da proposta.

Por último, foram apresentados os testes realizados para validar a proposta. Os resulta-dos obtidos nos testes desenvolvidos foram analisados, mostrando a operação do sistema,bem como foram apresentados as telas do supervisório, a infraestrutura de comunicaçãoe as sinalizações de vazamento.

Capítulo 6

Conclusão

Neste capítulo é apresentada uma apreciação final sobre os resultados obtidos com estetrabalho de Dissertação, bem como futuros trabalhos de pesquisa que podem ser geradose continuados a partir deste.

6.1 Considerações finais

Neste trabalho foi apresentada uma contribuição para o estudo e a implantação deum sistema de detecção de vazamentos em dutos de petróleo. Foi gerado um protótipo,envolvendo conhecimento de diversas áreas das engenharias, em especial da engenhariade computação e de petróleo.

Dentre as áreas de conhecimento aqui envolvidas, podemos destacar: automação in-dustrial, instrumentação industrial (em especial sensores piezoresistivo), rede industrial,mecânica dos fluidos.

A rapidez com que um vazamento é informado ao operador é crucial para minimi-zar os danos provocados por fluidos, e nos testes realizados esse tempo de resposta dainfraestrutura de comunicação foi verificado.

Uma contribuição deste trabalho é o menor tempo que será levado quando for acres-centado mais RTUs ao sistema, visto que a captura de dados é realizada em paralelo, nãosendo visitado uma RTU por vez.

Outra contribuição é o embarque do protocolo Modbus em DSP, sendo todo o pro-cessamento realizado localmente para a detecção de vazamentos. A quantidade de dadosenviados pela rede de comunicação é bastante reduzida, não aumentando a latência narede de supervisão.

E também a integração do GPS ao DSP, através da decodificação do protocolo NMEA-0183 no DSP, para o fornecimento do horário para a localização de algum vazamento noduto monitorado.

CAPÍTULO 6. CONCLUSÃO 64

Este trabalho também propicia indicar a qual sensor o vazamento está mais próximo,indicando a sua distância do sensor.

Obviamente que esse módulo, merece aprimoramentos e estudos mais aprofundadossão bem vindos, pois a interconexão de todos os componentes do projeto SONIC po-dem propiciar uma ferramenta de aplicação industrial para monitoramento contínuo dedutos, uma necessidade para grande dimensão de dutos petrolíferos existentes no país eno mundo.

6.2 Trabalhos futuros

No transcorrer do desenvolvimento deste trabalho tornou-se claro que alguns estudospodem ser realizados, como por exemplo:

• A utilização do padrão CAN disponibilizado no DSP, retirando o conversor RS232/485do intermédio da comunicação, facilitando o diagnóstico de falha na infra-estruturade comunicação;

• Utilizar o módulo de supervisão para monitorar diversas estações de processamentolocal numa faixa contínua de duto;

• Realizar um estudo para definir a velocidade do som em diversos fluidos permitindomelhorar a precisão da localização do vazamento;

• Realizar experimentos num duto industrial onde diversos fatores influenciam nosinal de pressão do fluido.

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