girino tese submetida ao corpo docente...
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MONITORAMENTO DE ROBÔ DE INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS -
GIRINO
Pedro Eduardo Gonzales Panta
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS
EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. Max Suell Dutra, Dr.-Ing.
________________________________________________
Prof. Vitor Ferreira Romano, Dott. Ric.
________________________________________________
Luciano Santos Constantin Raptopoulos, D. Sc.
________________________________________________
Prof. Jean Pierre von der Weid, D. Sc..
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2005
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PANTA, PEDRO EDUARDO GONZALES
Monitoração de Robô de Inspeção
Interna de Oleodutos - GIRINO [Rio de
Janeiro] 2005
VII, 111 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,
M.Sc., Engenharia Mecânica, 2005)
Tese - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE
1. Monitoração
2. Robótica
3. Inspeção Interna de Oleodutos
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
3
Este trabalho está dedicado à minha família e amigos.
Em especial aos meus pais,
Janet e Pedro;
E irmãos,
Carla e Gustavo.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente, à minha família no Rio de Janeiro, meus tios Paul e
Célia, meus primos Pablo e Daniel e a senhora Elza que me acolheram com carinho no
seu lar e foram a base de todos meus esforços neste Brasil que não deixa de me
ensinar.
Agradeço a Max, meu orientador, que confiou em mim como aluno e como
pessoa, e me abriu as portas para continuar minha vida acadêmica.
Agradeço a Leonardo, Bruno, Vitor César, Tiago, Luiz e, especialmente a
Luciano, pela convivência de fraternidade
Agradeço a Ney que me convidou a acreditar numa idéia diferente.
Agradeço a Alexandre, Auderi, Breno, Rodrigo, Zé Almir, Valentin, Bruno e
Matheus com quem descobri que o conhecimento não vale nada se não é
compartilhado.
Agradeço a Rita, Gabriel, e Amanda que não duvidaram em me apoiar no final
deste trabalho
Sem nenhuma destas pessoas este sonho não teria sido possível.
Finalmente quero agardecer ao Laboratorio de Robotica do Centro de Pesquisa
da Petrobras (CENPES) pelo apio infraestrutural indispensavel neste trabalho.
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“¿Qué haces por estos lugares?
Ando buscando un amor”
Maria Luisa Jiménez Sánchez
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Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requis itos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
MONITORAÇÃO DE ROBÔ DE INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS -
GIRINO
Pedro Eduardo Gonzales Panta
Fevereiro/2005
Orientador: Max Suell Dutra
Programa: Engenharia Mecânica
Um dos maiores desafios na área da operação de oleodutos submarinos é a
presença de bloqueios procedentes do acúmulo de hidratos e parafinas. As técnicas de
manutenção e inspeção interna de tubulações, praticadas até hoje, implicam em
processos complicados de risco para com as pessoas e equipamentos envolvidos nas
atividades diárias de operação. O G.I.R.I.N.O. (Gabarito Interno Robotizado de
Incidência Normal ao Oleoduto) é um robô desenvolvido pelo Laboratório de Robótica
da área de Tecnologia Submarina do Centro de Pesquisa da Petrobras, que visa
procurar vias menos arriscadas no processo de inspeção interna de dutos, cujos
movimentos de deslocamento são gerados por energia hidráulica. Para cumprir as
funções de deslocamento e inspeção foram feitos um monitoramento constante dos
movimentos internos do robô e o estudo da ação que exerce em diversos processos. O
presente trabalho pretende monitorar a operação do GIRINO obtendo informações
sobre as suas partes a fim de certificar o funcionamento normal do robô e o
reconhecimento de possíveis falhas na operação. Para tanto, faz-se uma análise dos
componentes de captação, processamento e visualização de sinais disponíveis na
indústria que preenchem os requisitos básicos de desempenho do robô.
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Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
PROCEDURE MONITORING OF A PIPELINE INTERNAL INSPECTION ROBOT
- GIRINO
Pedro Eduardo Gonzales Panta
February/2005
Advisor: Max Suell Dutra
Department: Mechanical Engineering
One of the major challenges in the operation of submarine oil pipelines is the presence
of blockages caused by the accumulation of paraffin and hydrates. Nowadays,
maintenance and inspection practices inside pipelines imply risky, complicated
procedures for the people and equipment involved in daily operational activities. The
Get Inside Robot to Impel Normal Operation (G.I.R.I.N.O.) was developed by the
Submarine Technology Robotic Laboratory of the Petrobras Research Center. It seeks
safer methods of internal inspection of pipelines in which displacement movements are
propelled by hydraulic energy. In order to achieve its inspection and displacement
functions, the robot’s internal movement was continually monitored and its action in
diverse processes was studied. The current project intends to monitor the operation of
GIRINO, obtaining information about its parts in order to ensure the robot’s normal
functioning and detection of possible operation failures. To this end, an analysis was
done to assess available components for signal receiving, processing and visualization
used in the industry, which fulfill the robot’s basic performance requirements.
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ÍNDICE ANALÍTICO
1 INTRODUÇÃO............................................................................................................................................10 1.1 OLEODUTOS E FLUIDOS TRANSPORTADOS....................................................................................... 10 1.2 ESTADO DA TÉCNICA........................................................................................................................... 11 1.3 INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS................................................................................................. 15 1.4 A ROBÓTICA COMO SOLUÇÃO............................................................................................................ 17 1.5 O GIRINO............................................................................................................................................. 19 1.6 A MONITORAÇÃO................................................................................................................................. 23 1.7 OBJETIVO............................................................................................................................................... 26 1.8 ORGANIZAÇÃO DOS CAPÍTULOS......................................................................................................... 26
2 ESTRUTURA E FUNÇÕES BÁSICAS DO GIRINO.......................................................................27 2.1 PROBLEMAS DE DESLOCAMENTO DO GIRINO ................................................................................ 33 2.2 DISPOSITIVOS COMPLEMENTARES À ESTRUTURA MECÂNICA DO GIRINO................................ 35
3 SISTEMA DE MONITORAMENTO ....................................................................................................42 3.1 TRANSDUTORES.................................................................................................................................... 42 3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSDUTORES.............................................................................................. 43 3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS TRANSDUTORES ........................................................................... 44 3.4 TIPOS DE TRANSDUTORES................................................................................................................... 47
3.4.1 Transdutores de Posição...............................................................................................................47 3.4.2 Medidores de Posição ou Distância:..........................................................................................52 3.4.3 Medidores de Pequenos Deslocamentos....................................................................................62 3.4.4 Transdutores de Força e Torque.................................................................................................65 3.4.5 Transdutor de Pressão..................................................................................................................65
3.5 AQUISIÇÃO E TRANSMISSÃO DE DADOS........................................................................................... 66 3.5.1 Sistemas de Aquisição, Conversão e Distribuição de dados..................................................67 3.5.2 Protocolo RS-232...........................................................................................................................68 3.5.3 Protocolo RS-485...........................................................................................................................69
3.6 VISUALIZAÇÃO DE DADOS.................................................................................................................. 72 3.6.1 Programação Visual......................................................................................................................73
4 PROTOTIPAGEM DE MONITORAÇÃO DO GIRINO.................................................................76 4.1 PROTÓTIPO DO CILINDRO PRINCIPAL MONTADO TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO LINEAR. 77
4.1.1 Princípio de Funcionamento do Transdutor Deslocamento Linear Magnetoestrictivo ....79 4.1.2 Principio de Funcionamento do Transdutor de Deslocamento Linear com Plástico Condutivo........................................................................................................................................................81
4.2 PROTÓTIPO DAS TORRES DE GIRO COM TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO ANGULAR.............. 82 4.3 PROTÓTIPO DE ODÔMETRO................................................................................................................. 84 4.4 PROTÓTIPO DE TRANSDUTOR DE TENSÃO PARA UMBILICAL......................................................... 86 4.5 TRANSDUTOR DE PRESSÃO PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO NOS CILINDROS PRINCIPAIS.............. 87 4.6 TRANSMISSÃO DE SINAIS DOS TRANSDUTORES DO GIRINO ........................................................ 88 4.7 VISUALIZAÇÃO ..................................................................................................................................... 94
5 RESULTADOS DA MONITO RAÇÃO DO GIRINO: ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO.. 100 5.1 CALIBRAÇÃO E SAÍDAS MONITORADAS DOS TRANSDUTORES....................................................100
5.1.1 Monitoração do Deslocamento das Hastes dos Cilindros Principais............................... 100 5.1.2 Monitoração do Deslocamento das Torres de Giro.............................................................. 101 5.1.3 Monitoração da Distância Percorrida.................................................................................... 102 5.1.4 Monitoração da Tensão no Umbilical..................................................................................... 102 5.1.5 Monitoração da Pressão nos Cilindros Principais............................................................... 104
5.2 ALGORITMO DA MONITORAÇÃO DO ESTADO ESTRUTURAL DO GIRINO .................................104 5.3 VISUALIZAÇÃO DO ESTADO ESTRUTURAL DO GIRINO...............................................................108
6 CONCLUSÕES ......................................................................................................................................... 114 6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................................................115 6.2 PRÓXIMOS PASSOS.............................................................................................................................117
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7 BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................... 119 8 ANEXO........................................................................................................................................................ 121
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1 INTRODUÇÃO
A Bacia de Campos, no Rio de Janeiro, é a região com as maiores reservas de
petróleo no Brasil com a produção de 525 000 barris por dia, o que corresponde a 61%
do abastecimento total no País. Em 1997, um dos dutos de transporte submarino de
óleo daquela área apresentou problemas no escoamento do fluido. Os oleodutos são
parte fundamental das instalações de recebimento, processamento, tratamento e
distribuição de petróleo. As condições que contribuem para a saturação dos
hidrocarbonetos líquidos e gasosos presentes nos dutos submarinos de Bacia de
Campos são: a baixa temperatura de 4O C no fundo do mar, a pressão de 610 m de
coluna de água (profundidade em que foi detectado o problema de bloqueio no duto) e
a característica do óleo pesado predominante na região. Foi determinado (BOSCO,
2002) que estas condições aumentam a possibilidade de bloqueios nos dutos pelo
acúmulo de parafina ou formação de hidratos. Na Figura 1.1 pode-se observar um
bloco de parafina sólida, o que dá uma idéia da magnitude do problema, agravado
ainda pela complexa e extensa rede de dutos utilizada pela indústria petrolífera
mundial. Todas estas condições determinaram o entupimento total da linha mencionada
em Bacia de Campos.
Figura 1.1. Parafina extraída de oleoduto
1.1 Oleodutos e Fluidos Transportados
O petróleo é basicamente composto de carbono e hidrogênio (aproximadamente
90%) com menores parcelas de enxofre, nitrogênio e oxigênio. Um aumento destas
parcelas menores torna mais pesado o óleo cru, diminuindo seu valor. Dependendo de
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sua densidade (gravity), os óleos são classificados pelo American Petroleum Institute –
API – em vários graus (especific gravity), sendo que os de maior graduação são os
melhores. Por exemplo, um óleo de 30o API é mais leve e, como conseqüência, melhor
que um de 17o API (densidade do óleo da Bacia de Campos). Vários são os fatores que
podem afetar a densidade API dos óleos (SILVA, 2003).
São pré-requisitos de extrema importância para a competitividade dos produtos
petrolíferos a ampliação, modernização e confiabilidade operacional dos modos de
transporte. Gasodutos e oleodutos são condutos (pipelines), concebidos para o
transporte de substâncias, normalmente perigosas, tanto no estado gasoso com no
estado líquido. O transporte dessas substâncias por dutos é considerado não apenas
como o meio mais seguro, mas também, para quantidades elevadas, o mais prático e
econômico, mesmo se confrontado com o transporte rodoviário ou ferroviário. Na
indústria petrolífera tem-se verificado uma crescente preferência por este meio de
transporte, fazendo com que a rede de oleodutos cresça de forma rápida e consistente.
É reconhecida a existência de um risco potencial de ocorrência de acidentes
classificados como graves. Como natural medida de precaução, para todos os oleodutos
devem ser desenvolvidas análises de riscos, avaliação de conseqüências e preparados
os respectivos planos de emergência.
1.2 Estado da Técnica
Atualmente a técnica utilizada para inspecionar dutos depende do tipo de falha
especifica que pretende se encontrar. Existem, por exemplo, defeitos que podem ser
reconhecidos externamente aos dutos. No caso de dutos situados na superfície terrestre
a inspeção externa pode ser realizada visualmente. Com tal finalidade, a translação de
equipamentos de inspeção através da parede externa do duto, para uma análise
exaustiva, não é um problema de muita dificuldade. Na atmosfera, as tecnologias de
ensaios metalográficos não destrutivos, amplamente utilizados na área industrial, são
aplicados com relativa facilidade. Na hidrosfera a inspeção externa se complica na
medida que aumenta a profundidade onde se situa o duto. Para estes casos, uma das
soluções mais promissoras é o desenvolvimento dos AUVs (do acrônimo em inglês
“Autonomus Underwater Vehicle”), que navegam nas profundezas do mar sem
necessidade de conexão física com uma embarcação ou plataforma superficial,
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facilitando sua manobra. O AUV apresentado na Figura 1.2 é capacitado para seguir o
rastro de dutos submarinos através de sensores acústicos e magnéticos.
Figura 1.2. AUV para inspeção externa de dutos (AVIA et al., 2000)
Apesar da inspeção externa de dutos estar em um estágio avançado de
desenvolvimento, existe uma grande necessidade de melhorar as técnicas de inspeção
interna de dutos. Uma das causas mais freqüentes de inspeção de dutos, tanto na
atmosfera como na hidrosfera, é a corrosão das paredes internas dos dutos, que na
maioria das vezes é causada pelo fluido transportado. A corrosão é a causa principal de
vazamentos e contaminação do fluido transportado. Dependendo da sua configuração
geométrica a inspeção interna in situ de dutos não pode ser realizada. Os dutos podem
ter um perfil pequeno ou ser muito compridos para permitir que um homem possa
entrar e inspecionar. Assim, o principal problema de inspeção interna de dutos não é
propriamente a técnica de analise de falhas mas a dificuldade em acessar a região de
interesse.
Como foi dito anteriormente, é possível aproveitar as tecnologias de ensaios
não destrutivos metalográficos acoplados a sistemas automatizados que reportem os
resultados em tempo real. Entre estas técnicas estão a radiografia e o ultra-som. O
desafio real é encontrar técnicas que permitam levar as diferentes ferramentas de
inspeção através do duto. Começando do caso mais simples, na locomoção em dutos
sem escoamento, são utilizados robôs movimentados por rodas ou esteiras. Na Figura
1.3 é apresentado um robô com esteiras e câmera para inspeção visual de dutos. Este
tipo de robôs é de uso comum na inspeção de redes de esgoto, limpeza de dutos de ar
condicionado (Figura 1.4) e de usinas nucleares. Um bom exemplo de robô de inspeção
interna movimentado com rodas é o David (Dispositivo com Alto grau de autonomia
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Veicular para Inspeção de Dutos) desenvolvido pela Unesp (Baurú-SP) e a Epusp
(FERASOLI et al.., 1999) capaz de se movimentar por meio de rodas acionadas por
motores elétricos. Ele possui uma estrutura mecânica adequada as tubulações de seção
circular, podendo ser alterada segundo as restrições impostas pelo ambiente. O David
está equipado com sensores para realizar medições de diâmetros, declive e
“embarrigamento” da tubulação. Possui também “inteligência” própria, resultando de
uma arquitetura híbrida baseada em decisões comportamentais e deliberativas.
Existem também robôs que usam ventosas para se agarrar das paredes que
inspecionam. É o caso do robô SADIE, que sobe pelas paredes servindo-se de suas
patas, projetado na Inglaterra para testes não destrutivos de soldagem de um reator
nuclear (LUK et al., 2003).
Figura 1.3. Robô para Inspeção Interna de dutos com esteiras, desenvolvido pelo Centro de Pesquisas Renato Ascher
Figura 1.4. Robô para limpeza de dutos de ar condicionado fabricado por
MT System Korea
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O caso mais complexo de inspeção interna ocorre quando o escoamento no duto
não pode ser interrompido. A técnica mais utilizada de deslocamento interno em dutos
para esta circunstancia é a impulsão das ferramentas de inspeção fazendo uso do
mesmo fluido transportado. Este tipo de ferramentas de inspeção chama-se PIG
(acrônimo do inglês Pipeline Inspection Gauge). Os PIGs coletam informações sobre
as paredes dos dutos através de sensores e não precisam de umbilical, já que usam a
energia do fluido para se movimentar. Uma bateria acoplada é suficiente para alimentar
os sensores e instrumentos do PIG. Na Figura 1.5 são apresentadas as partes básicas de
um PIG, onde:
Figura 1.5. Partes de um PIG
• A cápsula contém a eletrônica de armazenamento de dados e a bateria;
• O odômetro é um sensor formado por uma roda que emite um número
de pulsos elétricos por cada volta. Este sensor está acoplado à
ferramenta e se mantém em contato com a parede pela ação de uma
mola. Assim é possível saber a distância percorrida pelo PIG dentro do
duto;
• Os suportes de borracha centralizam o corpo do robô no duto;
• A borracha traseira recebe a ação do fluido para impulsionar a
ferramenta; e
• O anel dos transdutores capta a informação de interesse na inspeção.
15
1.3 Inspeção Interna de Oleodutos
Várias soluções vêm sendo adotadas pela indústria do petróleo na área de
inspeção de dutos. A Petrobrás, na Bacia de Campos, vem realizando a inspeção e
desobstrução de sua rede de oleodutos através do emprego de PIGs. Para a limpeza
dos dutos são utilizados PIGs raspadores ou de espuma de baixa, média e alta
densidade, como apresentado na Fig. 1.6.
Figura 1.6. PIG de Espuma.
A inspeção de dutos através dos PIGs é feita por sensores acoplados ao PIG,
que captam a informação necessária para o conhecimento do estado do duto. A
informação captada é armazenada em chips para logo ser analisada. Este se move a
uma velocidade de 2 a 10 quilômetros por hora, através de uma extensão de até 200
quilômetros. No Brasil, além de para limpeza, os PIGs também são utilizados para
determinar o perfil geométrico do duto, através do PIG geométrico (Figura 1.7), e a
perda de espessura por corrosão, através do PIG magnético (Figura 1.8), como em
CARNEVAL et al., 2000.
Figura 1.7. PIG Geométrico.
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Figura 1.8. PIG Magnético.
No caso específico do bloqueio ocorrido na Bacia de Campos em 1997, a
primeira tentativa da Petrobrás foi fazer passar vários PIGs raspadores para desbastar a
crosta de parafina acumulada nas paredes internas do duto. Esta operação fracassou
porque um dos PIGs ficou preso pela parafina, vedando definitivamente o duto. A
partir daí, a Petrobrás tentou, sem sucesso, várias outras soluções, que não tinham mais
o objetivo original de “limpar” o duto e sim de soltar o PIG obstrutor e evitar a perda
de aproximadamente 15 km de tubulação. O Sistema Gerador de Nitrogênio (SGN),
que é um processo termoquímico capaz de gerar altas temperaturas localizadas e,
conseqüentemente, dissolver a parafina solidificada, foi utilizado sem sucesso. O
motivo do insucesso foi o flexitubo (canal cilíndrico de material flexível pelo qual
podem passar os fluidos) utilizado como meio de transporte para o SGN. Por causa do
atrito e o peso do flexitubo foi possível alcançar só 1,6 km de distância no interior do
duto, sendo que o problema de bloqueio foi detectado a 8 km. Como conseqüência,
obteve-se a perda desta linha de operação.
A Petrobras, como uma das maiores empresas petrolíferas do mundo, deve
enfrentar os problemas técnicos operacionais de exploração com a maior qualidade e
eficácia, usando e desenvolvendo recursos tecnológicos de ponta em sua área de
atuação. O Centro de Pesquisa da Petrobras (CENPES), como gerador de soluções
originais e que visam à economia de energia e proteção de meio ambiente, vê cada
desafio como uma oportunidade de crescimento tecnológico e econômico, ajudando a
resolver os problemas operacionais de exploração de petróleo, assim como o
desenvolvimento tecnológico do Brasil. Visando cumprir esta proposta, o Laboratório
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de Robótica do CENPES começou a procurar uma solução para os problemas
específicos de Bacia de Campos.
Um grupo de trabalho foi formado no CENPES a fim de estudar cenários
semelhantes. Umas das propostas pretendia o desenvolvimento de um equipamento
capaz de transportar o flexitubo ou o umbilical, conduzindo o SGN até o lugar de
entupimento. A característica diferencial deste equipamento, com respeito às existentes
(como no caso do PIG), seria a sua indiferença quanto a existência de fluxo ou não na
linha, deslocando-se com maior autonomia.
1.4 A Robótica como Solução
O homem, ao longo de sua historia, tem criado máquinas cada vez mais capazes
de imitar e executar o trabalho humano. De fato, uma das máquinas mais estudadas é o
robô, cujo nome em origem checo significa “trabalho”. Através da história, os robôs
vêm substituindo o homem fundamentalmente em trabalhos repetitivos e em operações
especiais, que atingem além das capacidades físicas do ser humano. Estes esforços têm
resultado no projeto e desenvolvimento de manipuladores robóticos, máquinas CNC e
máquinas automáticas muito conhecidas e comercializadas na área industrial. Seu uso
foi tão difundido, que ainda hoje existem variadas discussões (PAZOS, 2002) sobre o
seu impacto sócio-econômico.
As operações especiais abrangem intervenções mais especificas, nas quais os
sentidos e capacidade do homem não atingem os níveis de precisão, tempo ou
segurança requeridos. Além disso, algumas destas operações são perturbadas pelas
condições do ambiente de trabalho, como: altas temperaturas (fornos em siderúrgicas),
pressões elevadas (fundo do mar), radiação (usinas nucleares) e espaço geométrico
(dutos de ar condicionado), entre outras. Assim, seus componentes devem ser
adequados para as condições do meio e o tipo de tarefa a realizar. Para o caso
especifico de inspeção interna de oleodutos as condições de trabalho são:
• Meio abundante em hidrocarbonatos;
• Pressões Elevadas, pois se pretende chegar a dutos com até 1000 m de
profundidade; e
• Espaço geométrico limitado, considerando que a forma dos dutos e seu
tamanho determinam as dimensões estruturais do robô.
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Este robô deve ser constituído a partir de materiais resistentes à
hidrocarbonatos. Como estes apresentam um baixo grau de corrosão, com relação aos
metais, não será preciso utilizar materiais ou tratamentos especiais. Um aço industrial,
como o SAE 1020, usado normalmente em ferramentas, deve satisfazer às exigências
do projeto. Inclusive, pode-se utilizar alumínio para reduzir o peso do equipamento e
tornar ainda mais seguro o sistema contra a corrosão. O maior problema é relativo à
proteção dos componentes eletrônicos, que são os sensores e os atuadores usados no
robô. Para evitar danos físicos aos condutores e componentes eletrônicos é
indispensável o uso de alguma técnica de proteção.
O grau de segurança IP, muito utilizado em equipamentos industriais, indica o
nível de proteção ou resistência do sistema com relação às condições de operação. Um
grau de segurança maior garante um melhor nível de proteção. Por exemplo, um fator
IP de 67 indica uma proteção para ambientes infestados por partículas sólidas (poeira)
e contra imersão em água até 1 m de profundidade.
A tecnologia submarina estudada como conseqüência de pesquisas biológicas,
atmosféricas e, principalmente, por exploração de petróleo em águas profundas, impele
soluções aos problemas de atuação dos dispositivos eletrônicos sob altas pressões.
Uma demonstração do grande conhecimento na área é o ROV (Remote Operated
Vehicle), que é muito empregado em operações de exploração marítima e possui
diversos componentes mecânicos e eletrônicos, como: sensores, motores, propulsores,
placas de controle e válvulas. Para resolver o problema da submersão dos componentes
não basta guiar-se pelo fator de segurança IP mencionado anteriormente, porém,
existem também diversos métodos de marinização de componentes mencionados na
literatura (SUTTON, 1979).
A robótica, como a inteligência artificial, gera soluções baseadas
fundamentalmente em duas correntes de pensamento: criação resultante da lógica pura
e abstrata, própria do ser humano; e a imitação do comportamento dos seres vivos da
natureza, que desenvolvem estratégias para resolver as dificuldades de sua
subsistência. A esta última, a aplicação da forma de proceder dos seres biológicos na
robótica chama-se de biomimética. Este último caminho foi a origem de um sistema
capaz de se movimentar dentro das linhas de transporte de hidrocarbonetos.
Entre as varias opções brindadas pela natureza, o comportamento dos seres
vivos sempre foi de especial interesse na aplicação de estratégias artificiais para a
solução dos problemas do dia a dia da civilização (COTE, 1971). Através da
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observação do desenvolvimento das larvas dos anfíbios anuros (Figura 1.9) na água,
concebeu-se um novo paradigma para o deslocamento interno de ferramentas nos
dutos, com especial interesse nos dutos usados na indústria petrolífera. À medida que
vão crescendo, os anuros adotam diferentes meios de locomoção. Antes de desenvolver
os quatro membros definitivos da etapa adulta, a larva vive em áreas com água parada,
como lagos e charcos, ou em água corrente, como riachos. Nestes meios os girinos
usam uma cauda para tomar impulso dentro da água. Na passagem da vida aquática à
vida terrestre, o crescimento das extremidades dá um movimento peculiar a estes
animais. Primeiro, seu corpo alongado se estende na direção de translação, se apoiando
nas patas traseiras. Nesta posição os membros anteriores se fixam na superfície,
enquanto os posteriores ficam livres. A seguir o organismo se retrai assumindo o
aspecto inicial, porém em uma posição diferente. Esta simples sucessão de movimentos
apontou o nascimento de uma tecnologia em pleno desenvolvimento: o Gabarito
Interno Robótico de Incidência Normal ao Oleoduto - GIRINO.
Figura 1.9. Girino
1.5 O GIRINO
Cabe agora relacionar o problema (obstrução de dutos) e a base para uma
possível solução (reprodução dos movimentos dos girinos em um sistema mecânico
locomotor). O Laboratório de Robótica do CENPES/PETROBRAS concretizou a idéia
de um robô porta- ferramenta que se move de forma semelhante às larvas dos anuros.
Este sistema pode se deslocar ao longo dos dutos e tem como principal objetivo atacar
o problema da obstrução dos mesmos. O primeiro protótipo apresentado na Figura 1.10
foi construído com material disponível no laboratório ou de baixo custo, com o
propósito de testar o princípio de operação do GIRINO (ROBINSON, 2000). Depois
de demonstrada sua funcionalidade, em testes de laboratório, fabricou-se um segundo
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protótipo para dutos de 8” de diâmetro interno. A seguir são apresentadas as
características mais importantes para entender seu funcionamento (ROBINSON,
2001):
Figura 1.10. Primeiro protótipo do GIRINO
• Sua estrutura é composta por um módulo anterior e outro posterior
unidos por uma junta universal flexível. Esta configuração melhora a
performance do robô nas curvas das linhas dos dutos ao acrescentar a
sua tolerância de curvatura. A flexibilidade desta junta permite a
variação de comprimento do corpo do robô, imprescindível ao processo
de deslocamento;
• Fazendo uma analogia com os movimentos da larva dos anuros, a
variação de comprimento do sistema robótico está relacionada a dois
movimentos essenciais: esticamento e encolhimento. Dois cilindros
principais contrapostos e unidos pelas suas hastes dão ao mecanismo
esta característica;
• Ambos os módulos são providos por um par de rodas, que são os meios
pelos quais o robô exerce pressão sobre a superfície interna dos dutos,
usando estas áreas como ponto de apoio ao deslocamento. Estas rodas
estão associadas a um sistema de cilindros, através de uma estrutura
giratória, denominada torre de giro, e proporcionam uma volta de
aproximadamente 180º à torre de giro (perpendicular ao eixo da roda).
Esta ação fixa o avanço ou recuo do GIRINO;
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• A parte frontal do robô foi projetada para permitir o acoplamento de
ferramentas especiais, respondendo às diversas necessidades de
inspeção e manutenção de dutos;
• Os sina is hidráulicos dos cilindros principais, responsáveis pela
variação de comprimento do GIRINO, variam de 40,81 x 105 N/m2 a
102,04 x 105 N/m2 (fornecidos por uma bomba de engrenagem). Já os
sinais hidráulicos dos cilindros secundários, responsáveis pelo
movimento da torre de giro, variam de 27,21 x 105 N/m2 a 54,42 x 105
N/m2 (fornecidos por uma bomba de paleta). Estes sinais chegam do
painel de controle do robô por meio de quatro mangueiras, que
correspondem à pressão e ao retorno das duas bombas.
Assim que foi construído, o protótipo para dutos de 8” de diâmetro passou a ser
testado. O primeiro teste foi realizado em São Sebastião – São Paulo. O objetivo deste
teste foi levar o SNG ao longo de um duto especialmente projetado em acrílico, até
alcançar o sólido obstrutor. Neste ponto, o GIRINO jogou um jato de solvente para
dissolver a obstrução de parafina (Fig. 1.11). A parafina liquefeita foi empurrada pelo
robô sem maiores problemas.
Figura 1.11. GIRINO desentupindo uma linha com parafina sólida
Além da aplicação de desobstrução de dutos, foram observadas outras
utilidades para o sistema, como: o vazamento de hidrocarbonatos, ponto crítico da
preservação do meio ambiente; a restituição de diâmetro de dutos; e a inspeção interna
dos oleodutos. Dada a sua diversidade de utilidades, o GIRINO passou a ser
22
conceituado como um sistema porta-ferramenta, quer dizer, transportador de diversas
ferramentas e equipamentos, chamados de ferramentas de aplicação especial, para
fazer operações de inspeção e manutenção em dutos.
Figura 1.12. Protótipo do GIRINO para dutos de 14 polegadas
Hoje em dia, o protótipo para dutos de 8 polegadas de diâmetro foi modificado
para 14 polegadas, como apresentado na Figura 1.12. Esta nova estrutura permite ser
modificada para trabalhar em outros diâmetros. Os bons resultados com este protótipo
levaram à construção de um GIRINO projetado para solucionar o problema de Bacia
de Campos com linhas de 16 polegadas de diâmetro (denominado neste trabalho de
G16 e apresentado na Figura 1.13). O novo GIRINO tem as mesmas características do
primeiro protótipo, exceto pela ausência das torres de giro. Isto é, o novo robô não tem
a capacidade de movimentação em recuo. O sistema porta- ferramenta ainda não foi
testado em campo.
Figura 1.13. GIRINO para dutos de 16 polegadas (G16)
23
Devido ao grande comprimento dos oleodutos, muitos superam 10 km de
extensão, a velocidade de deslocamento do robô é uma característica importante para
este tipo aplicação. A velocidade de deslocamento do G16 dentro do duto depende da
vazão dos cilindros principais. Esta vazão pode ser controlada por meio de válvulas, ou
seja, o problema de controle de velocidade é um problema de controle típico para o
qual existem soluções diversas na área industrial e acadêmica. Assim, realizou-se no
CENPES um teste de velocidade do G16 em um duto de 6 m de comprimento,
resultando nos valores apresentados na Tabela 1.1. Talvez esta velocidade baixa do
robô seja uma das imperfeições do sistema de inspeção, mas que pode ser compensada
pela eficácia e segurança de seu deslocamento, não alcançadas por nenhum outro
sistema de inspeção de oleodutos.
Pressão nos Cilindros
Principais [N/m2]
Velocidade Instantânea
[m/s]
61,22 x 105 0,045
81,63 x 105 0,053
Tabela 1.1. Resultados do Teste de Velocidade do G16.
Atualmente o GIRINO tem seus movimentos comandados por sinais
hidráulicos. Os sinais hidráulicos vão desde o painel de controle, na superfície, até o
robô, através de um conjunto de cabos chamado de umbilical. Es te fato cria uma força
de arraste que dificulta o deslocamento do robô por cada metro percorrido. Além disto,
cabos hidráulicos longos implicam em maior perda de carga no sistema hidráulico.
Como solução para este problema, visa-se o desenho e fabricação de uma unidade de
potência hidráulica embarcada no GIRINO. Desta forma, o umbilical conterá apenas os
cabos de sinal elétrico que, a partir do painel de controle na superfície, comandam o
sistema.
1.6 A Monitoração
O controle de processos industriais, assim como o de sistemas mecânicos
específicos, como robôs, tem sido uma das principais motivações e fonte geradora de
tecnologia no decorrer da história. O sistema de controle com realimentação, por
exemplo, a partir da monitoração das variáveis do sistema, permite ao controlador
24
fazer as correções necessárias à convergência para o estado desejado. Este sistema de
controle é extremamente dependente da tecnologia de medição das variáveis do
processo, como a medição de velocidade e pressão, por exemplo. Os dispositivos que
recebem um sinal de entrada em função de uma ou mais quantidades físicas e a
convertem em um sinal de saída de diferente natureza chamam-se transdutores.
No caso de controle de processos, um exemplo tradicional de sinal de saída dos
transdutores é a deformação física visível ou a dilatação térmica de algum material
(manômetros e termômetros). Com o avanço da eletrônica, os sinais de saída dos
transdutores tenderam a ser elétricos, principalmente pela facilidade do seu
processamento. Nesta direção, o GIRINO serve-se dos avanços tecnológicos na área de
transdutores para solucionar seus problemas de monitoração.
O GIRINO não está apto para operar numa intervenção real sem uma
monitoração de seus movimentos principais. A monitoração dos movimentos encontra
seu propósito no conhecimento do estado estrutural do sistema em operação,
permitindo intervir apropriadamente no sistema. As variáveis básicas necessárias para
se determinar completamente o estado da porta- ferramenta são: o deslocamento dos
cilindros principais, o deslocamento angular das torres de giro e a distância percorrida
pelo robô. Existem duas variáveis adicionais de segurança, que são a tensão
transmitida do GIRINO ao umbilical e a pressão existente nos cilindros principais.
Além destas cinco variáveis, precisa-se, também, da monitoração das variáveis
medidas pelas ferramentas de aplicação especifica.
O deslocamento dos cilindros principais e deslocamento das torres de giro são
considerados como problemas de medição de posição. Existem diversas tecnologias
para os transdutores de posição. Entre elas pode-se encontrar os transdutores
potenciométricos, transdutores digitais (encoders), sensores capacitivos, sensores
indutivos (transformadores diferenciáveis variáveis lineares - LVDT), os sincros, os
resolvers e os inductosys lineares e rotativos. A técnica mais conhecida para medir
distâncias percorridas é o uso do odômetro , que utiliza transdutores de aproximação
acoplados a uma roda. No caso da medição da tensão no umbilical podem ser
utilizados os extensômetros, amplamente usados para medir tensões em cabos. Existem
vários tipos de extensômetros: os resistivos (convencionais), os semicondutores, os
integrados (difundidos) e os de arame vibrante, cuja concepção de funcionamento
difere inteiramente dos demais. Os transdutores de pressão fazem uso, na sua maioria,
da deformação de um elemento elástico (membrana, tubo Bourdon, etc.), cujo
25
movimento sob a ação do fluido é detectado por um transdutor de pequenos
deslocamentos (extensômetros, transformador diferencial, etc.), do qual se obtém um
sinal elétrico proporcional à pressão.
O projeto de monitoração do GIRINO (Figura 1.14), à semelhança do projeto
de monitoração dos processos industriais, inclui duas fases fundamentais: escolha dos
transdutores e da interface entre o robô e o operador. Entre todas as tecnologias
existentes, a escolha dos transdutores e da interface é condicionada pelo ambiente de
trabalho do robô, como explicado anteriormente. Os critérios de seleção dos
transdutores, que finalmente serão utilizados no GIRINO, levam em consideração o
tamanho dos componentes, o consumo de energia e a viabilidade para marinização.
Figura 1.14. Esquema da Monitoração do GIRINO
O controle do processo de operação do robô precisa sempre de uma
comunicação entre a máquina e o operador. Isto é, o operador precisa conhecer alguns
dados sobre o andamento do processo (informação detectada pelos transdutores).
Assim, os acionamentos recebem comandos para controlá- lo em caso de algum
problema de operação. Para o operador conseguir visualizar, de forma inteligível, as
variáveis de interesse, o sistema de monitoração necessita de uma interface amigável e
clara. O termo “interface” é utilizado para designar qualquer bloco que sirva de ligação
entre outros dois: o robô e o operador. A interface implica a escolha do método de
aquisição de sinais, transmissão de dados e visualização das variáveis monitoradas. A
freqüência de aquisição dos sinais oriundos de cada transdutor dependerá diretamente
da natureza da grandeza monitorada. A transmissão dos sinais até a superfície será feita
através do mesmo umbilical, designado para os sinais de energia e comando das
26
válvulas, que controlam as funções do GIRINO. Em seqüência à aquisição será
realizado o processamento dos sinais e, por fim, montada a interface gráfica de análise
e controle do sistema.
1.7 Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo a implementação de procedimentos
práticos de captação, transmissão de dados, visualização e análise dos resultados, que
serviram na monitoração do GIRINO em dutos de 14 polegadas.
1.8 Organização dos Capítulos
No primeiro capítulo tratou-se da história e idéia que deram origem à
concepção do G.I.R.I.N.O., suas características principais e sua relação com as suas
funciones básicas. Sustentou-se a necessidade da monitoração da operação do robô
através do estudo de captação, processamento e visualização das variáveis físicas.
No segundo capítulo detalha-se a estrutura e as funções básicas do G.I.R.I.N.O.,
com ênfase no analise das variáveis físicas necessárias para uma monitoração eficiente.
Justifica-se o uso de transdutores na medição destas variáveis como solução a
determinados problemas de deslocamento.
O terceiro capítulo cita as diversas tecnologias de transdutores, aquisição de
dados, transmissão de sinais por umbilicais e softwares de desenvolvimento gráfico
que tem a faculdade de ser aplicados no sistema de inspeção interna de dutos.
Destacam-se as vantagens e desvantagens na sua implementação.
Selecionados os componentes que cumprem as exigências de operação do
G.I.R.I.N.O., no quarto capítulo trata-se da disposição física dos transdutores
colocados em protótipos da porta- ferramenta e a descrição de suas características
técnicas.
O quinto capítulo descreve os testes feitos com os transdutores e módulos de
aquisição de dados montados em protótipos. Os resultados são apresentados em um
computador por meio de um software de desenvolvimento gráfico (LabVIEW). A
análise e a interpretação dos resultados da monitoração são expostos neste capítulo.
No sexto capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho.
27
2 ESTRUTURA E FUNÇÕES BÁSICAS DO GIRINO
A função fundamental do GIRINO é a de levar diversas ferramentas de
aplicação especial pelo interior dos dutos até o ponto onde se efetuará a operação de
inspeção ou manutenção. Quer dizer que o robô não soluciona problemas de inspeção e
manutenção diretamente, senão que transporta aquelas ferramentas que operaram com
as propriedades do duto. Como explicado no capítulo anterior, o robô é independente
do fluxo no interior do duto possibilitando maior autonomia na sua movimentação.
Isto é, o robô está concebido como um porta- ferramenta que, além de transportar
ferramentas, facilita a performance daqueles equipamentos que precisam controlar sua
posição e velocidade dentro do duto.
Para tais propósitos, o robô se apresenta como uma estrutura mecânica capaz de
se deslocar pelo interior dos dutos utilizando duas propriedades características do
sistema: a variação do cumprimento de sua estrutura e a utilização de quatro pontos de
apoio nas paredes internas da tubulação. Entenderemos aquelas propriedades com o
auxílio da Figura 2.1, onde se encontram especificadas as partes mais importantes do
sistema robótico.
Figura 2.1. Partes do GIRINO
28
Os movimentos de expansão e contração do GIRINO com o uso de pontos de
apoio nas paredes internas dos dutos podem ser observados na maquete da Figura 2.2.
Pode-se ver que a maquete está situada no interior de um tubo de plástico que
representa um duto. A maquete está formada por um módulo anterior, um módulo
posterior e uma junta que une a ambos. No primeiro momento o sistema está em
repouso. Logo depois a maquete começa-se a esticar com a parte posterior do sistema
presa e a anterior livre resultando no deslocamento da parte anterior. A seguir realiza-
se o movimento de encolhimento com a parte anterior do sistema presa e, como
conseqüência, a parte posterior deslocando-se. O resultado é a mesma condição de
repouso inicial, mas em diferente posição.
Figura 2.2. Representação em Maquete do Movimento do GIRINO
29
Fazendo uma analogia com a maquete, a estrutura mecânica do robô consta de
três partes: a parte anterior chama-se de módulo anterior, a posterior é o módulo
posterior e a união destas é através de uma junta flexível universal. Cada um dos dois
módulos está composto de um cilindro principal, dois cilindros de giro e uma torre de
giro para cada par de rodas. A junta flexível universal permite a variação de
comprimento da estrutura mecânica e também a complacência na flexão no meio do
mecanismo para conseguir superar as curvas. Esta junta compõe-se da união dos
extremos das hastes dos cilindros principais.
O simples proceder da maquete é vo ltado para o porta-ferramenta real através
de acionamento de cilindros principais e um mecanismo de contra-recuo nas rodas. Os
cilindros principais opostos e unidos pela junta flexível são responsáveis pela variação
de cumprimento da estrutura mecânica. Através das rodas com o sistema de contra-
recuo é transmitida a força dos pontos de apoio que é utilizada pelo robô para se
deslocar. Na Figura 2.3 tem-se uma melhor visualização do deslocamento do robô que
pode ser comparada com a movimentação da maquete da figura anterior. Em um
primeiro instante o robô está em estado de repouso e com seu menor comprimento. Os
cilindros principais unidos pela junta flexível universal começam a se estender. O
estado de esticamento está em andamento. O módulo anterior (com as rodas em azul
rodando livremente na figura) começa a se separar do módulo posterior que está fixo
no mesmo lugar (com as rodas em vermelho presas na figura) por o sistema de contra-
recuo nas rodas. O estado de esticamento acontece até os cilindros se estenderem
completamente que é quando chegamos a um segundo estado de repouso. A seguir
começa o estado de encolhimento. Os cilindros principais dão início ao recolhimento
das hastes enquanto a estrutura perde comprimento. Esta vez o módulo anterior está
fixo no lugar pelo sistema de contra-recuo das rodas. Chegado ao estado inicial de
repouso, o GIRINO encontra-se em outra posição.
O GIRINO para dutos de 14 polegadas tem um avanço de 70 mm em cada
operação de esticamento e encolhimento que é o dobro do percurso das hastes de cada
cilindro principal. As dimensões dos cilindros principal são amostradas na Tabela 2.1.
30
Figura 2.3. Deslocamento do GIRINO
Cilindros Principais Dimensão
Camisa
Diâmetro interno 50,8 mm
Diâmetro externo 63,5 mm
Comprimento 40 mm
Haste
Curso 35 mm
Diâmetro 25,4 mm
Tabela 2.1. Dimensões dos Cilindros Principais
O robô se apóia nas paredes internas do duto por meio de quatro rodas (duas
por módulo), dispostas lateralmente na estrutura mecânica. As rodas têm quatro
características fundamentais:
- Para permitir a fixação das rodas nas paredes do duto usa-se um anel de
borracha escolhida para não danificar a superfície interna do duto. O anel também pode
ser substituído por um anel de aço desenhado especialmente para atingir o atrito
necessário em superfícies onde a borracha tem perigo de escorregamento.
31
- As rodas giram em torno de um eixo de acomodação que adapta a posição
angular das rodas flexibilizando a dimensão do contorno do duto.
- Uma mola de acomodação permite que as rodas se mantenham em contato
com as paredes do duto. Não é função da mola fazer força sobre as paredes.
- As rodas giram em um sentido só devido a um sistema de contra-recuo
mostradas na Figura 2.5. No sistema de contra-recuo, uns cilindros pequenos alocados
entre os dentes de uma estrela central da roda encarregam-se de gerar o atrito
necessário para permitir o giro só no sentido indicado na figura.
Figura 2.4. Rodas do G.I.R.I.N.O.
Figura 2.5. Sistema de Contra-recuo das Rodas
O GIRINO seria limitado na sua movimentação se fosse unidirecional. Isto é,
para conseguir mais autonomia nas manobras de inspeção e manutenção é necessário
que o robô seja capaz de se deslocar no sentido de avanço e retorno. A inversão da
direção do deslocamento no interior dos dutos é atingida mudando o sentido de giro
32
das rodas. Como pode ser observado no sistema de contra-recuo, é grande a dificuldade
para mudar a configuração da roda para conseguir o giro em sentido inverso. Esta nova
configuração é feita através de um sistema formado por dois cilindros de giro cujas
hastes estão ligadas a dois pontos extremos da circunferência das torres de giro como
pode se observar na Figura 2.6. As dimensões destes cilindros são apresentadas na
Tabela 2.2. Os cilindros de giro, como sua denominação o indica, encarregam-se de
girar as torres de giro aproximadamente 180º em torno ao um eixo vertical como pode
ser melhor observada na Figura 2.6. A ação dos cilindros é contrária, isto é, enquanto a
haste de um cilindro se recolhe a outra se estende, gerando um torque responsável pelo
giro na torre.
Figura 2.6. Maquete do Principio de giro das Torres
Cilindros do Giro da Torre Dimensões (mm)
Camisa
Diâmetro interno 25,4
Diâmetro externo 31,8
Comprimento 101,4
Haste
Curso 47,4
Diâmetro externo 8
Tabela 2.2. Especificações de Cilindros de Giro.
33
O avanço do GIRINO gera naturalmente uma tensão no umbilical devido ao
peso do umbilical e o atrito ocasionado pelo seu contato com as paredes dos dutos. O
ponto de união entre o umbilical e a estrutura mecânica do porta-ferramenta é
considerado crítico pela concentração da tensão transmitida pelo umbilical. Um estudo
feito pela Petrobras demonstrou a existência de uma relação direta entre a tensão na
parte posterior do robô e a força transmitida através das rodas pelos pontos de apoio.
Com o objetivo de ter uma noção da relação entre o deslocamento angular das rodas e
a carga máxima de arrasto no umbilical o estudo concluiu que um deslocamento
angular de 2º é necessário para o GIRINO poder puxar uma carga de 30 000 N sem
chegar a danificar as paredes do duto. Esta relação é representada na Figura 2.7. Para
evitar o perigo que significa conseguir ângulos não permissíveis para tensões altas, o
deslocamento dos ângulos foi limitado a um valor mínimo de aproximadamente 15o,
evitando-se assim a danificação das paredes internas dos dutos.
Figura 2.7. Relação entre o Deslocamento Angular das Rodas
e a Carga Máxima de Arrasto
Superado o problema da danificação sobre as paredes internas, a tensão do
umbilical não pode ser desprezada porque existe ainda o perigo de danificar os cabos
de ligação com a superfície pela excessiva tensão sobre eles. Esta tensão tem papel
essencial nos problemas de deslocamento do GIRINO.
2.1 Problemas de deslocamento do GIRINO
O conhecimento da disposição física da estrutura mecânica no processo de
inspeção do GIRINO é de utilidade para prever soluções aos problemas do seu
34
deslocamento. A seguir analisamos dois dos problemas mais prováveis de acontecer
representados na Figura 2.8:
- Obstrução na Trajetória: Ao passar pelo interior dos dutos o robô vai
encontrar diversos obstáculos devido a deformações, amassamentos e materiais
obstruídos. Estes obstáculos atrapalham o avanço do GIRINO. Através da avaliação
conjunta do deslocamento das hastes dos cilindros principais, a tensão transmitida pelo
umbilical e a variação da pressão na bomba hidráulica que alimenta os cilindros
principais é possível determinar se o porta- ferramenta está tendo um problema de
obstrução podendo, assim, advertir ao operador de tomar as precauções necessárias.
Por exemplo, a força exercida pelo obstáculo se reflete no deslocamento anormal dos
cilindros principais e na baixa tensão refletida no umbilical. A avaliação destas
variáveis será feita no capitulo 5 deste trabalho.
- Umbilical Preso: No caso de que o umbilical fique preso em algum lugar de
seu trajeto dentro do duto ocasionará problemas no avanço do GIRINO. Novamente
será necessário fazer uma avaliação de algumas variáveis especificas Neste caso o
excesso de tensão no umbilical se refletirá na união entre o cabo e a estrutura mecânica
e assim o operador poderá tomar as decisões necessárias para superar este problema.
Ambos problemas, esquematizados na Figura 2.8, exigem o desenvolvimento
de um sistema de monitoração da variação de grandezas mas significativas do robô.
Por grandezas significativas entende-se aquelas cuja medição é indispensável para
determinar o estado estrutural do porta-ferramenta dentro do duto.
Figura 2.8. Problemas com o Deslocamento do G.I.R.I.N.O.
35
Depois da explicação dada neste capítulo sobre o funcionamento, partes e
problemas no desempenho do sistema robótico pode-se concluir a necessidade de
medir as seguintes variáveis:
- Distância percorrida do GIRINO no interior do duto.
- Deslocamento das hastes dos cilindros principais.
- Deslocamento angular das Torres de Giro.
- Tensão no Umbilical.
- Pressão na bomba hidráulica de alimentação dos cilindros principais.
2.2 Dispositivos Complementares à Estrutura Mecânica do GIRINO Apesar de ter identificado a monitoração como uma contribuição fundamental
para a performance eficaz do robô, existem todavia alguns problemas a superar. Um
deles é a utilização no GIRINO de potencia hidráulica para todos os seus movimentos.
A energia necessária para movimentar os primeiros protótipos do porta- ferramenta
provêem de uma unidade hidráulica de teste alocada na superfície, e a ligação entre
esta unidade e o robô é feita através de cabos hidráulicos. A unidade hidráulica é
formada por uma bomba de engrenagem para ativar os cilindros principais e uma
bomba de paleta utilizada para os cilindros de giro. Os dados destas bombas são
apresentados na Tabela 2.3. O esquema da unidade hidráulica pode ser observado na
Figura 2.9.
Tabela 2.3 Dados das bombas da Unidade Hidráulica de Teste
Bomba Engrenagem Bomba Paleta
Potência 9,32 kW 2.4 kW
Vazão 0,31 m3/s 0,22 m3/s
Pressão (x 105 N/m2) 40,81 a 102.04 27,21 a 54,42
36
Figura 2.9. Unidade Hidráulica de Teste
Na prática não é conveniente a energia hidráulica do GIRINO vir de alguma
unidade hidráulica situada na superfície principalmente por 3 motivos:
• Atrito do umbilical com as paredes do duto. Com a unidade hidráulica situada na
superfície e o robô se deslocando pelo interior do duto, a superfície de contato
entre o umbilical e as paredes internas aumenta, assim como o peso do cabo. Foi
calculado que para cada metro de umbilical para o GIRINO a carga adicional é de
100 N aproximadamente.
• Perda de de Carga: A potência hidráulica transmitida diminui conforme aumenta
o comprimento do umbilical.
• Consumo de Óleo: Encher os cabos hidráulicos com óleo desde a superfície até o
porta- ferramenta implica um alto consumo de fluido hidráulico.
Para evitar estes problemas foi projetada a fabricação de uma unidade
hidráulica embarcada (UHE) na estrutura mecânica do GIRINO como apresentado na
Figura 2.10. A UHE é constituída basicamente de um motor e uma bomba que
provêem a potencia hidráulica necessária para a movimentação do robô. A energia
elétrica usada pelo motor da UHE procede de uma unidade elétrica embarcada (UEE)
que transforma a tensão alta transmitida através do umbilical para a tensão usada pelo
motor e de outros componentes eletrônicos usados no porta-ferramenta como são os
37
transdutores e processadores de sinais. Uma unidade de controle embarcada (UCE) é
responsável pela administração dos sinais de controle de válvulas e o processamento de
sinais dos transdutores. As válvulas são usadas para controlar os diversos cilindros
usados pelo robô e vão estar contidas nesta unidade. Como conseqüência destas
unidades adicionadas à estrutura mecânica do GIRINO, o projeto final se compõe de
quatro partes: a estrutura mecânica, a unidade hidráulica embarcada e unidade elétrica
embarcada e unidade de controle embarcada além das ferramentas de inspeção levadas
pelo sistema chamados de ferramentas de aplicação especifica (FAE). Todas estas
unidades devem cumprir os requerimentos fundamentais de proteção nos ambientes
agressivos de operação do GIRINO assim como o tamanho apropriado para dutos.
Figura 2.10. Projeto do GIRINO com Unidade Hidráulica Embarcada
Na Tabela 2.4 compara-se o peso carregado pelo robô quando se tem uma
unidade hidráulica embarcada e quando a unidade é situada na superfície.
Peso Estimado do Umbilical por trechos
x 1m x 10m x 100m x 200m
Peso Estimado das Unidades Hidráulica, de
Controle e Elétrica embarcadas
100 N 1000 N 10 000 N 20 000 N 500 N
Tabela 2.4. Comparação entre os pesos de trechos de umbilical e unidades hidráulica e
elétrica embarcada.
A necessidade de conhecer as tecnologias desenvolvidas na área de hidráulica e
elétrica submarina para completar o projeto do GIRINO incitou ao
CENPES/PETROBRAS procurar parceiros experientes na área. O interesse dos
parceiros no intercambio tecnológico estava garantido pela qualidade do aporte de cada
uma delas. De um lado uma nova modalidade de inspeção de dutos, o GIRINO e do
outro, a experiência em manipular componentes hidráulicos e eletrônicos submarinos.
38
Foi assim que veio a se trabalhar conjuntamente com a empresa inglesa Slingsby e a
francesa Cibernetix.
Figura 2.11. protótipo do GIRINO completo (desenvolvido pela CYBERNETIX)
A concepção de porta-ferramenta que se deu ao GIRINO se deve à utilidade
pratica do robô: levar ferramentas de inspeção interna nos dutos. As FAEs são
desenhadas particularmente para cada função de inspeção. Atualmente o CENPES está
desenvolvendo quatro ferramentas de inspeção com suas respectivas funções:
- Ferramenta de restituição geométrica de dutos amassados: Os dutos em
operação sofrem deformações a causa de fatores externos como forças de corrente,
amassamento por impactos e acidentes geográficos. O objetivo desta ferramenta é
restabelecer a forma geométrica de dutos amassados por impactos conhecidos.
Seguindo a linha de pesquisa do CENPES, antes de idealizar alguma ferramenta,
primeiro analisou-se a possibilidade de desamassamento de dutos teoricamente e
depois por testes de laboratório foi demonstrada esta hipótese. Na Figura 2.12 pode se
observar o instrumento usado para a demonstração do desamassamento.
39
Figura 2.12. Instrumento usado para desamassar dutos
Depois de demonstrada a viabilidade de restituição de dutos surgiram algumas
idéias de ferramentas que poderiam ser implementadas e adaptadas à estrutura
mecânica do GIRINO. A maquete e o funcionamento de uma das propostas que está
ainda em avaliação é apresentada na Figura 2.13. Da mesma forma que na estrutura
mecânica do robô, onde existem grandezas significativas para determinar o seu estado
estrutural, é preciso medir algumas grandezas de relevância nas ferramentas. No
proposta apresentada nas figuras é necessário ter uma noção da pressão no fluido
hidráulico usado pelos cilindros, a força necessária para desamassar e o deslocamento
das hastes.
Figura 2.13. Maquete e funcionamento da FAE de Restituição
- Ferramenta de visualização interna de dutos: Esta ferramenta é a mais básica e
simples de inspeção interna de dutos. Dois são seus componentes principais,
apresentados na Figura 2.14, câmera e iluminação. Estas duas devem estar aptas para
operar a altas pressões. A câmera tem um sistema pan/tilt que define o seu campo de
visão além de um sistema de focalização. Atualmente o sistema já está implementado e
40
está predisposto a constantes melhoras na sua iluminação. Esta ferramenta tem o sinal
de vídeo como saída e os dois graus de liberdade e o foco da câmera como os três
sinais de entrada.
Figura 2.14. FAE de Visualização
- Ferramenta para análise geométrica de dutos: Esta ferramenta, projetada em
parceria com a COPPE (COSTA, 2003) proporciona o perfil geométrico do duto
internamente e é útil para medir, por exemplo, o estado de dutos amassados. O
desempenho desta ferramenta pode ser complementada pela ferramenta de
visualização. A Figura 2.15 exibe o conjunto. Na parte direita pode se distinguir a FAE
de analise geométrica e ao lado esquerdo a FAE de visualização.
Figura 2.15. Conjunto FAE de Análise Geométrico e Visualização
- Ferramenta de injeção de solvente químico para desbloqueio de dutos: Esta foi
a primeira ferramenta a ser projetada pelo Laboratório de Robótica do CENPES e é
apresentada na Figura 2.16. O solvente, proveniente da superfície e levado através do
umbilical, adquire mais pressão na ponta da ferramenta devido a um intensificador de
41
fluxo. No processo de dissolução da parafina é necessário controlar algumas variáveis
como a temperatura do solvente.
Figura 2.16. FAE de Injeção Química
Aparte destes quatro módulos projetados no Laboratório de Robótica (em
parceria com a PUC-Rio e a COPPE), o CENPES adquiriu um manipulador elétrico da
empresa Sub-Atlantic apresentado na Figura usado normalmente em ROVs de pequeno
porte que consta de três graus de liberdade dados pelas suas unidades.
Os tubos de extensão são usados para dar diferentes comprimentos às partes do
manipulador. O manipulador está preparado para atuar a 6000 m de profundidade,
consume 24 VDC a 1 A.
Figura 2.17. Manipulador Elétrico da empresa Sub-Atlantic
42
3 SISTEMA DE MONITORAMENTO
O controle de processos de malha fechada precisa da aplicação de técnicas de
realimentação eficientes com a finalidade de se conseguir o desempenho desejado. O
GIRINO, nos processos de manutenção e inspeção, requer o conhecimento da
disposição física da estrutura mecânica no interior do duto para corrigir os erros
prováveis que ocorrem no seu proceder. Deve-se estabelecer então o conjunto de
valores das grandezas físicas do sistema necessárias e suficientes para caracterizar
univocamente a situação física do robô no interior do duto. A captação da variação das
grandezas físicas e transformação destas em sinais elétricos compreensíveis consegue-
se através de elementos chamados de transdutores. As variáveis de interesse associadas
ao GIRINO são cinco: deslocamento linear das hastes dos cilindros principais,
deslocamento angular das torres de giro, distância percorrida pelo porta- ferramenta no
interior do duto, tensão transmitida pelo umbilical e pressão na bomba hidráulica. Os
dados coletados por intermédio dos transdutores também podem ser utilizados como
sinais de realimentação de malha fechada para um futuro projeto de automação das
funções de operação do GIRINO, como é o controle de velocidade do robô nas
curvaturas dos dutos. A malha fechada é muito importante nos processos de automação
para obter as características de controle desejado no sistema. A importância foi
atribuída (BALCELLS, ROMERAL, 1997) a eliminação do erro e às possibilidades de
regulação precisa e rápida.
Este capítulo revisa a teoria dos transdutores que se apresentam como fortes
candidatos para atender ao problema de monitoração do GIRINO. O objetivo é
entender o funcionamento dos transdutores e, assim, adequá-los convenientemente à
estrutura mecânica do GIRINO. Logo depois, explicam-se as técnicas de
processamento e transmissão dos sinais captados pelos transdutores. Finalmente
apresentam-se as características do software apropriado para a visualização das
variáveis de interesse de nosso sistema em um computador pessoal.
3.1 Transdutores
Os transdutores considerados neste trabalho são aqueles com sinal de saída
elétrico e que são capazes de captar as grandezas físicas de interesse para determinar a
disposição física do sistema robótico. Estas grandezas são o deslocamento linear e
43
angular, a distância percorrida, a tensão no cabo e a pressão na bomba. O transdutor é
aquele dispositivo que compreende o elemento captador, também chamado de sensor, e
converte o valor de uma grandeza física num sinal elétrico codificado analógico ou
digital. O sinal de saída do sensor é filtrado e amplificado para converter-se num sinal
elétrico compreensível por outros dispositivos. Segundo esta definição as partes de um
transdutor podem ser sintetizadas como na Figura 3.1.
Figura 3.1. Partes genéricas de um transdutor.
Nesta figura é possível distinguir as seguintes partes:
• Elemento Sensor: Converte as variações de uma grandeza física em variações de
uma grandeza elétrica ou magnética.
• Bloco de tratamento de sinal: Filtra, amplifica e em geral modifica o sinal obtido
pelo elemento sensor.
• Etapa de Saída: Adapta o sinal para as necessidades de carga externa. Inclui os
amplificadores, interruptores, conversores de código e transmissores de código.
3.2 Classificação dos Transdutores
Segundo o Tipo de Saída os transdutores podem ser classificados em:
• Analógicos: Este tipo de saída é contínua no tempo como na amplitude. As saídas
analógicas usadas na industria são normalizados de 0-10 V e de 4-20 mA.
• Digitais: saídas discretas no tempo e na amplitude, em forma de palavra codificada.
• Tudo – Nada: Indicam quando a variável ultrapassa passa determinado limite.
44
Também é possível classificar aos sensores como sensores passivos e ativos. Os
sensores passivos precisam de alimentação externa. Eles modificam a energia externa
gerando sinais que são processados, logo depois, por uma interface. Os sensores ativos
não precisam de alimentação externa já que são considerados como pequenos
geradores elétricos.
Os sensores podem se classificar segundo a grandeza física medida. Por
exemplo, existem os sensores de posição linear e angular, de pequenos deslocamentos,
velocidade linear e angular, aceleração, força e torque, pressão, vazão, temperatura,
etc.
3.3 Características Gerais dos Transdutores
Os transdutores, idealmente, têm características lineares da entrada para a saída.
Porém, na vida real a linearidade dos sensores é afetada por perturbações externas e um
tempo de retardo na resposta. É por este motivo que a linearidade é garantida só em
uma faixa de validade. Para solucionar estes problemas, os sensores vêm
acompanhados de algumas curvas características para descrever as relações
entrada/saída. No caso das variáveis de interesse na disposição física do GIRINO em
ambientes de operação complicados (como o caso das altas pressões em dutos
submarinos), as características dadas pelos fabricantes devem ser analisadas
cuidadosamente na escolha do transdutor. Segundo a natureza da variação das saídas
dos transdutores, pode-se considerar dois tipos de características: as estáticas, que
descrevem a atuação do transdutor em regime permanente ou com câmbios muito
lentos na variável medida; e as dinâmicas, que descrevem a atuação do transdutor em
regime transitório.
Entre as características estáticas podem-se encontrar:
Faixa de Medida (Range): Intervalo de valores da grandeza de entrada compreendido
entre o máximo e mínimo valor detectável pelo sensor. Também é chamado de “Faixa
Dinâmica”.
Alcance (Span): É a diferença entre os valores superior e inferior da faixa de medida
do instrumento.
Resolução (Resolution): Indica a capacidade do sensor para diferenciar entre os valores
próximos da variável de entrada. Mede-se pela mínima diferença entre dois valores
próximos que o sensor é capaz de distinguir.
45
Precisão (Accuracy): Indica a tolerância da medida do instrumento (intervalo onde é
admissível que se situe a grandeza da medida), e define os limites dos erros cometidos
quando o instrumento se emprega em condições normais de serviço.
Reprodutibilidade (Repeatibility): Indica o máximo desvio entre valores de saída
obtidos ao medir-se várias vezes um mesmo valor de entrada com o mesmo transdutor
e em idênticas condições ambientais.
Linearidade: Um transdutor é linear se existe uma constante de proporcionalidade
única que relaciona os incrementos do sinal de saída com os correspondentes
incrementos do sinal de entrada.
Sensibilidade (Sensitivity): Indica a maior ou a menor variação da saída por unidade da
grandeza da entrada. Para os transdutores lineares esta relação é constante em tudo o
campo de medida e para os não- lineares depende do ponto onde seja feita a medição.
Ruído (Noise): Qualquer perturbação aleatória do próprio transdutor ou sistema de
medida, que produz um desvio da saída com respeito ao valor teórico.
Histerese (Histeresis): Um transdutor apresenta histerese quando o valor da saída
depende de a medição ter sido feita com variações em sentido crescente ou em sentido
decrescente.
Zona Morta (Dead Band): Zona em que o instrumento não emite resposta.
Figura 3.2. Definições de um Termômetro
46
As Figuras 3.2 e 3.3 apresentam o exemplo de um termômetro com faixa
dinâmica de 100 oC a 300 oC, indicando algumas das características estáticas para sua
melhor compreensão.
Figura 3.3. Reprodutibilidade e Histerese no Termômetro.
A maioria de transdutores tem um comportamento dinâmico que pode se
assimilar a sistemas de primeira e segunda ordem (uma ou duas constantes de tempo).
Existe assim uma semelhança entre os parâmetros definidos para os transdutores e
estes sistemas. A característica mais importante no comportamento dinâmico é a
velocidade de resposta, que mede a capacidade de um transdutor para que o sinal de
saída siga sem retardo as variações do sinal de entrada. Os parâmetros mais relevantes
para a medição da velocidade de resposta são:
Tempo de Retardo: Tempo transcorrido desde a aplicação da entrada degrau,
até que a saída atinja 10% do seu va lor permanente.
Tempo de Subida: Tempo transcorrido desde que a saída haver atingido 10%
do seu valor permanente ate que a saída chegue a 90% do referido valor.
Tempo de Estabelecimento: Tempo transcorrido desde que se aplica a entrada
em degrau, até que a saída chegue ao regime permanente, com uma determinada
tolerância.
Constante de Tempo: Para um transdutor com resposta de primeira ordem,
pode- se determinar a constante de tempo medindo-se o tempo transcorrido até a saída
47
chegar a 63 % do seu valor permanente quando se aplica uma entrada degrau ao
sistema.
Estabilidade e Deriva: Características que indicam o desvio da saída do sensor
ao variar-se alguns parâmetros exteriores distintos dos que se desejam medir, tais como
condições ambientais, alimentação ou outras perturbações.
3.4 Tipos de Transdutores
A seguir se apresentaram as características funcionais dos transdutores que
atendem ao problema de monitoração do GIRINO.
3.4.1 Transdutores de Posição
Os transdutores de posição apresentam um sinal de saída proporcional à
distância detectada ou à presença de algum material. Esta diversidade de funções
permite classificar estes transdutores em três grandes grupos:
Detectores de Presença ou Proximidade: São os mais simples deste grupo. Seus dois
estados de saída indicam a presença ou ausência de algum objeto.
Medidores de Distância ou Posição: Os múltiplos estados do sinal elétrico de saída são
determinados pela posição (linear ou angular) de um objeto em referência a um ponto.
Transdutores de Pequenas Deformações: Sensores desenhados para detectar pequenas
deformações ou movimentos. São também utilizados como medidores indiretos de
força ou de torque.
Detectores de Presença: Os detectores de presença podem ser utilizados para
emitir pulsos cada vez que um objeto “dentado” interfere na sua zona sensível, como
pode ser observado na Figura 3.4. Pela contagem dos pulsos mede-se de forma indireta
o deslocamento linear ou angular do objeto. Esta forma de medição se apresenta como
uma possível solução para a medição do deslocamento linear das hastes dos cilindros
principais e o deslocamento angular das torres de giro do porta- ferramenta.
48
Figura 3.4. Medição de deslocamento linear e angular
através de detectores Sensores Indutivos: O campo de medida destes dispositivos (ver Figura 3.5) alcança
distâncias que variam de 1 mm a 30 mm.
Figura 3.5. Sensor Indutivo
O principio de funcionamento pode ser compreendido com ajuda da Figura 3.6.
Nesta figura pode-se observar o diagrama de blocos que ilustra o funcionamento do
sensor indutivo. A bobina de campo, enrolada sobre o núcleo ferromagnético do tipo
pot-core, define o campo sensível do sensor. Ao aproximar-se um objeto metálico da
zona sensível, atenua-se a amplitude do sinal do circuito oscilador L-C. O detector que
processa a amplitude do sinal do oscilador dá, como resultado, um efeito binario na
saída do detector.
49
Figura 3.6. Diagrama de blocos de um sensor indutivo
Para determinar o campo de medida considera-se, por norma, uma placa
quadrada de aço ST37 de 1 mm de espessura e de dimensões que dependem da
extensão da zona sensível do dispositivo. Para outros tipos de metal e outras
dimensões, a distância normal de detecção deve ser corrigida por um fator de 0,4 a 1,0.
É possível utilizar estes detectores como sensores de distância. Isto porque a atenuação
do sinal do circuito oscilador varia com a distância. Porém, esta medida depende das
condições ambientais e do tipo de metal. Esta dependência prejudica o resultado. Este
detector, quando usado como interruptor de final de curso, sustenta algumas vantagens
sobre o seu equivalente mecânico, por exemplo, a ausência de contato com o objeto a
detectar, resistência a ambientes agressivos e baixo preço.
Detectores Capacitivos: O princípio de funcionamento destes dispositivos é similar ao
dos indutivos. A diferença está nos entes atuantes na zona sensível. Neste caso, o
elemento sensível é o capacitor do elemento oscilante, formado por dois aros metálicos
concêntricos situados na face sensível, e cujo dielétrico é o material detectado pela
zona sensível. Assim, o sinal do oscilador depende do material detectado. Apesar de
que com este dispositivo pode-se detectar materiais metálicos ou não-metálicos, a
dependência destes materiais às condições ambientais os torna muito sensíveis e
restringe seu uso a detectores binarios. Para superar este problema, o sensor é provido
de um ajuste de sensibilidade, com a finalidade de poder reconhecer determinados
materiais e ignorar outros. Esta característica o faz muito usado na detecção de
materiais não-metálicos como vidro, cerâmica, plástico, madeira, óleo, água, cartão,
papel, etc.
50
Detectores Ópticos: Estes mecanismos, compostos comumente de fotocélulas,
precisam de uma fonte luminosa. O feixe de luz gerado pela fonte é captado pelo
detector. As duas posições relativas entre a fonte e o detector são denominadas modo
de reflexão e modo de barreira (ver Figura 3.7). No primeiro modo, o feixe emitido
pela fonte reflete sobre o objeto detectado e é colhido pelo detector que está junto à
fonte. O modo de barreira dispõe a fonte e o detector separados, um em frente do outro,
permitindo que o objeto fique no meio de ambos.
Figura 3.7. Detectores Ópticos
As principais vantagens deste tipo de detector são:
• Alta imunidade a interferências eletromagnéticas (EMI) externas.
• Implementação em lugares de difícil acesso através do uso de fibras ópticas.
• Distâncias de detecção grandes em comparação aos detectores indutivos e
capacitivos. Obtém-se facilmente até 500 m no modo barreira e até 5 m por
reflexão.
• Alta velocidade de resposta e freqüência de comutação.
• Permitem a identificação de cores.
• São capazes de detectar objetos do tamanho de décimos de milímetro.
51
A implementação deste tipo de detecção em lugares de difícil acesso é feita
mediante fibras ópticas. Através das fibras o feixe de luz pode ser levado da fonte ao
lugar de detecção e voltar pela mesma até a fotocélula, aproveitando a flexibilidade da
fibra. Estes detectores têm distâncias de detecção de 3 mm a 10 m, podendo detectar
objetos muitos pequenos como marcas de 1 mm sobre peças que se movem a grande
velocidade (por exemplo 30 m/s). Deve-se ter cuidado com as condições ambientais
para este tipo de detector, como são as mudanças na iluminação, pó e outras condições
do entorno. A Figura 3.8 apresenta a resposta típica destes dispositivos com saída
analógica.
Figura 3.8. Detectores ópticos com saída analógica
Detectores de Ultra-som: Estes detectores são baseados na emissão e recepção de
ondas de ultra-som. Quando um objeto interrompe o feixe, o nível de recepção de
ultra-som varia e o receptor detecta esta variação. Como vantagem sobre as
fotocélulas, os detectores de ultra-som podem captar com facilidade objetos
transparentes, como cristal ou plásticos, que são materiais que oferecem dificuldades
para a detecção óptica. Como estes detectores usam ondas de ultra-som que se movem
pelo ar, não poderão ser utilizados em lugares onde este circule com violência (saídas
de ar condicionado, proximidade a portas, etc), ou em meios de elevada contaminação
acústica (prensas, batimento de metais, etc.).
A Tabela 3.1 informa sobre o sensor mais útil para determinadas condições de
campo de medida e o objeto a detectar. Desta tabela é possível deduzir qual dos
detectores poderia ser o melhor para o caso de deslocamento linear e angular de
52
objetos dentados. Segundo proposto na Figura 3.4, o objeto dentado é sólido e
metálico, pois a estrutura do robô está composta de partes metálicas. A distância de
detecção deve ser a mínima possível para evitar interferências de sólidos não
desejados. Uma maneira de evitar esta classe de interferências é proteger o sensor com
alguma espécie de armadura, mas a estrutura mecânica aumentaria sua complexidade.
Em todo caso, segundo a referida tabela, o detector mais adequado é o indutivo.
MATERIAL DISTÂNCIA TIPO DE
DETECTOR
<50 mm INDUTIVO
METÁLICO >50 mm
ULTRA-SOM OU
ÓPTICO
<50 mm CAPACITIVO SÓLIDO
NÃO-METÁLICO >50 mm
ULTRA-SOM OU
ÓPTICO
<50 mm INDUTIVO METÁLICO
>50 mm ULTRA-SOM
<50 mm CAPACITIVO
PÓ ou
GRANULADOS NÃO-METÁLICO
>50 mm ULTRA-SOM
<50 mm CAPACITIVO TRANSPARENTE
>50 mm ULTRA-SOM
<50 mm CAPACITIVO LÍQUIDO
OPACO >50 mm ÓPTICO
Tabela 3.1 Critérios de seleção de detectores de proximidade.
3.4.2 Medidores de Posição ou Distância:
Pode-se identificar dois grupos principais nesta classe de medidores:
• Indicadores de Posição Linear ou Angular para grandes distâncias, também
chamados de Medidores de coordenadas absolutas e incrementais, muito utilizados em
robótica para determinar as posições relativas das partes móveis de uma máquina.
Trata-se de transdutores de deslocamento relativo utilizados para a medição indireta de
distâncias. Indireta, porque na verdade não permitem determinar a distância entre
53
elementos estáticos, mas unicamente a posição relativa de objetos a partir de uma
origem de deslocamento. A sua característica essencial é que permitem medir grandes
distâncias com uma excelente resolução e são usados no campo da robótica e
máquinas-ferramenta. Pode-se distinguir dois tipos: absolutos e incrementais. Os
primeiros dão em todo momento uma indicação da posição em relação a uma origem,
inclusive no caso de perda de alimentação. Os incrementais, porém, detectam
deslocamentos e obtêm a posição final, com base no acúmulo destes deslocamentos em
relação à origem. A maioria dos medidores de coordenadas se baseiam em detectores
de deslocamento angular, mas a conversão de movimento angular em linear é fácil.
• Detectores de deformações ou presença a pequenas distâncias, que permitem
determinar a distância entre um objeto estático ou em movimento com respeito à
cabeça do sensor.
Potenciômetros O potenciômetro é um transdutor de posição angular ou linear, de tipo absoluto
e com saída analógica. Consiste em uma resistência de fio bobinado ou em uma pista
de material condutor, distribuída ao longo de um suporte em forma de arco, e um
cursor solidário a um eixo de saída, que pode deslizar sobre o condutor (Figura 3.9). O
movimento do eixo desloca o cursor, provocando mudanças de resistência entre este e
qualquer dos extremos. Assim, quando se alimenta uma tensão constante entre os
extremos da resistência, aparece entre a tomada média e um dos extremos uma tensão
proporcional ao ângulo girado a partir da origem.
Para os potenciômetros usados como sensores de posição interessa que a lei de
variação da resistência em função do ângulo de giro seja linear, embora existem
potenciômetros com a lei de variação logarítmica, entre outras, que são usadas para
outras aplicações. A tensão de saída depende do ângulo girado respeito à origem e da
tensão de alimentação entre um dos extremos. Este fato pode originar erros de medida
caso a tensão de alimentação não seja estritamente constante, e por isso é preferível
medir a relação V/Vo, em lugar de medir a tensão V. Esta forma de medida tem a
vantagem de apresentar uma saída independente do valor de tensão de alimentação e
dependente unicamente do ângulo girado pelo cursor. Com respeito à resposta
dinâmica, o potenciômetro é praticamente um elemento proporcional sem retardo.
Somente se deveria considerar o retardo devido à indutância do bobinado se os
54
movimentos fossem muito rápidos, mas a freqüência de funcionamento fica
tipicamente limitada, por razões mecânicas, a 5 Hz.
Estes tipo de transdutores apresentam-se como uma boa opção para a medição
do deslocamento angular das torres de giro por ter, entre suas características básicas, a
sua diversificação de tamanhos encontrados no mercado e o seu baixo consumo de
energia.
Figura 3.9. Potenciômetro
Encoders
Os encoders são dispositivos formados por um rotor com um ou vários grupos
de bandas opacas e translúcidas alternadas e por uma serie de captadores ópticos
alojados no estator, que detectam a presença ou não da banda opaca na frente deles.
Existem dois tipos de encoders: os incrementais, que dão um determinado número de
pulsos por volta; e os absolutos, que dispõem de bandas no rotor segundo um código
binário.
Encoders Incrementais
Os encoders incrementais têm uma banda de marcas transparentes e opacas
repartidas no rotor separadas por uma distância p conforme a Figura 3.7. No estator
dispõem-se dois pares de pares de emissor e receptor (saída de dois canais) defasadas
de um número inteiro de passo mais ¼ de passo. Ao girar o rotor, cada par gera um
sinal quadrado. Dependendo da defasagem dos dois sinais quadrados obtém-se a
55
direção de giro. O número de pulsos indica o deslocamento angular. Um sistema lógico
simples permite determinar deslocamentos a partir da origem, peça contagem dos
pulsos de saída de um canal, e determinar o sentido de giro a partir da defasagem entre
as saídas dos dois canais. Alguns encoders incrementais dispõem de um canal
adicional, que proporciona um impulso por revolução. A lógica de controle pode usar
este sinal para implementar um contador de voltas e outro para frações de voltas. A
resolução do encoder dependerá do número (N) de divisões do rotor ou, o que é o
mesmo, do número de impulsos por revolução. A resolução expressa em graus vale:
Resolução = 360º /N.
Figura 3.10. Encoder Incremental
Encoders Absolutos
Os encoders absolutos dispõem de várias faixas em forma de coroa circulares
concêntricas, com zonas opacas e transparentes, de modo que no sentido radial o rotor
fica dividido em uma série de sectores, com combinações de opacos e transparentes
que seguem o código Gray como apresentado na Figura 3.11. O estator dispõe de um
sensor para cada coroa do rotor, dispostos em forma radial. O conjunto de informações
56
binárias obtidas dos captadores é único para cada posição do rotor e representa em
código Gray sua posição absoluta.
Figura 3.11. Encoder absoluto
O tipo de código refletido tem a vantagem de que em cada mudança de seção só
muda o estado de uma das faixas, evitando que se possa produzir erro por falta de
alinhamento dos captadores. Como exemplo, indica-se a geração do código Gray de
três bits:
Número Código Gray
0 000
1 001
2 011
3 010
4 110
5 111
6 101
7 100
57
Para um encoder com N bandas no rotor, tem-se um código de N bits, que
permite 2N combinações. A resolução do encoder será, portanto, de 360o/2N.
Tipicamente os encoders disponíveis têm de 12 a 16 bits.
Estes transdutores apresentam um complicador na implementação do robô de
inspeção interna de dutos, pois utilizam um feixe de luz que, no ambiente de operação
em oleodutos, encontra muitas dificuldades para se propagar. As dificuldades se
devem aos óleos opacos e objetos sólidos encontrados nos oleodutos. No caso de
utilizar estes transdutores é preciso o uso de alguma proteção, que aumentaria o
volume da estrutura mecânica do robô.
Sincros
Um sincro é um transdutor de posição angular do tipo eletromagnético, cujo
princípio de funcionamento se baseia em um transformador com uma de suas bobinas
rotativas. Existem diversos tipos de sincros, dependendo do número de bobinas e de
sua posição relativa, mas as configurações mais freqüentes são as que dispõem de:
- Primário no rotor e, em geral, monofásico.
- Secundário no estator e, em geral, trifásico.
Para compreender o funcionamento de um sincro podemos nos guiar pela
Figura 3.12, onde se mostra esquematicamente a característica antes indicada (primário
monofásico, e secundário trifásico conectado em estrela). Quando se aplica uma tensão
senoidal U1 à bobina primária, se recolhem nas bobinas secundárias de cada uma das
fases três tensões, es1, es2 e es3, cuja amplitude e fase com respeito à tensão do primário
dependem da posição angular do rotor, segundo indicam as seguintes equações:
A medição das três fases é necessária porque, no caso de existir só uma fase,
seria obtida só uma das tensões do secundário, es1 por exemplo. Com isto, no caso de
−=
−=
=
θπ
ω
θπ
ω
θω
34
cossen
32
cossen
cossen
11
21
11
21
11
21
tUnn
e
tUnn
e
tUnn
e
Ms
Ms
Ms
58
querer-se determinar a posição angular do rotor pela tensão obtida do secundário,
existiria uma indeterminação no sinal do ângulo, já que cos θ = cos (-θ). Para um
sincro com secundário trifásico esta indeterminação desaparece:
( )
−−<>
− θ
πθ
π3
2cos
32
cos
Figura 3.12. Principio de funcionamento de um sincro
A Figura 3.13 apresenta esquematicamente a amplitude e signo das tensões nas
bobinas do estator para diferentes orientações da bobina do rotor.
Figura 3.13. Diagrama de amplitude e fase de um sincro,
para distintas orientações do rotor.
59
Estes transdutores apresentam uma grande precisão (erro apenas de 10 minutos
de arco), que não é necessária para o caso da medição do giro das torres. Além disto,
esta tecnologia não está disponível no mercado e não é usada a nível industrial. Por
isso a quantidade de informação existente sobre seu uso prático é mínima. Estas
características dificultam a sua implementação no porta-ferramenta.
Inductosyn
O inductosyn é um transdutor eletromagnético usado para a medida de
deslocamentos lineares, com uma precisão da ordem de micrometros. Utiliza-se
atualmente como medidor de coordenadas em muitas máquinas-ferramenta e controle
numérico. O transdutor consta de duas partes acopladas magneticamente como
apresentado na Figura 3.14. Existe uma determinada escala, que é fixa e esta sobre o
eixo de deslocamento e outra parte deslizante. A parte fixa tem gravado um circuito
impresso com as trilhas em forma de onda retangular com um passo p. A parte móvel
tem dois circuitos impressos menores, alinhados com os da escala, e defasados um
número inteiro de passos mais ¼ de passo (principio análogo ao observado para os
encoders incrementais). Se excitar a parte fixa com um sinal alternado (5 kHz a 20
kHz) de valor v= V sen ωt, cada um dos circuitos da parte deslizante terá uma tensão
induzida igual a:
( )( )[ ]2//2cossen
/2cossenππω
πω+=
=pxtkVvpxtkVv
b
a
onde x é o deslocamento lineal e p é a distância ou passo da onda gravada na escala. A
amplitude do sinal de saída varia entre um máximo e um mínimo, dependendo das
escalas fixa e móbil se encontrarem alinhadas ou defasadas ½ passo. A medição
realiza-se somando o número de ciclos do sinal de saída completos, mais a variação
dentro de um ciclo. A indeterminação do sentido de movimento resolve-se comparando
a fase dos captadores, da mesma forma como se faz com os encoders.
Apesar do consumo padronizado industrial, existem as dificuldades com a
marinização e com o tamanho deste transdutor, pois ele possui duas partes que ocupam
um espaço que tende a modificar a estrutura mecânica do robô.
60
Figura 3.14 Inductosyn
Transdutor Laser Os sensores laser podem ser utilizados como detectores de distâncias, usando
técnicas de reflexão e triangulação parecidas com as de outros detectores ópticos. È
possível também utiliza-los como detectores de deslocamento por análise de
interferências na emissão e recepção de um mesmo raio (interferômetros laser). Neste
último caso, a medição de distâncias se faz pela contagem crestas e vales na
interferência e, portanto, por um principio similar ao do encoder incremental.
O principio de funcionamento do interferômetro laser baseia-se na superposição
de ondas de igual freqüência, uma direta e outra refletida. Se as ondas estão em fase, a
superposição é aditiva, e se estão em contra-fase, diminutiva. A onda resultante da
superposição passa por valores máximos e mínimos ao variar-se a fase do sinal
refletido.
Os sensores industriais baseados neste princípio geram um feixe de luz que se
divide em duas partes ortogonais mediante um separador (Ver Figura 3.15). Um feixe
aplica-se diretamente sobre um espelho plano fixo, no mesmo momento o outro se
reflete no objeto cuja distância se quer determinar. Os dois feixes superpõem-se de
novo no separador, de jeito que ao se deslocar o objeto a detectar geram-se máximos e
mínimos de amplitude a cada múltiplo do comprimento de onda do feixe. O
deslocamento, ou diferença relativa de posições, determina-se contando estas
oscilações, obtendo-se uma saída digital de elevada precisão, com resoluções do ordem
do comprimento de onda da luz empregada (uns 50 nm transdutores industriais).
61
Figura 3.15 Transdutor Laser
Como no caso dos detectores ópticos, os transdutores laser apresentam o
problema de manter um feixe de luz em um ambiente infestado de materiais que
impedem sua propagação. Esta é a maior dificuldade na sua implementação no
GIRINO, porque ele opera em oleodutos.
Sensores de Ultra-som
Os sensores de ultra-som emitem um sinal de pressão em direção ao objeto cuja
distância se deseja medir e medem o tempo transcorrido entre a emissão do pulso e a
recepção do eco refletido no objeto. O mais conhecido destes sistemas é provavelmente
o sonar. Ele é utilizado em submarinos. O sonar é atualmente utilizado em sistemas de
ecografía semelhantes aos utilizados por morcegos, que detectam obstáculos no meio
natural escuridão. Industrialmente os sonares são utilizados para verificar níveis de
sólidos ou líquidos em silos, presença de obstáculos no campo de alcance de robôs, etc.
As freqüências da perturbação emitida estão no intervalo de 20 a 40 kHz.
A elevada contaminação acústica na operação do GIRINO impossibilita o uso
deste sensor para a medição do deslocamento das hastes dos cilindros principais. O uso
deste sensor para outras aplicações semelhantes, no GIRINO, fica também
impossibilitado.
62
Transdutores Magnetoestrictivos
Os transdutores magnetoestrictivos são baseados na detecção de um pulso
gerado pela deformação elástica que se produz em alguns materiais sob o efeito de
campos magnéticos. Um transdutor magnetoestritivo é constituído, basicamente, por
uma vara de material magnético na qual se gera uma perturbação de ultra-som
mediante uma bobina indutora. Sobre a vara coloca-se um ímã móvel que pode deslizar
sobre dela. O ímã gera uma mudança de permeabilidade no meio e isto provoca uma
reflexão da onda de ultra-som, podendo-se assim medir a distância ao ímã através
tempo decorrido até o retorno do eco. Em geral, o pulso transmitido é quadrado e
mede-se a defasagem entre este e o eco, como se apresenta na Figura 3.16. Este tipo de
transdutor é robusto e adequado para ambientes agressivos, com campos de medida de
até 10 metros, o que o faz ideal para medir o deslocamento das hastes dos cilindros
principais do robô.
Figura 3.16 Ondas Magnetoestrictivas
3.4.3 Medidores de Pequenos Deslocamentos
Transformadores Diferenciais
Transformadores diferenciais dispõem de um primário acoplado
magneticamente e dois secundários idênticos mediante um núcleo móvel como
observado na Figura 3.17. O núcleo é acoplado a uma haste cujo deslocamento deseja-
se medir, de tal jeito que, na posição de repouso, o núcleo está colocado
simetricamente em referência a ambos os secundários e, ao se deslocar, fica
63
descentralizado. Nestes transformadores, os dois secundários estão conectados em
oposição, de tal jeito que, na posição zero, as tensões induzidas em cada um deles são
iguais e, portanto, a tensão total obtida é nula. Se o núcleo se desloca, as tensões dos
secundários deixam de ser iguais e a tensão de saída varia em módulo e sentido. Este
tipo de transdutor se apresenta como um bom candidato na monitoração do
deslocamento linear dos cilindros principais do GIRINO sendo que sua única
desvantagem está na sua possível marinização para operar em altas pressões.
Figura 3.17. Principio do Transformador Diferencial Linear
Extensômetros
São sensores de deformação baseados na variação da resistência de um fio
condutor ou de trilhas de semicondutor. São utilizados com peças deformáveis para
detectar de forma indireta esforços de tração, compressão, torsão, etc. São mais usados
como transdutores de força ou de torque, e em outros tipo de transdutores de forma
indireta, como acelerômetros, detectores de pressão, etc.
Extensômetros de Fio
Este tipo de extensômetro tem a sua resistência formada por um fio disposto na
forma de zigue-zague sobre um suporte elástico, com uma orientação preferenc ial
segundo a qual encontra-se a maior parte da longitude do fio. Ao se deformar o
extensômetro por tração na direção preferencial, se produz um alongamento do fio e
uma diminuição da sua secção (neste caso de area transversal circular) e, portanto, uma
variação de sua resistência segundo a lei
64
Onde ρ é a resistividade do material (Ω/cm), l é o cumprimento do fio (cm) e S é a
seção do fio (cm2).
Nos extensômetros de fio, a variação da resistência se produz por duas coisas
simultaneamente: o aumento de longitude e a diminuição da secção, mantendo-se
praticamente constante a resistividade:
.2
422 rrdrlSdl
SldSSdl
dRπ
πρρρρ −=
−=
Dado que as deformações longitudinais dl e transversais dr de um corpo
elástico estão ligadas pelo modulo de Poisson, µ, cuja expressão é
,//ldlrdr
−=µ
a relação pode escrever-se como
.).21(l
dlRdR µ+=
Quer dizer, a variação unitária da resistência dR/R está ligada à variação
unitária da longitude dl/l, por um coeficiente constante (1+2µ), denominado de
coeficiente de sensib ilidade.
Com a finalidade de medir variações dR significativas, o extensômetro tem uma
resistência alta e funciona com um consumo muito baixo de corrente, para evitar que o
efeito Joule provoque variações importantes da resistência.
A medição de deformações requer uma meticulosa colocação dos
extensômetros e uma calibração trabalhosa, porque a que o coeficiente de sensibilidade
costuma ser pequeno. A amplificação dos sinais se faz comumente por métodos
diferenciais, com três fios, como o representado na Figura 3.18.
.1
2rSl
Rπ
ρρ ==
65
Figura 3.18 Ponte de medida para extensômetros
3.4.4 Transdutores de Força e Torque
Tal como foi mencionado anteriormente, a detecção de força ou torque realiza-
se sempre de forma indireta, a partir das deformações que um sólido experimenta sob a
ação direta desta força ou torque. Assim, uma das bases do transdutor é constituída
pelos de pequenas deformações estudados anteriormente. O resto consiste em peças
elásticas desenhadas de forma que se obtenha uma deformação proporcional à força ou
torque que se deseja medir, como é o caso das células de carga formadas por uma peça
cilíndrica deformável. A utilização de células de carga adaptadas para ambientes
submarinos é muito difundida e é uma boa opção para a monitoração da tensão
transmitida pelo umbilical do GIRINO.
3.4.5 Transdutor de Pressão
Os transdutores de pressão são baseados na deformação de um elemento
elástico (membrana, tubo de Bourdon, etc.), cujo movimento sob a ação do fluido é
detectado por um transdutor de pequenos deslocamentos (extensômetro, transformador
diferencial, etc.), do qual se obtém um sinal elétrico proporcional à pressão.
66
Os transdutores de pressão mais freqüentes são os de diafragma de membrana.
O diafragma consiste numa parede delgada que se deforma sob efeito da pressão.
Medindo-se esta deformação mediante uma ponte de extensômetros, ou mediante um
transformador diferencial, obtém-se uma medida indireta da pressão como ilustrado na
Figura 3.19.
Figura 3.19. Transdutor de Pressão
3.5 Aquisição e Transmissão de Dados
Os sinais elétricos de saída dos transdutores utilizados na monitoração do porta-
ferramenta devem ser processados e enviados através do umbilical até a superfície. O
processamento de dados implica a digitalização dos sinais analógicos de saída dos
transdutores. O protocolo RS485 é utilizado para transmitir os dados digitalizados
desde o campo de operação até a superfície de monitoramento. Este protocolo tem
entre as suas características mais importantes a sua capacidade de transmitir dados até
uma distância de 1200 m. O componente utilizado para a visualização da variação das
grandezas de interesse do sistema é um computador pessoal que adquire os dados
através da porta serial RS-232. Explica-se a seguir a teoria de digitalização de sinais
análogas e dos protocolos RS-485 e RS-232, necessária para se entender o processo de
transmissão de dados.
67
3.5.1 Sistemas de Aquisição, Conversão e Distribuição de dados
A conversão dos sinais, na transmissão de dados digitais, envolve as seguintes
operações:
• Multiplexação e demultiplexação
• Amostragem e retenção
• Conversão Analógico-Digital (quantização e codificação).
Na Figura 3.20, mostra-se o diagrama de blocos de um sistema de aquisição de dados.
Figura 3.20. Sistema de Aquisição de dados
No sistema de aquisição de dados completo, a entrada do sistema é uma
variável física. Como foi explicado anteriormente, estas variáveis são convertidas para
sinais elétricos pelos transdutores. O amplificador se segue ao transdutor
(freqüentemente um amplificador operacional), e executa uma ou mais das seguintes
funções: amplificar a voltagem de saída do transdutor; converter o sinal de corrente
num sinal de voltagem; ou isolar o sinal. O filtro passa-baixas que segue ao
amplificador atenua as componentes de alta freqüência do sinal, tais como sinais de
ruído. A saída do filtro passa-baixas é um sinal analógico. Este sinal entra em um
multiplexador analógico. A saída do multiplexador entra no circuito de amostragem e
retenção, cuja saída, por sua vez, entra no conversor analógico-digital. A saída do
conversor é um sinal na forma digital, que é transmitido ao computador digital.
O multiplexador analógico é um dispositivo que leva a cabo a função de
compartir, no tempo, um conversor A/D entre muitos canais analógicos. A transmissão
de vários canais para um só conversor A/D é possível porque, em cada um dos pulsos,
o trecho que representa o sinal de entrada tem de pouca duração. Desta forma, o espaço
vazio durante cada período de amostragem pode ser utilizado para outros sinais. O
demultiplexador, o qual está sincronizado com o sinal de amostragem de entrada,
separa os dados digitais da saída composta, para gerar os canais originais.
68
Um amostrador do sistema digital converte um sinal analógico num trem de
pulsos de amplitude modulada. O circuito de retenção mantém o valor do pulso do
sinal amostrado durante um tempo específico. O amostrador e o retentor são
necessários no conversor A/D para produzir um número que represente de forma
precisa o sinal de entrada no instante de amostragem. Comercialmente, existem
circuitos de amostragem e retenção numa só unidade. Na pratica, é comum utilizar um
só conversor A/D, e multiplexar diversos sinais analógicos para a entrada do conversor
A/D.
O processo mediante o qual um sinal analógico amostrado se quantiza e se
converte em número binário é conhecido como conversão analógico-digital. Desta
maneira, um conversor A/D transforma um sinal analógico em um sinal digital ou
palavra codificada numericamente. Na prática, a lógica é baseada em dígitos binários
compostos por 0s e 1s, e a representação tem um número finito de dígitos. O conversor
A/D executa as operações de amostragem e retenção, quantização e codificação. No
sistema digital um relógio gera um pulso para cada período de amostragem. Entre os
conversores A/D disponíveis, os seguintes tipos são os mais freqüentemente utilizados:
por aproximações sucessivas, por integração, à base de contador, e em paralelo.
3.5.2 Protocolo RS-232
A transmissão interna de dados no computador é feita por duas vias, a paralela
e a serial, das quais a mais comum é a primeira. Já para a transmissão dados para
equipamento externo ao computador é mais comum utilizar comunicação serial. A
comunicação serial utiliza um “trem” de bits por uma via só (barramento serial) e a
comunicação em paralelo utiliza uma via independente por cada bit transmitido
(barramento paralelo). Os barramentos serial e paralelo podem ser unidirecionais ou
bidirecionais. No caso bidirecional, pode-se transmitir dados em ambos sentidos, mas
não ao mesmo tempo. Na comunicação serial, o período de tempo em que se transmite
um bit é chamado de baud. São duas as formas de transmissão de dados em forma
serial: síncrona e assíncrona. Na comunicação assíncrona, cada palavra transmitida é
composta de um bit de início, pelos dados que contêm a informação que se deseja
transmitir, por um bit de paridade e por um bit de parada. É chamada de comunicação
assíncrona porque o receptor sincroniza suas operações com o transmissor ao receber
os bits. Depois de receber o primeiro bit e de um tempo de retardo arbitrário se
69
recebem os próximos bits. Na comunicação síncrona o transmissor transmite
continuamente sinais de dados.
O protocolo RS232 era chamado antigamente de Protocolo EIA232
(determinado pela Electronic Indsutrial Alliance) e é utilizado para comunicação entre
o computador e equipamentos externos a este (sensores e atuadores). Supõe uma
comunicação ponto a ponto full-duplex entre dois terminais. Os drivers utilizados mais
comumente nos PC precisam de alimentação simétrica, como os circuitos integrados da
serie 1488. No computador é usado o conector DB-9 definida pela norma EIA-74, que
usa comunicação assíncrona de dados (RS-232/V.24). O comprimento máximo de
cabo, pela norma, é de 15 m e a velocidade máxima de transmissão é 20kbps.
Por meio do protocolo RS-232, são padronizados a velocidades de transferência
de dados, a forma de controle que esta transferência utiliza, os níveis de voltagem
utilizados, o tipo de cabo permitido, as distâncias entre equipamentos, os conectores,
etc. Além das duas linhas de transmissão (Tx) e recepção (Rx) de dados, o protocolo
tem as linhas de controle de fluxo handshake para conseguir uma comunicação
eficiente. Os níveis de tensão dos pinos dos conectores estão compreendidos entre –
15V e 15V. Os níveis de 3V a 15V são considerados níveis baixos e de -3V a –15 são
considerados níveis altos.
Os padrões que se configuram por meio do software deste protocolo são a
velocidade em bauds, a verificação de paridade, os bits de parada logo depois da
transmissão de uma palavra e a quantidade de bits por palavra. A primeira porta serial,
denominado comumente COM1 faz acesos ao sistema pela interrupção IRQ4. Seus
registros começam na direção de memória %3F8 e vão até o endereço %3FE. Para as
máquinas que têm uma segunda porta serial, denominada COM2, utiliza-se a
interrupção IRQ3, e os registros ficam nos endereços %2F8 até a %2FE.
3.5.3 Protocolo RS-485
Este protocolo utiliza só um par de cabos para transmitir dados, o que constitui
uma vantagem, por diminuir o número de fios no umbilical do robô. Esta comunicação
digital também é imune a ruído e pode comunicar com até 32 instrumentos, o que o faz
um protocolo muito utilizado a nível industrial, para a conexão de instrumentos em
rede.
70
Este protocolo padroniza o modo de transmissão diferencial, as impedâncias
máximas e mínimas de entrada e saída dos dispositivos, e os níveis de tensão aceitáveis
na rede. Deixa em aberto os tipos de cabos e conectores, numero máximo de nós,
técnicas de terminação, taxas de transmissão, distâncias máximas e protocolos de
comunicação digital.
O protocolo RS-485 é o mais utilizado na área industrial. Seu nome oficial é
EIA-485 (proveniente do comitê que lhe deu nome). No futuro será o padrão
TIA/EIOA-485-A (Telecomunications Industry Association). A transmissão diferencial
de dados utilizada pelo protocolo é ideal para transmissão em altas velocidades, longas
distâncias e ambientes expostos a interferências eletromagnéticas (utiliza par trançado
em sua maioria).
Entre suas características mais importantes encontram-se:
- Transmissão diferencial balanceada.
- Topologia multiponto.
- Fonte de +5 V para os circuitos de alimentação.
- Transmissão de dados em modo comum com tensões de –7V até 12V.
- Permite até 32 cargas (limitado pelas impedâncias de circuito de entrada e
saída dos drivers).
- Velocidade de 100 kbps a 1200 metros (5 ns/m para cabo de 100 ohms).
Normalmente um equipamento com comunicação RS-485 possui recursos para
transmitir e receber dados. A topologia mais usada com RS-485 é o barramento
multiponto. Neste tipo de topologia, só um nó transmite dados e tem o controle da
rede; os outros são receptores. Uma vez que os dados chegam ao nó referenciado, este
responde a todos os nós da rede, sendo que só o transmissor interpreta o sinal. A
topologia em anel é evitada por ser de difícil implementação e cara, do mesmo modo
que a topologia em estrela, que causa reflexão do sinal de dados. Os limites do RS-485
podem ser facilmente ultrapassados, o que lhe da uma determinada flexibilidade.
Apresenta-se a seguir, na Tabela 3.2 a comparação entre os protocolos RS- 232
e RS-485.
71
Especificações RS-232 RS-485
Modo de Operação Ponto a Ponto Multi Ponto
Numero Total de Drivers e
Receivers
1 driver – 1 Receiver 1 driver – 32 Receivers
Comprimento máximo de
rede
12 metros 1200 metros
Taxa de transmissão 20 kbps 10 Mbps
Faixa de tensão do Circuito
de Saída
± 25 V -7V a +12V
Nível de Tensão do Circuito
de Saída – 2 nós (com carga)
±5V a ±15V ± 1,5 V
Nível de Tensão do Circuito
de Saída (sem carga)
±25V ± 6 V
Impedância do Circuito de
Saída (ohms)
3k a 7k 54
Consumo de Corrente
Máximo em Tri-State –
Power On
N/A ±100 µA
Consumo de Corrente
Máximo em Tri-State –
Power Off
±6mA a ±2V ±100 µA
Faixa de Tensão do Circuito
de Entrada
±15V -7V a +12 V
Sensibilidade do Circuito de
Entrada
±3V ± 200mV
Impedância do Circuito de
Entrada (ohms)
3k a 7k ≥10,6 k
Tabela 3.2. Comparação entre RS232 e RS485
Como o computador utiliza o protocolo RS-232, o procedimento normal para a
comunicação com os instrumentos que utilizam o protocolo RS-485 é através de um
conversor RS-232/RS-485 encontrado facilmente na indústria. Este conversor é
projetado para compatibilizar a comunicação RS-232 que é full-duplex, e a topologia
72
ponto-a-ponto, com a comunicação do protocolo RS-485 que é half duplex e a
topologia que é multi-ponto (é possível utilizar full-duplex no RS-485, mas no caso a
comunicação será ponto-a-ponto).
O protocolo RS-485, por suas características simples de comunicação, se
apresenta como o meio de transmissão de dados ideal para o monitoramento do
GIRINO, com exceção de um problema a superar, a distância de transmissão. Em uma
sofisticação futura da monitoração, este problema de transmissão a longas distâncias
pode ser superado utilizando outras tecnologias, como por exemplo a fibra óptica
multímodo.
3.6 Visualização de Dados O sistema tradicional de medição de grandezas físicas tem basicamente três
partes: um transdutor, que converte a grandeza física de uma natureza em uma de outro
tipo; o painel de controle, formado essencialmente pela interface usuário/maquina
(botões, indicadores); e o painel de conexões, que compreende os terminais dos
diversos transdutores. Em contraste ao sistema tradicional de medição, o instrumento
virtual é constituído pelo instrumento real de medição (em nosso caso o transdutor) e
pelo computador conectado a ele. O computador usa um programa que emula o painel
frontal mencionado anteriormente, com a finalidade de fazer a monitoração acessíve l
ao usuário. Uma das vantagens da instrumentação virtual é o aumento da
funcionalidade do sistema de medição, ao fazer possível uma análise digital do sinal
proveniente dos transdutores.
O painel frontal forma a interface conceitual entre o usuário e o instrumento
real. No caso da instrumentação virtual, a interface conceitual é formada pelos
dispositivos de entrada/saída do computador, como são a tela, o teclado e o mouse.
Através destes dispositivos, o computador deve ter pelo menos a mesma
funcionalidade que uma interface conceitual de um instrumento real apresentaria ao
usuário. A programação tradicional para implementar os instrumentos via computador
era feita em linguagem declarativa (C, Pascal, Basic), onde os parâmetros dos
instrumentos eram modificados pelo teclado e os resultados eram apresentados na tela.
Hoje em dia, este tipo de programação foi substituída amplamente pela programação
visual, que usa ícones unidos por ligações para formar o programa. Um exemplo deste
73
tipo de linguagem é a linguagem G utilizada em LabVIEW. O instrumento virtual é
constituído por duas partes:
- Painel Frontal, que emula o painel frontal de um sistema de medição real com
seus componentes (botões, chaves, indicadores, etc).
- Diagrama de blocos, que representa graficamente os processos que atuam
sobre os parâmetros e variáveis mostrados no painel frontal.
Pelo uso da programação visual, as informações são apresentadas de forma
ergonômica, sendo representados na tela do computador instrumentos virtuais com a
mesma funcionalidade dos instrumentos reais. A instrumentação virtual se diferencia
basicamente em duas coisas da instrumentação real: os sinais do instrumento são
enviados ao computador por meio de comunicação serial e a operação do instrumento
real se faz através da interface gráfica do computador com o usuário.
Figura 3.21. Sistema de instrumentação real.
3.6.1 Programação Visual
A programação em computadores é definida como um conjunto de instruções
escritas em uma linguagem compreensível pela máquina, para fazer uma operação
específica. Na programação visual da interface gráfica, os programas são formados por
componentes padronizados reutilizáveis. Os componentes são trechos de programas
pré-compilados, que podem ser usados em diferentes programas através de sua
interconexão. Em instrumentação virtual, estes componentes representam graficamente
os instrumentos reais e suas funcionalidades na tela do computador. Também são
representados os blocos construtivos de programação, como por exemplo os blocos
iterativos (for, while), estruturas de decisão (case, if-then-else), etc. Os programas em
instrumentação virtual são chamados de instrumentos virtuais. Para elaborá- los se
selecionam os componentes de um menu, e os componentes são colocados em um
ambiente gráfico com o ponteiro do mouse. Em seguida, os componentes são
74
conectados através dos seus terminais segundo a lógica de fluxo de informação do
programa.
Figura 3.22. Sistema de instrumentação virtual
O sistema operacional do computador permite que os componentes da
linguagem gráfica sejam executados em forma simultânea e troquem informação entre
eles à medida em que o programa vai evoluindo. Isto é possível porque os
componentes são independentes. O modo em que os componentes podem ser
executados simultaneamente depende da plataforma em que os componentes operam
75
(software e hardware). A informação que é passada entre os blocos precisa de
interfaces, que especificam o modo como são apresentados os dados nos terminais de
entrada e saída dos blocos, e de um protocolo, que estabelece o modo como a
informação é passada entre eles. A interface e o protocolo devem ser compatíveis. A
comunicação digital entre o instrumento e o computador pode ser serial ou paralela,
como explicado no item anterior. A interface dos transdutores com o ambiente de
instrumentação virtual se faz através da conversão analógico-digital feita pelos
dispositivos de aquisição de dados (DAQs). Os DAQs podem ser conectados
diretamente no barramento do computador, ou conectados através de dispositivos
externos ligados ao computador pela porta serial ou paralela. Os drivers são a
representação dos instrumentos reais, no diagrama de blocos do ambiente virtual. Eles
devem ser compatíveis com a interface e o protocolo do ambiente virtual.
O computador pessoal que apresentará os dados da monitoração do robô deve
ter um software que trabalhe com o protocolo de transmissão de dados e que apresente
os resultados em forma gráfica.
A monitoração das variáveis do GIRINO implica entre todas as suas ações:
- Visualização constante, na tela do computador, do estado das variáveis.
- Controle da aquisição simultânea de dados dos diferentes transdutores.
- Apresentação dos resultados de forma compreensível pelo usuário.
A instrumentação virtual, amplamente utilizada no campo industrial se
apresenta como a solução para a monitoração dos sinais dos transdutores embarcados
no sistema robótico. É possível também controlar o desempenho do robô através da
instrumentação virtual, e embora esta proposta não seja desenvolvida no presente
trabalho, está sendo considerada. A instrumentação virtual do robô utiliza os sinais
emitidos pelo transdutor por meio de um barramento (o protocolo de comunicação) até
o computador, onde um software encarrega-se da visualização a informação contida
nos sinais. O programa no computador é responsável pelas seguintes ações:
- Pré-condicionamento dos sensores.
- Interpretação dos comandos do usuário.
- Controle da aquisição dos sinais e da sua visualização.
- Administração da seqüência de eventos.
76
4 Prototipagem de Monitoração do GIRINO
Os dados teóricos dos transdutores, transmissão de sinais e as técnicas de
visualização, apresentados no capítulo anterior, servem como base para fazer uma
seleção dos componentes utilizados industrialmente que melhor atendem à
implementação da monitoração do GIRINO. Depois da seleção dos dispositivos mais
adequados, é necessária a avaliação de sua disposição dentro da estrutura mecânica do
robô. Isto foi feito através da montagem dos mesmos em maquetes de madeira que
simulam as partes mecânicas do sistema. Finalmente, adicionando os equipamentos de
transmissão de sinais e a visualização no computador da variação das grandezas de
interesse, se constrói uma bancada experimental útil para a implementação da
monitoração do protótipo. Apesar disto, a prototipagem em maquetes de madeira da
monitoração do robô, proverá dados imprescindíveis para a implementação final da
monitoração no protótipo real.
A montagem dos protótipos de madeira considera os seguintes aspectos:
- Seleção dos transdutores industriais que melhor atendem à monitoração
baseada na teoria.
- Fabricação das maquetes em madeira das partes mecânicas do sistema
envolvidas com a variação das grandezas de interesse.
- Montagem dos transdutores nas maquetes de madeira para a medição das
grandezas de interesse.
- Instalação e configuração dos módulos usados na transmissão de sinais dos
transdutores para o computador.
- Habilitação do software usado para visualizar da variação das grandezas de
interesse de forma ergonômica.
- Apresentação da montagem final dos sensores nas maquetes, transmissão de
sinais e visualização dos resultados no computador.
A Figura 4.1 apresenta um esquema que resume as cinco grandezas de interesse
para determinar a configuração física básica do porta- ferramenta no interior do duto
como detalhado no segundo capítulo.
77
Figura 4.1. Esquema das cinco grandezas de interesse no GIRINO.
A seguir detalham-se as características técnicas, vantagens e montagem em
maquetes de madeira dos transdutores selecionados entre os apresentados no capítulo
três para a monitoração do robô.
4.1 Protótipo do Cilindro Principal montado com Transdutor de Deslocamento Linear
A medição do deslocamento das hastes dos cilindros principais servem como
forma indireta de ter uma noção da variação do comprimento da estrutura mecânica. A
variação normal de comprimento do porta- ferramenta está estabelecida pelo
deslocamento total do percurso das hastes. O percurso incompleto de alguma das
hastes dos dois cilindros, indica uma deficiência de extensão ou contração do corpo
como conseqüência de um problema, por exemplo, de bloqueio ou estancamento. Com
o propósito de monitorar o deslocamento das hastes, foi implementada uma maquete de
madeira de um cilindro com as dimensões estabelecidas pela estrutura mecânica do
robô.
Para o caso de inspeção interna de dutos, o ambiente de operação se apresenta
como adverso para qualquer sistema, pelos motivos que foram explicados no primeiro
capitulo. Sendo assim, a montagem do transdutor de deslocamento da haste, externa ao
78
cilindro principal, expõe o dispositivo a danos físicos. O transdutor de posição interna
se acomoda dentro dos cilindros provendo a medição do deslocamento das hastes de
forma segura, apresentando-se como a solução para o caso no qual se satisfazem as três
condições desejadas: diminuição do volume do sistema, já que o transdutor está
localizado no interior dos cilindros aproveitando o espaço interno das hastes; proteção
do elemento sensor já que está protegido pela camisa do mesmo cilindro; e o baixo
consumo de energia utilizando os padrões industriais. Seguindo estas condições foram
selecionados dois transdutores de diferentes tecnologias. Estes transdutores são o
transdutor de deslocamento linear de plástico condutivo e o transdutor de deslocamento
linear magnetoestrictivo. Ambas tecnologias foram comparadas fazendo uma descrição
técnica dos dispositivos e confrontando suas características para escolher o mais
vantajoso para a monitoração do porta- ferramenta. A disposição dos dois transdutores
nas maquetes de madeira é mostrada na Figura 4.2 e seguiu o mesmo padrão: um anel
desliza-se junto ao êmbolo do cilindro externamente a uma guia do transdutor. Uma
parte eletrônica de processamento de sinal está localizada na parte posterior do
cilindro.
Figura 4.2. Esquema da disposição do transdutor de deslocamento linear
no interior do cilindro.
79
4.1.1 Princípio de Funcionamento do Transdutor de Deslocamento Linear
Magnetoestrictivo
No transdutor de posição linear magnetoestrictivo um campo magnético é
induzido por um pulso de corrente transmitido através de uma guia de onda
especialmente desenhada como observado na Figura 4.3. Outro campo é gerado por um
magneto móvel em forma de anel, que se desliza ao longo da parte externa de um tubo
protetor da guia. A interação entre os dois campos magnéticos produz um pulso de
tensão mecânica que viaja à velocidade do som até que o pulso é detectado pela cabeça
do sensor. Na cabeça do sensor se transforma o sinal mecânico em elétrico. A posição
do magneto é determinada com alta precisão pela medida do lapso de tempo entre a
geração do pulso elétrico e a chegada do pulso de tensão. Como resultado, é possível
alcançar um sensoriamento da posição exata sem atrito entre o magneto sensor e o tubo
protetor.
Figura 4.3. Transdutor de deslocamento linear magnetoestrictivo.
Este sensor é utilizado na indústria para os mesmos propósitos de medição de
deslocamento da haste de cilindros. Sendo uma tecnologia já testada e confiável, se
descartam maiores complicações na sua implementação dentro da estrutura do
protótipo do GIRINO.
As vantagens deste transdutor estão no seu baixo consumo industrial
padronizado de 2 W e na sua proteção natural a ambientes adversos já que os
80
componentes do transdutor encontram-se inseridos no interior do cilindro exceto sua
cabeça. Esta cabeça de processamento de sinal é o maior problema no projeto por estar
vulnerável ao ambiente e pelo seu tamanho que discorda com o espaço disponível na
estrutura mecânica do robô. Isto pode ser observado na montagem apresentada na
Figura 4.4. Para este trabalho foi utilizado este sensor por estar disponível no
Laboratório de Robótica e suas características técnicas são apresentadas na Tabela 4.1
(ver Catalogos em Bibliografia). Porém, existem outras tecnologias que não
apresentam o problema de ocupar muito espaço como o transdutor que será detalhado a
seguir.
Figura 4.4. Transdutor magnetoestritivo montado na maquete do cilindro principal (Fabricado pela GEFRAN).
Parâmetro Valor
Campo de Medida 0 a 150 mm
Linearidade ± 0,05%
Reprodutibilidade ≤0,08 mm
Histerese ≤0,25 mm
Temperatura de trabalho -30oC a +100oC
Vida Útil > 25x105 ciclos
Pressão de trabalho máxima 250 bar
Velocidade de Deslocamento ≤ 5 m/s
Grau de proteção IP 68
Tabela 4.1. Características Técnicas do Transdutor de Deslocamento Linear Magnetoestrictivo.
81
4.1.2 Principio de Funcionamento do Transdutor de Deslocamento Linear com
Plástico Condutivo
O transdutor de deslocamento linear com plástico condutivo é basicamente um
potenciômetro linear. As trilhas deste transdutor são formadas de plástico condutivo e
estão alocadas na guia que transmite o potencial elétrico. O plástico condutivo resiste a
altas pressões e mantém integridade frente aos óleos usados nos cilindros hidráulicos.
O anel sensor que se desliza através da guia do transdutor se encarrega de fazer o
contato entre as trilhas condutoras. O potencial elétrico varia conforme o anel vai se
deslocando com o êmbolo do cilindro. Da mesma forma que um potenciômetro
angular, este transdutor tem duas entradas para o potencial de referência e uma variável
de saída como observado na Figura 4.5.
Figura 4.5. Transdutor de deslocamento com plástico condutivo (Fabricado pela BEI
Duncan).
Como pode ser observado na Tabela 4.2 (ver Catalogos em Bibliografia) o
transdutor tem uma vida útil mínima de 1x106 m, equivalente a 500 km de
deslocamento do GIRINO no interior de dutos. Esta distância é suficiente,
considerando que o transdutor é facilmente substituível em caso de falha. Desta tabela
pode se deduzir o baixo consumo do dispositivo considerando que o percurso elétrico
utilizado nos cilindros principais é de 150 mm, ou seja, um consumo de 1.5 watts. Os
materiais que conformam o transdutor de posição são elásticos para evitar o desgaste
rápido do componente devido as vibrações. O anel deslizador de contato removível é
desenhado para trabalhar em ambientes internos. As aberturas de que está composto
permite que o fluxo não atrapalhe o contato do deslizador com a parte fixa aumentando
82
a eficiência do componente. A parte fixa está constituída de uma viga em forma de “I”
permitindo o transdutor não se arquear.
Parâmetro Valor
Campo de Medida 0 a 100 mm
Resistência 8 kΩ
Tolerância da Resistência ± 20%
Exatidão ± 0,38 mm
Consumo de Energia 0,5 watts por cada 50 mm de percurso Elétrico
Temperatura de Operação -40 a +125 oC
Força de Atuação 0,56 N
Reprodutibilidade < 0,013 mm
Vida Útil 1,0 x 105 ciclos
Velocidade de Captação 2000 mm/s
Pressão de Trabalho 200 bar
Linearidade 0,380%
Tabela 4.2 Características Técnicas do Transdutor Linear de Plástico Condutivo
Este transdutor, igualmente ao magnetoestritivo, tem as mesmas vantagens de
proteção e o baixo consumo de energia. Porém tem a vantagem adicional de possuir
um tamanho menor na sua cabeça, podendo, assim, ficar situado inteiramente dentro do
cilindro. De fato, este transdutor se apresenta como o ideal para o caso de monitoração
dos cilindros principais do GIRINO. A montagem na maquete de madeira não difere da
amostrada na Figura 4.5. para o sensor magnetoestritivo.
4.2 Protótipo das Torres de Giro com transdutor de deslocamento angular
A posição das torres de giro indica o sentido de deslocamento do GIRINO.
Existem duas posições válidas para as torres, que são as duas únicas em que as rodas
estão alinhadas com o movimento do robô. Em qualquer posição intermediária entre
estas duas posições, o porta- ferramenta terá problemas para se transportar. Cada uma
das posições válidas está separada por um giro da torre de aproximadamente 180o,
como explicado no segundo capítulo, e indicam o sentido de avanço ou retrocesso do
83
robô no interior do duto. Por este motivo é de muita importância saber a posição das
torres de giro. Para isto bastará medir o giro da torre através de um transdutor de
posição angular como os potenciômetros, encoders, sincros ou resolvers. Para a
monitoração do protótipo encolheu-se um potenciômetro baseado na tecnologia de
plástico condutivo explicada anteriormente para transdutores de deslocamento linear
(ver Catalogos em Bibliografia).
Figura 4.6. Transdutor de deslocamento angular (Fabricado pela Wabash)
Parâmetro Valor
Percurso Mecânico 120o
Voltagem de Alimentação 4,5 V a 5,5 V
Temperatura de Operação -40oC a 130oC
Reprodutibilidade <0,4% da Entrada
Vida Útil >5 000 000 ciclos completos
Grau de Proteção IP67
Histerese <0,2% da Entrada
Linearidade ±3%
Tabela 4.3 Características Técnicas do Transdutor de Posição Angular
A pesar de ter um tamanho que permite ao dispositivo ser adaptado à estrutura
sem requerer maior modificação mecânica como apresentado na Figura 4.6 e mais
claramente na maquete de madeira da Figura 4.7, o potenciômetro escolhido não é
adequado para ambientes com altas pressões nem submergível em meios aquosos por
84
muito tempo (utiliza proteção IP67). Este revés pode ser superado mediante a aplicação
das técnicas tradicionais de proteção para equipamentos submarinos:
- Técnicas com base na utilização de vasos de pressão especiais.
- Técnicas com base na utilização de compensação de pressão.
Estas duas técnicas, porém, supõem um aumento de volume à estrutura
mecânica do robô, não sendo recomendáveis. As experiências deste trabalho foram
feitas sem cumprir o requerimento de proteção, sendo que os resultados são aplicáveis
sem dificuldade aos potenciômetros marinizados que cumpram os níveis de segurança
necessário.
Figura 4.7. Transdutor de deslocamento angular
montado em maquete de madeira
4.3 Protótipo de Odômetro
A localização dos lugares de inspeção e manutenção no interior dos dutos cria a
necessidade de medir a distância percorrida pelo robô. Para medir esta variável utiliza-
se o odômetro que é uma técnica amplamente conhecida na implementação das
ferramentas instrumentadas, como por exemplo os Pigs. O odômetro , como observado
na Figura 4.8, consiste em uma roda metálica acoplada a estrutura mecânica do robô
que percorre tangencialmente as paredes internas do duto. Desta forma cada giro da
roda devido ao atrito tangencial com as paredes pode ser transformada em distância
lineal percorrida uma vez conhecido o raio da roda. Para contar o número de voltas da
roda podem ser utilizados vários métodos. Um deles é o uso de dois sensores de efeito
hall defasados 90o cuja montagem é apresentado na Figura 4.8. Os sensores hall
detectam a variação do campo magnético do magneto acoplado ao eixo da roda. Os
85
sensores hall geram pulsos elétricos defasados que determinam o sentido de giro da
roda como pode ser observado na Figura 4.9.
Figura 4.8. Montagem dos sensores hall no odômetro
Figura 4.9. Pulsos de saída dos sensores hall do odômetro
A proteção resinada dos sensores hall para altas pressões e à submersão, e a
roda acoplada externamente à estrutura mecânica do robô, fazem do odômetro uma
solução ótima para a medição da distância percorrida no interior dos dutos.
Uma alternativa aos sensores hall para gerar pulsos elétricos no odômetro é o
uso dos encoders incrementais. Os encoders como explicado no capítulo anterior são
86
ideais para aplicações de posicionamento e tem alta resolução. Porém neste trabalho
foram utilizados os sensores hall por estar disponíveis no Laboratório de Robótica do
CENPES.
4.4 Protótipo de Transdutor de Tensão para Umbilical
A medição da tensão transmitida pelo umbilical será feita através de uma célula
de carga utilizada nos testes de medição de força em ambientes submarinos. A seguir
detalham-se as características técnicas na Tabela 4.4 da célula de carga (ver Catalogos
em Bibliografia), amplamente utilizadas no Laboratório de Robótica do CENPES e
mostrada na Figura 4.10.
Figura 4.10 Célula de carga (Fabricada pela Sensotec)
Parâmetro Valor
Campo de Medida 0 a 8896 N
Histerese ± 0,2%
Reprodutibilidade ± 0,05%
Temperatura Operação 16º C a 71º C
Tipo de Extensômetro Fio ou Semicondutor
Alimentação 5 VDC
Resistência de Isolamento 5000 MΩ a 50 VDC
Resistência de Ponte 350 Ω
Material da Cobertura 17-4 PH inoxidável
Peso 0,4536 N.
Tabela 4.4. Características Técnicas da Célula de Carga
87
As células de carga medem cargas de compressão e tensão de 8896 N que não
são suficientes para a tensão esperada transmitida pelo umbilical. Porém esta célula de
carga está disponível e é factível transportar os resultados experimentais alcançados
com este dispositivo para a célula que será utilizada no protótipo final. Este modelo de
célula possui alta precisão e a robustez necessária para ambientes agressivos presentes
na inspeção interna de dutos, além de um tamanho adequado para as necessidades do
GIRINO. A estrutura soldada e a construção com aço inoxidável desta célula estão
projetadas para eliminar ou reduzir ao mínimo os efeitos das cargas não axiais. A
célula utilizada tem uma linha de rosca fêmea útil para fixar a célula de carga entre o
umbilical e o GIRINO através de olhais. As aplicações típicas deste transdutor são em
medição de tensão em cabos e testes em partes eletromecânicas.
4.5 Transdutor de Pressão montado para medição de pressão nos cilindros
principais O transdutor de pressão utilizado (ver Catalogos em Bibliografia) aproveita as
propriedades de uma lâmina delgada de polisilicone. Os métodos modernos de
deposição química de vapor a baixa pressão provêem limites moleculares simples e
estáveis entre um diafragma de metal e uma ponte de extensômetros de polisilicone.
Não utiliza epóxi ou agentes separadores que contribuam à instabilidade ou vibrações.
O conjunto do diafragma de metal com a ponte de polisilicone são imunes aos efeitos
de choques, vibrações e montagem.
Figura 4.11. Transdutor de Pressão Utilizado para medir a pressão nos cilindros
principais
88
A Figura 4.11 apresenta o transdutor de pressão utilizado na saída do painel de
controle do robô para medir a pressão de alimentação dos cilindros principais. A
Tabela 4.5 apresenta as características técnicas deste transdutor que não precisa de ser
marinizado por encontrar-se acoplado ao painel de controle fora do corpo do GIRINO.
Parâmetro Valor
Campo de Medida 0 a 666 bar
Exatidão 1%
Consumo de Energia 10-36 VDC
Temperatura de Operação -28 a +82 oC
Reprodutibilidade ±0,07
Vida Útil 1,0 x 108 ciclos
Sinal de Saída 4-20mA, 1-5VDC, 1-6VDC, 1-11VDC
Histerese ±0,2%
Tabela 4.5. Características Técnicas do Transdutor de Pressão
4.6 Transmissão de Sinais dos Transdutores do GIRINO Uma vez que os transdutores têm captado os sinais de interesse e transformado
em sinais padronizados, o próximo passo é enviar estes sinais através do umbilical até
a superfície. Com este propósito utilizaram-se neste trabalho módulos industriais que
transmitem sinais com o protocolo RS-485. Estes módulos aplicam-se industrialmente
na integração de plataformas de interface homem-máquina e módulos de entrada-saída
como os módulos analógicos, digitais, de relés e contadores.
Para definir as características dos módulos que se precisam para a monitoração
do robô se levou em conta a natureza de cada sinal de saída dos transdutores. A Figura
4.12 e a Tabela 4.6 apresentam a origem dos sinais e uma descrição básica da sua
natureza que ajudaram a definir os tipos de módulo de comunicação serial que se
utilizaram.
89
Figura 4.12. Origem física dos sinais dos transdutores
No Grandeza Medida Tipo de Sinal
1 Deslocamento da Haste do Cilindro Anterior Analógico
2 Deslocamento da Haste do Cilindro Posterior Analógico
3 Deslocamento Angular da Torre de Giro Anterior Analógico
4 Deslocamento Angular da Torre de Giro Posterior Analógico
5 Percurso do Módulo Anterior Digital
6 Percurso do Módulo Posterior Digital
7 Tensão no Umbilical Analógico SG
8 Pressão na Bomba Esticamento Analógico
9 Pressão na Bomba Encolhimento Analógico
Tabela 4.6 Natureza dos sinais dos transdutores
Como pode ser concluído da Tabela 4.6 se tem 6 sinais analógicos, dois sinais
digitais e uma saída analógica especial para os strain gauge (indicado como sinal
analógico SG na mesma tabela) da célula de carga. Precisa-se, então, de três módulos,
um para transmitir seis sinais analógicos, um para os sinais digitais e um para a célula
de carga.
Para os diferentes tipos de entrada analógica, como V, mV ou mA utiliza-se
normalmente módulos independentes para aquisição de dados. O módulo utilizado
(módulos ADAM do fabricante Advantech) na monitoração de sinais analógicos (ver
Manuais em Bibliografia) trabalha com diferentes padrões industrias de sinais o que
simplifica o projeto e diminui o espaço ocupado. Entre as características mais
importantes do módulo temos seus oito canais de entrada analógica diferencial;
90
entradas em V, mV e mA; voltagem de isolação de 3000 VDC; amostragem de 6
amostras por segundo; exatidão de ± 0,1%. Na Tabela 4.7 se apresentam algumas das
especificações mais importantes.
Parâmetro Valor
Resolução 16-bit
Canais 8 canais diferenciais para
entradas de tipo individual
Campo de Medida ±100mV, ±500mV, ±1V,
±2,5V, ±5V, ±10V, ±20mA
Voltagem de
Isolação
3000Vdc
Impedância de
Entrada
20MΩ
Exatidão ±0,1% da voltagem de entrada
Alimentação 10 a 30 VDC
Potência de
Consumo
1,2W
Tabela 4.7. Características técnicas do módulo de transmissão de sinais analógicas.
Dentre as características mais importantes para a monitoração do GIRINO estão
a baixa potência de consumo e o fato de processar em um só módulo, entradas
analógicas de diferente natureza, ou seja, redução de espaço. Em relação à proteção
necessária para o meio de operação do robô precisa-se de um vaso de pressão como
apresentado na Figura 4.13.
91
Figura 4.13. Módulos de Transmissão de Dados disposto em vaso de pressão
No caso da transmissão de sinais digitais utilizou-se um módulo com sete
canais de entrada digitais (ver Manuais em Bibliografia). Este módulo é utilizado
industrialmente para determinar o estado de interruptores limitadores ou sinas digitais
remotos. Suas características básicas podem ser encontradas na Tabela 4.8.
Parâmetro Valor
Número de canais 7
Nível lógico 0 +1V máximo
Nível lógico 1 +3,5 V a +30 V
Alimentação 10 a 30 VDC
Potência de consumo 0,4 W
Tabela 4.8. Características técnicas do módulo de
transmissão de sinais digitais.
Da mesma maneira que o módulo para transmissão de sinais analógicos, este
tem baixo consumo. Cada um dos dois odômetro s do robô utiliza dois canais digitais,
ou seja, um módulo é suficiente para transmitir os quatro sinais digitais dos odômetros.
92
A proteção é a mesma que a indicada para o módulo de transmissão de sinais
analógicos.
Parâmetro Valor
Resolução 16 bit
Canais 1 diferencial
Campo de entrada ±150mV, ±500mV, ±1V,
±5V, ±10V, ±20mA
Voltagem de Isolação 3000VDC
Amostragem 10 mostras por segundo
Exatidão ±0,05%
Alimentação 10 a 30VDC
Consumo de Potência 2,2W
Tabela 4.9. Características técnicas do módulo de
transmissão de sinais da célula de carga
Para transmitir o sinal de saída da célula de carga precisa-se de um módulo
especial de aquisição de dados (ver Manuais em Bibliografia). Os dados adquir idos são
transformados em porcentagem do campo de medida de acordo com a configuração do
módulo, e depois são transmitidos pelo protocolo RS-485. Este módulo oferece
condicionamento do sinal, conversão A/D e funções de comunicação digital RS-485.
As principais características deste módulo estão listadas na Tabela 4.9.
A saída dos módulos de sinais analógicos e digitais estão de acordo com o
protocolo RS-485. A maioria de computadores industriais são fabricados com portas
seriais RS-232. Amplamente aceito no mercado, o protocolo RS-232 tem velocidade e
campo de medida de transmissão limitada. O protocolo RS-485 supera estas limitações
utilizando linhas de voltagem diferenciais para os sinais de dados e controle. Os
módulos conversores de protocolo (ver Manuais em Bibliografia) aproveitam as
vantagens do protocolo RS-485 em sistemas originalmente equipados com o protocolo
RS-232. Com estes módulos não se faz necessário mudar o hardware ou software do
computador pessoal e se consegue distâncias de comunicação de até 1200 m. Entre
93
suas características principais está sua velocidade de transmissão de até 115.2 Kbps
(configurável por software e utilizado neste trabalho) e seu consumo de 1W com
alimentação de 24VDC.
No total são 4 módulos: módulo de entradas analógicas, módulo de entradas e
saídas digitais, módulo para célula de carga e conversor RS-485/RS-232. A forma de
conexão destes módulos é apresentada na Figura 4.14.
Figura 4.14. Esquema de conexões dos módulos de transmissão de dados
94
Como exemplo da montagem final, na Figura 4.15, apresenta-se
esquematicamente a ligação dos transdutores de deslocamento linear e angular ao
módulo de entradas analógicas. Este último é ligado ao módulo de conversão de
protocolos RS-485/RS-232 que envia finalmente o sinal ao computador pessoal. Esta
configuração básica será usada no próximo passo da monitoração do robô, a
visualização.
Figura 4.15. Esquema de Transmissão de dados dos sinais dos transdutores ao
computador
4.7 Visualização
Os parâmetros dos módulos de transmissão de dados são configurados através
de software do mesmo fabricante. Por meio deste software são determinados: o baud
rate, a porta serial por onde se adquirem os dados e os campos de medida das entradas.
A Figura 4.16 apresenta uma janela do software onde se configuram estes dados. Com
o mesmo software é possível obter a resposta de saída dos transdutores transmitidos
pelos módulos. Porém, este software não é adequado para visualizar a variação das
grandezas de interesse do GIRINO. Com o propósito de uma visualização clara e de
fácil manipulação para o usuário, foram implementados algoritmos de medição das
variáveis no programa LabVIEW (ver Manuais em Bibliografia).
O programa implementado para a visualização das variáveis de interesse tem
três funções:
- Configuração dos parâmetros de aquisição de dados;
95
- Calibração dos transdutores;
- Medição das Variáveis.
A configuração dos parâmetros pelo software de interface gráfica é feita
criando-se um instrumento virtual (VI) do módulo de aquisição de dados e
relacionando seus parâmetros com os controladores do programa. Estes parâmetros são
o endereço do módulo de aquisição, baud rate, entrada do módulo e porta serial. É
mediante os controladores identificados na Zona 1 da Figura 4.17 que se consegue
mudar estes parâmetros.
Figura 4.16. Janela de configuração de parâmetros de transmissão de dados
A configuração dos parâmetros pelo software de interface gráfica é feita
criando-se um instrumento virtual (VI) do módulo de aquisição de dados e
relacionando seus parâmetros com os controladores do programa. Estes parâmetros são
o endereço do módulo de aquisição, baud rate, entrada do módulo e porta serial. É
mediante os controladores identificados na Zona 1 da Figura 4.17 que se consegue
mudar estes parâmetros.
96
Figura 4.17. Janela de Calibração dos Transdutores
Para a calibração dos transdutores deve se escolher a opção calibração no
campo “Opção de Operação”. Pressionando os botões “ACEITAR DADOS
ASCENDENTES” e “ACEITAR DADOS DESCENDENTES” passa-se a registrar nas
tabelas da Zona 2 os valores de saída do transdutor (voltagem) em referência à
grandeza física de interesse medida (deslocamento). Com estes valores medidos, nos
sentidos ascendente e descendente, e através de um algoritmo para achar os
coeficientes do polinômio de segundo grau, que ajusta os pontos , obtém-se como
resultado a calibração do transdutor (VUOLO, 1998). O registro nas tabelas pode ser
melhor compreendido pela Figura 4.18 que apresenta o algoritmo em diagrama de
blocos da aceitação de dados acedentes e descendentes na zona indicada. Pode se notar,
na Zona 1 da Figura 4.19, o diagrama de blocos do algoritmo para calcular os
coeficientes do polinômio. Na Zona 2, desta mesma figura, opera-se matematicamente
o sinal de saída do transdutor no polinômio de calibração para obter a resposta
desejada. Com estes valores obtidos foi encontrado o gráfico de calibração.
97
Figura 4.18. Programa em diagrama de blocos da leitura dos dados
para calibração do transdutor
Figura 4.19. Programa em diagrama de blocos da leitura dos dados.
98
O resultado da medição da variável apresenta-se na Zona 3 da Figura 4.17 na
sua natureza de saída do transdutor e em unidades da grandeza de interesse.
O método de visualização do odômetro é diferente do utilizado para os demais
transdutores, uma vez que a saída deste dispositivo não é analógica e sim por pulsos ou
digital. Com a combinação das duas saídas do odômetro apresentam-se quatro estados
diferentes para cada pulso. Basta, então, captar a passagem pelos quatro estados, não só
para medir a distância percorrida através da conversão em unidades de deslocamento,
como também para identificar o sentido de deslocamento do robô. Isto é possível
através da seqüência determinada e gerada pelos dois pulsos na saída. Identificando o
estado seguinte à saída atual pode-se determinar o sentido de giro do odômetro com o
que se deduz o sentido de deslocamento do GIRINO, aumentando ou diminuindo
unidades de deslocamento da saída como pode ser observado na Figura 4.20.
Figura 4.20. Visualização da distância percorrida pelo robô.
Na programação em diagrama de blocos pode-se verificar que as partes mais
importantes são a identificação da seqüência de pulsos e a correção da distância
percorrida para os casos de avanço e retrocesso do robô. Devido à seqüência de quatro
combinações ou estados na saída do odômetro , a identificação do estado seguinte ao
estado atual serve para determinar se o GIRINO está avançando ou retrocedendo. A
parte do programa que realiza a referida identificação está indicada na Zona 1 da
Figura 4.21. Logo depois se passa a fazer a correção na leitura atual do transdutor
99
adicionando ou tirando unidades de deslocamento à sua saída. Esta função é realizada
através da parte do programa na Zona 2 da Figura 4.21.
Figura 4.21. Programa em diagrama de blocos da leitura dos dados do odômetro
Com a monitoração de cada transdutor neste capítulo podemos avaliar, agora,
cada sinal de saída (e o conjunto formado por eles) para conhecer o estado estrutural do
GIRINO. Esta avaliação será realizada no próximo capitulo, onde se interpretarão os
resultados.
100
5 RESULTADOS DA MONITORAÇÃO DO GIRINO: ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO
Neste capítulo são apresentados os resultados de calibração e medição de cada
um dos cinco transdutores propostos fazendo uso do hardware e software detalhados
no capitulo 4. Logo é mostrado um algoritmo de monitoração utilizado para interpretar
as saídas dos transdutores em conjunto e dar como resultado o estado da estrutura
mecânica do GIRINO no interior do duto. Finalmente, com os resultados expostos, será
feito a análise e interpretação dos resultados.
5.1 Calibração e Saídas Monitoradas dos Transdutores
5.1.1 Monitoração do Deslocamento das Hastes dos Cilindros Principais
No capítulo 4 foram estudados dois transdutores de tecnologias diferentes: um
de medição utilizando plástico condutivo e outro utilizando o principio de
magnetoestrição. Apesar de ter ressaltado a vantagem do transdutor de plástico
condutivo, neste trabalho fizeram-se os testes de monitoração com o transdutor de
deslocamento linear magnetoestritivo por estar disponível no Laboratório de Robótica
do CENPES. Os resultados com o transdutor de plástico condutivo não devem ser
muito diferentes dos obtidos com o principio magnetoestritivo como pode ser deduzido
pela relação linear entre suas entradas e saídas.
Para calibrar este transdutor se relacionaram na tabela de calibração,
primeiramente, os valores da saída dos transdutores em volts correspondentes à
variação de deslocamento em forma percentual. A variação do deslocamento foi feita
de forma ascendente e descendente como pode ser observado na Figura 5.1. Nesta
figura pode-se observar o pequeno desvio das curvas ascendente e descendente na
saída por causa da histerese do dispositivo. Porém, esta característica será observada
nos demais transdutores sem representar problema maior para a medição das grandezas
de interesse. Através do software foi calculado com estes valores uma curva de
calibração de segundo grau que permitiu ajustar o deslocamento apresentado na tela do
computador com os valores reais de deslocamento. Como pode ser deduzido desta
figura, a saída do transdutor apresenta uma linearidade suficiente para dividir a saída
em três regiões: deslocamento mínimo (<10%), deslocamento parcial (entre 10 e 90%)
101
e deslocamento máximo (>90%). Estas regiões serviram para a monitoração do estado
estrutural do GIRINO.
Figura 5.1. Calibração do Transdutor de Deslocamento Linear
5.1.2 Monitoração do Deslocamento das Torres de Giro
Da mesma forma que no caso da calibração para transdutores de posição linear,
para a calibração dos transdutores de deslocamento angular foi variada a entrada em
percentagem de deslocamento e a saída foi medida em voltagem. A curva de
calibração, também de segundo grau, ajuda, como no caso anterior, ao ajuste dos
valores reais com os valores medidos. Neste caso é mais notável a necessidade de
utilizar três regiões pela não linearidade observada nos extremos da curva. Estas três
regiões representam o estado em que se encontram as rodas: torre em avanço, quando
as rodas têm deslocamento de menos do 10%; torre desalinhada, que corresponde a
região linear do potenciômetro; e torre em retrocesso, que corresponde a deslocamento
percentual de mais de 90%. Assim consegue-se superar, também, o problema de não-
linearidade nos extremos do campo de medida como pode ser observado na Figura 5.2.
102
Figura 5.2. Calibração do Transdutor de Deslocamento Angular
5.1.3 Monitoração da Distância Percorrida
Como a saída do odômetro é digital não foi necessário a calibração feita com
os outros transdutores. No capítulo 3 foi explicado, com detalhes, o modo de se
conseguir a visualização da distância percorrida apresentada na Figura 5.3.
Figura 5.3. Visualização da Distância Percorrida
5.1.4 Monitoração da Tensão no Umbilical
Como mencionado no capítulo anterior, não foi utilizada a célula de carga
conveniente para as tensões reais que sofre o umbilical. Porém utilizou-se uma célula
de carga do mesmo fabricante e a característica linear do transdutor pode ser aplicada a
uma célula que tenha o campo de medida adequado. A calibração se fez comparando a
saída esperada com uma saída conhecida ao medir o peso com uma balança eletrônica
103
calibrada como pode ser observado na Figura 5.4. A calibração foi feita com variações
de 500 N num intervalo de 0 a 5000 N como observado na Figura 5.5. Porém, para a
monitoração do robô utilizou-se a saída em percentagem de tensão e não a saída em
unidades diretas de tensão. Desta forma, continua-se com a divisão das três regiões
utilizadas nos demais transdutores: região de tensão máxima, quando a tensão de saída
é maior do 90% do máximo valor de saída; região de tensão de trabalho,
correspondente ao intervalo entre o 10% e 90%; e a região de tensão mínima quando a
saída é menor do 10%.
Figura 5.4. Elementos utilizados na calibração da célula de carga
Figura 5.5. Calibração da Célula de Carga
104
5.1.5 Monitoração da Pressão nos Cilindros Principais
A calibração deste transdutor foi feita variando a grandeza medida com
precisão através de uma balança de peso morto. Como pode se observar na Figura 5.6
variou-se a pressão ate 8000 PSI (544 x 105 N/m2) com oito pontos entre este valor e o
mínimo. Sem modificar o processo utilizado nos outros transdutores, a saída do
transdutor de pressão foi dividida em três regiões: menos de 10%, pressão mínima;
entre 10 e 90%, pressão de trabalho; e >90%, pressão máxima.
Figura 5.6. Calibração do Transdutor de Pressão
5.2 Algoritmo da Monitoração do Estado Estrutural do GIRINO Com as cinco variáveis físicas medidas é possível identificar o estado estrutural
do robô no interior do duto. Para este fim é necessário não só visualizar a variação das
grandezas físicas de interesse como também é preciso relacionar as saídas
independentes dos transdutores e com este conjunto de sinais avaliar a situação real do
GIRINO. Como foi explicado anteriormente, a saída dos transdutores foi relacionada a
três regiões dependendo do valor da sua saída: um nível máximo, mínimo e outro
intermediário. Para cada região se relacionou um estado e cada um deles é
identificado por uma combinação de 2 bits utilizados pelo software de linguagem
gráfico como pode ser observado na Tabela 5.1. Com a combinação destes estados para
os cinco transdutores se deduz o funcionamento normal ou anormal do porta-
ferramenta. A variação percentual da saída dos transdutores foi feita com o objetivo de
não depender do campo de medida do transdutor.
105
Cabe observar que na Tabela 5.1. foram implementados dois odômetro s. Um
correspondente a cada módulo do robô, para obter o movimento relativo de cada um
deles.
Variável Física Transdutor Estado Saída Bits Relacionados
Tensão de Trabalho
10%< T <90% 00
Tensão Máxima T > 90% 01 Tensão no Umbilical Célula de carga
Tensão Mínima T < 10% 10
Torre Desalinhada 10%< θ <90% 00
Torre em avanço
θ > 10% 01 Giro das Torres
Deslocamento Angular
Torre em Retrocesso θ < 90% 10
Pressão de Trabalho
10%< P <90% 00
Pressão Máxima P > 90% 01
Pressão nos Cilindros Principais
Transdutor de Sensor
Pressão Mínima P < 10% 10
Módulo Parado Percurso Inalterável
00
Módulo em Avanço
Percurso aumenta 01
Distância Percorrida
Odômetro
Módulo em Retrocesso
Percurso diminui
10
Deslocamento Parcial 10% < D <90% 00
Deslocamento Máximo
D>90% 01
Deslocamento das Hastes dos
Cilindros Principais
Deslocamento Linear
Deslocamento Mínimo D<10 % 10
Tabela 5.1. Saída dos transdutores para algoritmo de monitoração
No total existem oito variáveis (dois transdutores de deslocamento angular, um
de pressão, uma célula de carga, dois odômetro s e dois transdutores de deslocamento
linear) e em cada uma delas existem 2 bits relacionados a cada estado. Estes bits são o
106
resultado da correspondência entre a saída do transdutor e um dos três intervalos em
que foram divididos o campo e medida. A combinação destes bits se refere diretamente
ao estado estrutural do GIRINO. Para esclarecer a idéia pode-se observar a seguinte
seqüência de bits como exemplo:
TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal Estado
Estrutural
00 01 01 00 10 00 10 00 00 05220 Esticamento da Estrutura em Avanço
Normal
Onde:
TU: Tensão no Umbilical;
GT1: Giro da torre do módulo posterior;
GT2: Giro da torre do módulo anterior;
PS: Pressão de Esticamento dos cilindros Principais;
PN: Pressão de Encolhimento dos Cilindros Principais;
H1: Odômetro do módulo posterior;
H2: Odômetro do módulo anterior;
DH1: Deslocamento da Haste do Cilindro Posterior;
DH2: Deslocamento da Haste do Cilindro Anterior.
A tensão de trabalho no umbilical (TU) apontada pelos bits 00 indicam uma
tensão normal de trabalho. Os bits relacionados aos giros da torre (GT1 e GT2) estão
no valor 01, o que quer dizer, segundo a Tabela 5.1, que as torres estão deslocadas 0o e
estão em posição de avanço. Os bits 00 na pressão de esticamento (PS) e 10 na pressão
de encolhimento (PN) dos cilindros indicam uma pressão de trabalho na linha que
permite o esticamento da estrutura do GIRINO. Os bits do odômetro do módulo
posterior (H1) 00 indicam que este módulo está parado ou preso, enquanto o odômetro
do módulo anterior (H2), representado pelos bits 10, está avançando. Finalmente, os
107
bits 00 designados no deslocamento das hastes indicam que os cilindros estão em
alguma posição intermédia entre seu percurso mínimo e máximo. O resultado da
combinação destes bits é a palavra 000101001000100000 que em hexadecimal gera o
número 05220. Pode-se concluir, então, que o número hexadecimal 05220 indica que o
GIRINO está em posição de avanço por causa da posição das torres. Este número
indica que o módulo posterior está preso e o anterior está avançando enquanto as
hastes dos cilindros estão em alguma posição que não é o seu mínimo nem o seu
máximo. Isto é, o robô está se esticando. A pressão de trabalho nos cilindros e a tensão
no umbilical sugerem que a operação esta sendo feita com normalidade. Resumindo, o
GIRINO está se esticando normalmente na posição de avanço.
Para determinar o estado estrutural do GIRINO no interior dos dutos foram
definidas oito configurações básicas, sendo que quatro atribuem ao robô se
movimentando e as outras quatro ao robô em estado estático. As configurações em
movimento são:
• Robô se esticando em posição de avanço;
• Robô se encolhendo em posição de avanço;
• Robô se esticando em posição de retrocesso;
• Robô se encolhendo em posição de retrocesso.
As configurações em estado estático são:
• Robô completamente esticado em posição de avanço
• Robô completamente encolhido em posição de avanço;
• Robô completamente esticado em posição de retrocesso;
• Robô completamente encolhido em posição de retrocesso.
Para as configurações do robô em movimento podemos ter dois problemas
básicos: de estancamento e de escorregamento. O problema de estancamento se
apresenta quando o robô esta se esticando ou encolhendo e, sem chegar a se esticar ou
encolher completamente, para seu movimento. A origem de este problema pode ser o
bloqueio por algum obstáculo ou pela retenção do umbilical preso. O mesmo acontece
com o problema de escorregamento. O escorregamento acontece quando no
esticamento ou encolhimento o módulo que deveria estar preso na parede do duto
começa a se movimentar fazendo perder ao robô a sua referencia no movimento.
108
Deduz-se que para cada uma das quatro configurações em movimento existem três
estados possíveis: movimento normal, estancamento e escorregamento.
Desta análise das possíveis configurações do porta-ferramenta no interior do
duto conclui-se que existem doze estados para o robô se movimentando (três estados
para cada uma das quatro configurações) e quatro para o robô em estado estático, o que
dá um total de dezesseis estados possíveis.
No Anexo apresentam-se as tabelas que relacionam todos os estados estruturais
do robô no interior do duto e os números hexadecimais que foram utilizados para a
programação em linguagem G da monitoração do GIRINO.
Antes da avaliação de cada uma das variáveis para determinar o estado
estrutural do GIRINO existem duas condições primárias que devem ser verificadas.
Uma delas é a pressão de trabalho. No caso de detectar uma queda na pressão dos
cilindros deve ser avisado mediante software que o sistema está sofrendo problemas de
vazamento. Os bits correspondentes a este estado são 10 na saída de pressão. A outra
condição é a verificação da posição das torres de giro, que no caso de encontrar-se
desalinhada com as posições de avanço ou retrocesso deve avisar-se mediante software
que o sistema está estancado. A Tabela 5.2 indica as condições das torres mediante
bits que determinam o estado estancado.
GT1 GT2 Hexadecimal Estado Estrutural
00 00 0
00 01 1
00 10 2
01 00 4
10 00 8
Estancamento
Tabela 5.2. Condições de Estancamento do robô por desalinhamento das torres de giro
5.3 Visualização do Estado Estrutural do GIRINO
Os sinais captados pelos transdutores e transmitidos pelos módulos de
transmissão de dados são interpretados pelo software de linguagem gráfica
109
(LABVIEW) através de um instrumento virtual similar ao utilizado na calibração dos
transdutores. Os sinais são interpretados como analógico pelo software excetuado o
sinal proveniente do odômetro . A partir deste sinal analógico e através do software
classifica-se cada sinal nas três regiões referidas no item anterior. A interpretação das
variáveis foi feita em forma percentual para evitar trabalhar com unidades de medida
que limitariam o campo de medida do transdutor. Na Figura 5.7 pode se identificar o
processo de classificação dos sinais nos controladores de cor verde. Depois de
classificadas, cada região é relacionada com um par de bits como apresentado na
Tabela 5.1. A combinação destes bits é utilizada na entrada da tabela de cor rosa no
diagrama de blocos da Figura 5.7. A entrada representa o endereço de uma posição na
tabela. As posições estão preenchidas com o estado estrutural do GIRINO
correspondente à combinação de bits da entrada.
O sinal de saída do odômetro é processado da mesma forma que é indicada no
capítulo 4, e a diferença dos outros transdutores e a saída está classificada nas regiões
de “Percurso Inalterável”, “Percurso Aumenta” e “Percurso Diminui”.
Como exemplo do resultado da monitoração do estado estrutural do GIRINO
apresentam-se três exemplos. Na Figura 5.8 existem oito indicadores correspondentes à
cada uma das variáveis medidas. As saídas nestes indicadores estão em forma
percentual e sua saída é contínua. Cada um destes indicadores está acompanhado de
três indicadores booleanos que representam a região na qual está classificada a saída
do transdutor. Assim, por exemplo, a tensão do umbilical está em 55% o que
corresponde à tensão de trabalho. Na parte inferior aparecem dois indicadores. O que
está situado mais acima indica o número hexadecimal equivalente ao número binário
resultante da combinação dos bits relacionados à saída de cada transdutor. O último
indicador apresenta o resultado literal da combinação das saídas dos sensores.
110
Figura 5.7. Diagrama de blocos da monitoração do estado estrutural do GIRINO
As entradas da Figura 5.8 podem ser listadas da seguinte maneira:
- Tensão de trabalho no umbilical;
- As duas torres de giro em posição de avanço;
- Pressão de esticamento de trabalho e pressão de encolhimento mínima nos
cilindros principais;
- Módulo posterior parado e anterior avançando;
- Ambos cilindros com deslocamento parcial.
O resultado, como pode ser observado na mesma figura, é “Robô se esticando
em posição de avanço – Movimento Normal”.
111
Figura 5.8. Primeiro exemplo de monitoração do estado estrutural do GIRINO.
Outro exemplo é visualizado na Figura 5.9. As entradas nesta figura podem ser
listadas da seguinte maneira:
- Tensão de trabalho no umbilical;
- As duas torres de giro em posição de avanço;
- Pressão de esticamento máxima e pressão de encolhimento mínima nos
cilindros principais;
- Ambos módulos parados;
- Ambos cilindros com deslocamento máximo.
O resultado, como pode ser observado na mesma figura, é “Robô
completamente esticado em posição de avanço”.
112
Figura 5.9. Segundo exemplo de monitoração do estado estrutural do GIRINO.
Para terminar apresenta-se o exemplo de um comportamento anormal na figura
5.10. As entradas nesta figura podem ser listadas da seguinte maneira:
- Tensão mínima no umbilical;
- As duas torres de giro em posição de retrocesso;
- Pressão de esticamento máxima e pressão de encolhimento mínima nos
cilindros principais;
- Ambos módulo parados;
- O cilindro principal posterior parado e o anterior completamente esticado.
O resultado, como pode ser observado na mesma figura, é “Robô se esticando
em posição de retrocesso - Estancado”.
113
É importante ressaltar que a saída mostrada no último indicador não só
apresenta o problema de estancamento como também indica a operação que estava
realizando antes de ocorrer o problema.
Figura 5.10. Terceiro exemplo de monitoração do estado estrutural do GIRINO.
Com o resultado deste trabalho obteve-se, finalmente, a visualização no
computador da variação das grandezas de interesse, a sua classificação em regiões de
operação e, com a análise em conjunto destas variáveis, o estado estrutural do
GIRINO. A visualização da variação numérica das grandezas serve para uma medida
exata. Já a classificação em regiões resulta em uma informação mais qualitativa de
cada uma das partes do robô. Esta classificação qualitativa serve também para
determinar o estado estrutural do GIRINO no interior dos dutos, o que, a sua vez, serve
para que o operador tome as medidas correspondentes segundo seja o caso. A partir
desta monitoração é possível implementar o controle automático, por exemplo, da
posição desejada para alguma ferramenta de inspeção.
114
6 CONCLUSÕES A inspeção interna de dutos se apresenta como uma área estratégica na
exploração do petróleo brasileiro. Nos meios submarinos a inspeção de oleodutos é
dificultada pela falta de equipamentos adequados que se acomodem ao perfil
geométrico dos dutos, e que resistam as condições adversas de operação de altas
pressões em ambientes marinizados. Além disto, precisa-se de um equipamento que
seja facilmente controlado pelo operador na superfície sem pôr em risco a vida do
mesmo. Com a ajuda da biomimética aplicada na robótica se concebeu uma nova idéia
de inspeção interna de dutos que cumpre os requisitos mencionados anteriormente, o
Gabarito Interno Robótico de Incidência Normal ao Oleoduto (GIRINO). Este porta-
ferramenta tem a função de transportar as diversas ferramentas de inspeção no interior
do duto, facilitando a performance de cada uma delas. Entre as diversas ferramentas de
aplicação especial que podem ser acopladas ao GIRINO estão: a ferramenta de
restituição geométrica, a ferramenta de inspeção visual, a ferramenta de análise de
perfil geométrico do duto e o manipulador elétrico. Para conseguir o controle da
operação deste robô no interior do duto, necessita-se da monitoração das suas partes
mais importantes da sua locomoção. As cinco variáveis mais importantes para a
monitoração do estado estrutural do GIRINO no interior do duto são:
- Deslocamento das hastes dos cilindros principais;
- Deslocamento angular das torres de giro;
- Distância percorrida pelo robô no interior do duto;
- Tensão transmitida pelo umbilical na parte posterior da estrutura mecânica do
porta- ferramenta; e
- Pressão hidráulica nos cilindros principais.
A monitoração do robô requer o estudo de três áreas principais: captação de
variáveis físicas através dos transdutores, transmissão dos sinais de saída dos
transdutores até o painel de controle do operador e a visualização do estado da
estrutura mecânica do porta-ferramenta em um computador. Determinado pelas
variáveis importantes na monitoração, dentre os transdutores existentes é de interesse o
estudo daqueles que medem deslocamento linear, deslocamento angular, distância
percorrida, tensão e pressão. Para garantir a transmissão de dados a longas distâncias
se faz necessário o estudo de sistemas de aquisição, conversão e distribuição de dados,
115
além da teoria dos protocolos de transmissão. O protocolo RS-485, utilizado
industrialmente, garante a integridade da informação transmitida. Os softwares de
visualização gráfica se apresentam como uma boa opção para a monitoração pois
facilitam a implementação de programas que determinem os parâmetros de transmissão
e visualização de dados.
Os transdutores e os módulos de transmissão de dados escolhidos devem
cumprir basicamente três requisitos: consumir pouca energia, ocupar o mínimo volume
possível e ter a capacidade de operação em altas pressões. Tendo em conta estas
considerações foram escolhidos os seguintes transdutores para a implementação em
laboratório:
- Transdutor linear magnetoestritivo para medir o deslocamento das hastes dos
cilindros principais;
- Potenciômetro para medir o deslocamento angular das torres de giro;
- Odômetro com sensores de efeito hall para medir a distância percorrida;
- Transdutor de pressão para medir a pressão hidráulica nos cilindros principais;
- Célula de carga para medir a tensão transmitida pelo umbilical.
Para a transmissão dos sinais ao painel de controle foram escolhidos os
módulos de aquisição e transmissão de dados analógicos, digitais e de célula de carga.
Foi necessário um módulo conversor de protocolo RS-485 a RS-232 adicional para
compatibilizar a transmissão de dados com o processamento do computador utilizado
na visualização. O software LabVIEW se apresentou como solução de visualização por
sua compatibilidade com os diversos equipamentos industriais e sua programação em
diagrama de blocos.
Na monitoração final primeiramente foram ajustados os valores medidos pelos
transdutores com os valores reais através de um programa de calibração. Logo depois,
por meio deste programa pode se verificar a medição das variáveis de interesse na
monitoração. Para determinar o estado estrutural do GIRINO no interior do duto, foi
feito um algoritmo que agrupa os valores medidos de todas as variáveis e, depois de
analisá- los, determina o desempenho normal ou anormal do porta- ferramenta.
6.1 Considerações Finais
A escolha dos transdutores, módulos de transmissão e software de visualização
foi influenciada, também, pela sua disponibilidade no Laboratório de Robótica do
116
CENPES. É por isto que algumas características de consumo de energia, tamanho e
operação em altas pressões de equipamentos não foram alcançados. É detalhado a
seguir alguns dados da performance dos equipamentos utilizados:
Transdutor de deslocamento linear magnetoestritivo:
Este transdutor não tem problemas de operação em altas pressões nem no consumo,
porém a sua parte eletrônica situada na cabeça do transdutor pode apresentar um
problema no espaço que ocupa. Ele pode ser substituído facilmente por um transdutor
de deslocamento linear com tecnologia de plástico condutivo.
- Potenciômetro:
Este transdutor não apresenta problemas no tamanho e consumo de energia.
Porém o seu grau de proteção IP67 não garante a sua operação em altas pressões.
- Célula de carga:
Este transdutor é muito utilizado em teste a pressões elevadas. O seu tamanho e
seu consumo apresentam-se ideais para a monitoração do porta-ferramenta. Existe,
porém, problemas sérios na calibração pois dificilmente pode ser calibrado no campo.
É o único transdutor, dos utilizados neste trabalho, que não pode ser calibrado em
campo.
- Transdutor de perda de carga:
Não precisa trabalhar em pressões elevadas já que pode ser alocada no painel de
controle. Pelo mesmo motivo o tamanho não tem importância e o consumo de energia
é baixo.
- Odômetro :
Muito utilizado em outras tecnologias de inspeção interna de dutos como os
PIGs. Apesar de cumprir com os requerimentos de trabalho em altas pressões, baixo
consumo de energia e tamanho adequado, o odômetro utilizado neste trabalho tem
muito pouca resolução. Isto pode ser um problema sério para algumas ferramentas
transportadas pelo robô que requerem um conhecimento exato da sua posição no
interior do duto.
- Módulos de transmissão de dados:
Eles só apresentam problemas de trabalho em altas pressões. Uma técnica de
marinização, como o uso de vaso de pressão apresentado neste trabalho, pode
significar o aumento considerável da estrutura mecânica do robô.
117
Apesar de nem todos os equipamentos utilizados para captação e transmissão de
sinais não cumprirem os requerimentos para o seu uso na monitoração do GIRINO, os
resultados deste trabalho são válidos na medida que:
- Foram escolhidos transdutores com padrões industriais que podem ser
facilmente substituídos;
- A ligação entre os transdutores e o painel de controle foi feita com o
protocolo utilizado industrialmente (RS-485);
- Para a programação no software de visualização do estado estrutural do
GIRINO, trabalhou-se com valores referenciais (percentuais) e não com valores em
unidades de medida.
A seguir listam-se as principais conclusões deste trabalho:
ü Os equipamentos de captação, transmissão e visualização de sinais
utilizados no laboratório cumprem as condições básicas de monitoração do robô;
ü A implementação da monitoração é flexível e permite o seu
aperfeiçoamento na medida que forem adotados novos equipamentos de captação e
transmissão de sinais mais eficientes;
ü A visualização do estado estrutural do GIRINO no computador, permite
ao operador entender o desempenho normal ou anormal do porta-ferramenta no interior
do duto;
ü Os resultados da monitoração no laboratório são imprescindíveis para a
implementação da monitoração do protótipo do GIRINO para dutos de 14 polegadas.
6.2 Próximos Passos
A seguir detalham-se sugestões para a continuação deste trabalho. Todos elas se
conceberam paralelamente ao desenvolvimento deste trabalho e já estão em estágio
avançado.
ü O transdutor de deslocamento linear magnetoestritivo deve ser
substituído pelo transdutor de deslocamento linear com tecnologia de plástico
condutivo. Este último é muito utilizado no campo industrial e ocupa menos espaço;
118
ü O potenciômetro para medir o deslocamento angular da torre de giro
deve ser marinizado para trabalhar em altas pressões. Porém, isto poderia causar a
alteração da estrutura mecânica do GIRINO. Deve ser pesquisada uma tecnologia que
possa trabalhar nestas condições ou então substituir o potenciômetro por um sensor de
presença da forma que foi sugerida no capitulo 3 deste trabalho. Os sensores de
presença são muito mais robustos;
ü Deve ser otimizado o método de calibração da célula de carga ou
substituí- la por outra tecnologia que não tenha este problema;
ü Para ganhar mais resolução no odômetro este deve ser substituído por
algum transdutor de deslocamento angular com um número de pulsos maior por volta
como o encoder. Existem na indústria encoders para diferentes especificações de
ambientes de trabalho e tamanho;
ü A transmissão de dados pode ser melhorada com a utilização da fibra
óptica. A fibra óptica tem um alcance muito maior que o protocolo RS-485 e é mais
confiável;
ü A visualização do estado estrutural do GIRINO no interior do duto pode
ser otimizada através de uma animação que reflita de forma mais amigável às
condições de operação do porta- ferramenta. O software utilizado neste trabalho
(LABView) tem os recursos para conseguir este objetivo.
119
7 BIBLIOGRAFIA
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“PMI12 Rectilinear Displacement Transducer with Magnetic Drag”, Fabricante
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120
“6000 Series Internal Position Transducers”, Fabricante BEI Duncan.
“Non-contacting Rotary Position Sensor”, Fabricante Wabash.
“Precision Miniature Load Cells”, Fabricante Sensotec.
“Model K1 Pressure Transmittes”, Fabricante Ashcroft.
“ADAM 4000 Series Data Acquisition Modules User´s Manual”, Fabricante
Advantech.
“LabView User Manual”, Fabricante National Instruments.
Patentes
“Gabarito Interno Robótico de Incidência Normal ao Oleoduto – GIRINO”, 2000,
Código Petrobras: PI 0002917-7, Código Internacional USA: PI 6415722.
121
8 ANEXO Tabelas combinatórias para determinar o estado estrutural do GIRINO. Robô se esticando em posição de avanço TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal Estado
Estrutural 00 00 5210 00 01 5221 00 10 5222 01 00 5224 10 00 5228 01 10 5226 10 01 5229
00 01 01 00 10 00 01
10 10 502A
Movimento Normal
00 00 5600 00 01 5601 00 10 5602 01 00 5604 10 00 5608 01 10 5606 10 01 5609
00 01 01 01 10 00 00
10 10 560A
Estancamento
00 00 25280 00 01 25281 00 10 25282 01 00 25284 10 00 25288 01 10 25286 10 01 25289
10 01 01 00 10 10 00
10 10 2528A
Escorregamento
122
Robô se encolhendo em posição de avanço TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal Estado
Estrutural 00 00 5840 00 01 5841 00 10 5842 01 00 5844 10 00 5848 01 10 5846 10 01 5849
00 01 01 10 00 01 00
01 01 5845
Movimento Normal
00 00 15900 00 01 15901 00 10 15902 01 00 15904 10 00 15908 01 10 15906 10 01 15909
01 01 01 10 01 00 00
01 01 15905
Estancamento
00 00 258A0 00 01 258A1 00 10 258A2 01 00 258A4 10 00 258A8 01 10 258A6 10 01 258A9
10 01 01 10 00 10 10
01 01 258A5
Escorregamento
123
Robô se esticando em posição de retrocesso TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal Estado
Estrutural 00 00 2A280 00 01 2A281 00 10 2A282 01 00 2A284 10 00 2A288 01 10 2A286 10 01 2A289
10 10 10 00 10 10 00
10 10 2A28A
Movimento Normal
00 00 2A600 00 01 2A601 00 10 2A602 01 00 2A604 10 00 2A608 01 10 2A606 10 01 2A609
10 10 10 01 10 00 00
10 10 2A60A
Estancamento
00 00 2A210 00 01 2A211 00 10 2A212 01 00 2A214 10 00 2A218 01 10 2A216 10 01 2A219
10 10 10 00 10 00 01
10 10 2A21A
Escorregamento
124
Robô se encolhendo em posição de retrocesso TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal Estado
Estrutural 00 00 2A820 00 01 2A821 00 10 2A822 01 00 2A824 10 00 2A828 01 10 2A826 10 01 2A829
10 10 10 10 00 00 10
01 01 2A825
Movimento Normal
00 00 2A900 00 01 2A901 00 10 2A902 01 00 2A904 10 00 2A908 01 10 2A906 10 01 2A909
10 10 10 10 01 00 00
01 01 2A905
Estancamento
00 00 2A840 00 01 2A841 00 10 2A842 01 00 2A844 10 00 2A848 01 10 2A846 10 01 2A849
10 10 10 10 00 01 00
01 01 2A845
Escorregamento
125
Robô completamente esticado em posição de avanço TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal 00 01 01 01 10 00 00 01 01 5605 00 01 01 00 10 00 00 01 01 5205 00 01 01 10 10 00 00 01 01 5A05
Robô completamente encolhido em posição de avanço
TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal 00 01 01 10 10 00 00 10 10 5A0A 00 01 01 10 00 00 00 10 10 580A 00 01 01 10 01 00 00 10 10 590A
Robô completamente esticado em posição de retrocesso
TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal 10 10 10 01 10 00 00 01 01 2A605 10 10 10 00 10 00 00 01 01 2A205 10 10 10 10 10 00 00 01 01 2AA05
Robô completamente encolhido em posição de retrocesso
TU GT1 GT2 PS PN H1 H2 DH1 DH2 Hexadecimal 10 10 10 10 10 00 00 10 10 2AA0A 10 10 10 10 00 00 00 10 10 2A80A 10 10 10 10 01 00 00 10 10 2A90A