Digitalização de dados Modbus de simulador de Unidade de Bombeio Mecânico para a nuvem
Como estudo de caso para este projeto utilizamos automação de poços de óleo e gás terrestres (onshore), onde a HI Tecnologia possui grande domínio no desenvolvimento das aplicações.
Aplicações da HI Tecnologia para elevação artificial de petróleo
A HI Tecnologia possui mais de 20 anos de experiência no desenvolvimento de aplicações para a elevação de óleo e gás em terra, fornecendo serviços de engenharia como projetos elétricos, desenvolvimento das lógicas de controle para diversos métodos de elevação artificial, montagem dos painéis de comando, desenvolvimento de aplicações em sistemas supervisórios, etc.
Imagens de painéis modelo ACOS225 e ACOS227 para elevação artificial
Entendendo um pouco sobre Bombeio Mecânico
Basicamente, os poços de extração terrestre exploram jazidas (reservatórios naturais) repletas de hidrocarbonetos leves, pesados e ultrapesados. Esses hidrocarbonetos precisam ser elevados até a superfície para serem comercializados.
Existe uma pressão natural que as rochas sobrepostas exercem para deslocar os hidrocarbonetos até a superfície, classificando assim o poço de extração como um poço surgente.
Porém, muitas vezes essa pressão não é suficiente para ocorrer a elevação natural até a superfície. Nestes casos são aplicados os métodos de elevação artificial, e os mais utilizados na indústria de petróleo são:
- Gas lift;
- Bombeio mecânico com hastes (BM);
- Bombeio por cavidade progressiva (BCP);
- Bombeio centrífugo submerso (BCS).
Nota: A elevação artificial também é utilizada para potencializar a produção de poços surgentes.
O método de elevação artificial por bombeio mecânico (BM) é baseado no movimento rotativo de um motor elétrico transmitido para um cavalo mecânico que opera com movimentos alternativos (sobe/desce) da haste para elevar o petróleo dos reservatórios naturais até a superfície e que depois é conduzido para os oleodutos.
As vantagens do método BM:
- Método bastante conhecido, simples operação e fácil diagnóstico.
- Projeto de instalação simples.
- Poços produtores de óleo viscoso.
- Reposição de componentes e acessórios.
Este processo da extração de petróleo é monitorado e controlado através da instrumentação de sinais elétricos e automação para controle de toda operação do sistema.
Geralmente, os painéis de comando instalados nas aplicações de UB se comunicam por rádio frequência com as salas de operação localizadas algumas dezenas de quilômetros de distância.
Nestas salas de operação roda um sistema de supervisão para realizar o controle e monitoramento da UB, onde os engenheiros de petróleo conseguem fazer diagnósticos da operação dos poços e tomar as ações.
O Caso
Para demonstrar o conceito de digitalização de dados Modbus será utilizado uma miniatura de uma unidade de bombeio mecânico, semelhante ao estudo de caso apresentado anteriormente.
O objetivo é atender 3 requisitos para fazer a digitalização dos dados da unidade de bombeio (UB):
- Transferir as informações da UB para nuvem via protocolo MQTT;
- Não depender da rede interna de TI do cliente para acesso à internet — utilizar rede celular;
- Não realizar nenhuma alteração no código-fonte do CLP que já realiza o controle do processo.
Para atender esta demanda será utilizado o GTON-P (gateway programável da HI Tecnologia) em conjunto com o Portal de Telemetria (plataforma IoT da HI Tecnologia).
O GTON-P será responsável por realizar a interface com o CLP via Ethernet com protocolo Modbus-TCP e transferir as informações para o Portal de Telemetria via protocolo MQTT.
Detalhamento da Arquitetura
1. Dispositivo com protocolo Modbus. Este equipamento contém o mapa de variáveis Modbus de todo o processo.
A miniatura da unidade de bombeio mecânico está equipada com um CLP RION da HI Tecnologia. Neste CLP roda um programa que faz as simulações de um poço de extração de petróleo terrestre, como sinais de pressão da linha, célula de carga, velocidade de extração, liga/desliga UB, etc.
Essas variáveis simuladas são do tipo global exportada e com isso é possível acessá-las via comunicação Modbus, por exemplo.
2. Gateway programável GTON-P. Este equipamento será utilizado para criar 2 interfaces de comunicação. Uma interface com o dispositivo Modbus e outra interface com o Broker via protocolo MQTT.
Basicamente, toda inteligência da digitalização está no gateway programável, bastando realizar apenas 2 etapas de configuração/programação:
- Instanciar o bloco de função para realizar a bridge entre os protocolos Modbus e MQTT
- Preencher as tabelas de endereços Modbus e os tópicos MQTT.
3. Broker MQTT. Neste caso foi utilizado o Portal de Telemetria — Plataforma IoT da HI Tecnologia — onde serão criados os tópicos, dashboards, relatórios, etc.
Possibilita desenvolver dashboards personalizados, relatórios, criar alarmes, notificações e outros recursos.
