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IBP1568_06

______________________________ 1 Mestre, Engenheiro de Computao - UFRN 2 Doutor, Engenheiro Eletricista - UFRN 3 Mestre, Engenheiro de Computao - UFRN 4 Doutor, Engenheiro Eletricista - UFRN 5 Engenheiro de Computao - UFRN

SISAL UM SISTEMA SUPERVISRIO PARA ELEVAO ARTIFICIAL DE PETRLEO

Rodrigo B. Souza 1, Adelardo A. D. Medeiros 2, Joo M. A. Nascimento 3, Andr L. Maitelli 4 , Heitor P. Gomes 5

Copyright 2006, Instituto Brasileiro de Petrleo e Gs - IBP Este Trabalho Tcnico foi preparado para apresentao na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006, realizada no perodo de 11 a 14 de setembro de 2006, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Tcnico foi selecionado para apresentao pelo Comit Tcnico do evento, seguindo as informaes contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O contedo do Trabalho Tcnico, como apresentado, no foi revisado pelo IBP. Os organizadores no iro traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, no necessariamente reflete as opinies do Instituto Brasileiro de Petrleo e Gs, seus Associados e Representantes. de conhecimento e aprovao do(s) autor(es) que este Trabalho Tcnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006. Resumo A necessidade de gerenciar a elevao artificial de petrleo torna essencial a obteno de informaes sobre o processo. Neste sentido, uma das dificuldades encontradas para centralizar as informaes o fato de cada mtodo de elevao ter suas prprias variveis a serem monitoradas. Assim, devido s peculiaridades de cada processo controlado e seus sinais monitorados, vrias empresas de automao tm desenvolvido controladores especficos, cada um com seu prprio protocolo de comunicao. Todavia, as informaes de todos os processos so primordiais para o controle da produo de petrleo. Em um caso ideal, todas as informaes devem estar disponveis em um nico software de superviso. Este artigo apresenta um sistema supervisrio capaz de coletar dados dos processos e entreg-los ao sistema de gerenciamento, independentemente da tcnica de elevao artificial sendo utilizada e dos controladores e dispositivos de conexo com os poos. Abstract

The need to manage the oil artificial lift creates a strong demand for process information. One of the difficulties to centralize the information is the fact that each oil artificial lift method has its own variables to be monitored. Besides, because of the particularities of each controlled process and their monitored signals, several automation companies have developed specific controllers, each one using a different communication protocol. However, information from all processes is essential to the control of oil production. In an ideal situation, all information is available in one single supervisory software. This work presents a supervisory system able to collect process data and to deliver information to management systems, independently of the artificial lift method of the wells and of their control and connection devices. 1. Introduo

Os sistemas de superviso, tambm conhecidos como SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) conforme citado por Melendez et al. (2001), devem ser capazes de adquirir as informaes do processo e torn-la disponveis para os usurios do sistema, de acordo com Pereira e Pardi (2003). Um sistema SCADA tambm pode executar tarefas de controle em nvel de superviso, atuando diretamente no processo com um certo nvel de inteligncia, como descrito por Ozdemir e Karacor (2002).

Um sistema supervisrio em um ambiente industrial automatizado, segundo Daneels e Salter (1999), essencialmente composto por 4 elementos: processo fsico, hardware de controle, software de superviso e rede de comunicao. O processo fsico tratado neste trabalho a produo de petrleo em um poo atravs de qualquer

Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006

mtodo de elevao artificial, tais como gas-lift, BCP (Bombeio por Cavidades Progressivas), BM (Bombeio Mecnico) e outros observados por Thomas (2001). A especializao cada vez maior das empresas de automao em cada um desses mtodos de elevao vem proporcionando uma presena acentuada de mltiplos fornecedores no campo de produo. Existe, no mercado de automao industrial, uma tendncia de centralizar as solues em hardware de controle e software de superviso. Este fato vem fazendo com que sejam utilizados diversos softwares de superviso monitorando processos fsicos que se diferenciam somente pelo mtodo de elevao utilizado e, portanto, dificultando a centralizao de informaes.

O hardware responsvel pelo controle do processo composto basicamente por sensores, atuadores e controladores. Um controlador tem a importante funo de manter o sistema em funcionamento e estvel. Alm disso, deve tambm fornecer, como um aparelho digital que utiliza memria programvel, uma interface fsica para acessar os dados do processo. Geralmente, os controladores utilizados na elevao artificial de petrleo so dedicados, pois utilizam tcnicas de controle bem definidas e normalmente bastante difundidas.

O software de superviso, muitas vezes chamado simplesmente de supervisrio, deve acessar os dispositivos de campo a fim de obter acesso aos dados do processo. Esses dados devem ser tratados, transformando-se assim em informaes teis. A distribuio das informaes pode ser feita atravs de uma exibio grfica do estado de operao de um poo para o usurio do software, por exemplo. Outra atividade importante exercida pelo software supervisor o fornecimento de dados para os softwares de informaes gerenciais das indstrias como, por exemplo, as informaes de produo de um poo em atividade.

A rede de comunicao responsvel pelo trfego de informaes e utilizada pelo software de superviso durante aquisio dos dados do processo. Geralmente, constitui-se de duas sub-redes denominadas rede de campo e rede local de superviso. Em sua maioria, as redes de campo utilizam uma arquitetura mestre/escravo. Neste tipo de rede, os controladores que desempenham a funo das estaes escravas jamais iniciam a comunicao, respondendo somente s solicitaes feitas pelo controlador mestre. As redes locais utilizam a arquitetura cliente/servidor, como observado por Bucci et al. (2003) e Zhi et al. (2000). Existem alguns protocolos de comunicao criados para tentar padronizar a comunicao na rede de campo, tais como modbus e profibus, observados em MODBUS (2003) e PROFIBUS (2002), respectivamente. Apesar disso, muitos fabricantes de controladores utilizam solues proprietrias para comunicao com seus equipamentos. Essa diversidade de protocolos, unida diversidade de mtodos de elevao existentes, dificulta ainda mais a centralizao das informaes dos processos de elevao artificial.

A Figura 1 ilustra um ambiente de superviso de dois poos automatizados com Gas-lift e Bombeio Mecnico por dois fabricantes distintos de controladores (C1 and C2).

Como conseqncia da automao da elevao observada na Figura 1, normalmente seria necessria a

utilizao de diferentes softwares para superviso dos poos, como observado na Figura 2.

SCADA

C2C1

C1 C2

SCADASCADA

C2C2C1C1

C1C1 C2C2

Figura 1. Superviso de Poos

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SCADA SOFTWARE 1

SCADA SOFTWARE 2

SCADA

USURIOS PROCESSO

SCADA SOFTWARE 1SCADA SOFTWARE 1

SCADA SOFTWARE 2SCADA SOFTWARE 2

SCADA

USURIOSUSURIOS PROCESSO

Figura 2. Ambiente de automao com processos diferentes

2. SISAL: Sistema Supervisrio para Automao da Elevao O SISAL um sistema de superviso desenvolvido numa parceria entre a Petrobrs (UN-RNCE) e a UFRN para monitorar poos de petrleo automatizados com diferentes mtodos de elevao. Atualmente o SISAL est em fase de testes e faz o monitoramento de dois poos na regio de Mossor-RN automatizados com bombeio mecnico. 2.1. Arquitetura do Sistema Esta seo mostra o modelo conceitual utilizado para implementar o supervisrio. O SISAL composto de trs aplicaes: cliente, servidor e mestre. A Figura 3 ilustra essa arquitetura.

Cliente

Cliente

Cliente

Mestre

Gas-Lift

Gas-Lift

Gas-Lift

Mestre

Bomb. Mec.

Bomb. Mec.

Bomb. Mec.

Mestre

Plung. Lift

Plung. Lift

Plung. Lift

BD

Rede Local Rede de Campo

Servidor..................

............

......

Cliente

Cliente

Cliente

Mestre

Gas-Lift

Gas-Lift

Gas-Lift

Mestre

Bomb. Mec.

Bomb. Mec.

Bomb. Mec.

Mestre

Plung. Lift

Plung. Lift

Plung. Lift

BD

Rede Local Rede de Campo

Servidor..................

............

......

Figura 3. Arquitetura do SISAL

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A aplicao cliente responsvel por transmitir, atravs de uma interface grfica amigvel, as informaes dos poos para os usurios do SISAL. Os clientes se comunicam com o servidor utilizando a rede local de superviso, normalmente uma LAN (Local rea Network), como observado por Tanenbaum (1997). O aplicativo servidor deve rotear as requisies dos clientes para um dos mestres de comunicao. Esse mestre deve ser aquele que esteja conectado ao poo cuja informao se est solicitando. Para saber qual o mestre, o servidor consulta uma base de dados (BD) com o mapeamento entre os mestres e os poos. Alm disso, o BD ainda armazena informaes estticas do poo, tais como seu nome, campo de produo, mtodo de elevao, etc. A aplicao mestre dedicada ao controlador, pois para traduzir um pedido de informaes de alto nvel dos clientes para um acesso a determinada regio de memria do controlador necessrio que o mestre conhea todas as peculiaridades do hardware de controle sendo acessado. Por exemplo, se um usurio necessita da informao da presso de fluxo no fundo do poo, far uma requisio ao servidor que a transmitir para o devido mestre. Essa requisio chegar ao mestre que dever, atravs do protocolo de comunicao utilizado pelo controlador do poo, fazer a leitura da regio de memria correspondente no controlador. Como geralmente os controladores so dedicados aos mtodos de elevao, teremos tambm os mestres diretamente vinculados aos mtodos de elevao. Todavia, a arquitetura do SISAL no impe restries utilizao de um mestre com poos automatizados por diferentes mtodos de elevao. Essa arquitetura do SISAL faz com que seja possvel monitorar poos de diferentes mtodos de elevao utilizando um nico software de superviso. Esta situao, em contraposio observada na Figura 2, ilustrada pela Figura 4.

SISAL

SCADA

USURIOS PROCESSO

SISAL

SCADA

USURIOS PROCESSO

Figura 4. Ambiente de automao com o SISAL

2.1. Software de Superviso Executando as atividades de integrao entre os clientes e os poos, conforme observado na descrio da arquitetura do SISAL, o servidor e os mestres so aplicativos com funcionamento transparente para os usurios do sistema. O aplicativo cliente responsvel pela interao dos usurios com o SISAL. O cliente SISAL apresenta as seguintes caractersticas:

Autenticao de usurios: somente usurios autorizados podem entrar no SISAL e acessar informaes dos poos supervisionados mediante senha criptografada.

Controle de permisses: mesmo tendo acesso ao SISAL, um usurio s pode executar as atividades cujas permisses foram concedidas por um administrador.

Resumo de informaes dos poos: listagem com todos os poos do sistema com as informaes mais recentes obtidas sobre seu funcionamento.

Seleo de poos: a partir de uma combinao de filtros possvel selecionar uma lista de poos com as caractersticas especificadas.

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Anlise individual de um poo: a partir da lista de poos possvel analisar um poo isoladamente, obtendo maiores informaes sobre sua operao.

Histrico de variveis: armazenamento automtico de informaes dos poos para avaliar o comportamento histrico do seu funcionamento.

Grficos de tendncia: avaliao grfica online de dados dos poos. Verificao de parmetros de controle: armazenamento em banco de dados dos parmetros de controle a

comparao com os valores utilizados pelo controlador do poo. Atuao nos poos: interveno remota no poo, permitindo aes de inicializao e parada do seu

funcionamento. Verificao de alarmes: acompanhamento de ocorrncias anormais no funcionamento dos poos e ativao de

alarmes visuais. A Figura 5 ilustra uma tela de funcionamento do cliente SISAL com uma seleo de poos com dados simulados. As cores diferentes de verde indicam a ocorrncia de um alarme. Essa ilustrao mostra ainda como a lista de poos pode ser filtrada pelo tipo de alarme ocorrendo no poo, por exemplo.

Figura 5. Janela de superviso de poos

A Figura 6 representa uma tela de superviso especfica de um poo simulado automatizado com bombeio mecnico. Nesta janela possvel obter informaes mais especficas do poo. Neste exemplo, informaes dinmicas tais como: nmero de ciclos por minuto, informaes de produo, cartas dinamomtricas e curvas de torque podem ser observadas. Alm disso, informaes de projeto como, por exemplo, o modelo da unidade de bombeio, a composio da coluna de hastes, o tipo de bomba, a coluna de produo, a coluna de revestimento e a profundidade dos canhoneados, tambm podem ser obtidas.

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Figura 6. Anlise de um poo automatizado com bombeio mecnico

3. Concluso Um fator importante a ser considerado na utilizao do SISAL que somente um elemento do sistema, o mestre, precisa conhecer os detalhes da comunicao com as estaes escravas. Conseqentemente, o acesso aos dados do processo pelo cliente ser realizado de forma transparente e independente do hardware utilizado na rede de campo. Isto significa, por exemplo, que uma mudana no controlador do poo acarretar somente uma substituio ou adaptao do mestre de campo. Todo o restante do sistema permanecer inalterado. O modelo conceitual do SISAL implica uma converso de arquitetura mestre/escravo em cliente/servidor, apresentando como vantagens as seguintes caractersticas:

Multi-Usurios: vrios usurios do sistema podero acessar simultaneamente um mesmo processo. Acesso Remoto: o acesso s informaes do processo poder ser feito remotamente por qualquer usurio com

acesso rede de superviso. Multi-Clientes: as aplicaes clientes podero funcionar em diversas interfaces distintas, como aplicaes

dedicadas ou Web Browsers. Multi-Mestres: um nico servidor capaz de interconectar a rede de superviso a vrias redes de campo ao

mesmo tempo atravs de seus mestres. 4. Agradecimentos

O desenvolvimento do trabalho descrito neste artigo se deu atravs do projeto de automao de poos de petrleo financiado pelo CENPES Petrobras.

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Agradecemos o auxlio inestimvel, sem o qual no seria possvel a realizao do projeto, dado pelos Engenheiros da Petrobras, em especial os Engenheiros Benno Waldemar Assmann, Edson Henrique Bolonhini, Luiz Sergio Sabia Moura e Rutcio de Oliveira Costa. 5. Referncias MELENDEZ, J., COLOMER, J., ROSA, J. L. Expert supervision based on cases. In: 8thIEEE International Conference

on Emerging Technologies and Factory Automation, 2001. PEREIRA, C. E., PARDI JUNIOR, W. A supervisory tool for real-time industrial automation systems. In: Sixth IEEE

International Symposium on Object-Oriented Real-Time Distributed Computing, 2003. OZDEMIR, E., KARACOR, M. Run time position estimation with basic sensors in real-time SCADA applications. In:

7th International Workshop on Advanced Motion Control, 2002. DANEELS, A., SALTER, W. What is SCADA? In: International Conference on Accelerator on Large Experimental

Physics Control Systems, Trieste, Italy, 1999. THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petrleo. Editora Intercincia, 2001. BUCCI, G., LANDI, C. A distributed measurement architecture for industrial applications. IEEE Transactions on

Instumentation and Measurement, fev, 2003. ZHI, L., QIN, J. S., YU, T. B., HU, Z. J., HAO, Z. The study an realization of SCADA system in manufacturing

enterprises. In: IEEE World Congress on Intelligent Control and Automation, Hefei, China, jun-jul, 2000. MODBUS, Modbus Protocol Reference. http://www.eecs.umich.edu/~modbus, 2003. PROFIBUS, Descrio tcnica profibus 2002. http://www.profibus.org.br, 2002. TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. Editora Campus, 1997.

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