UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Reforma da Automação da FPSO P34 Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Elson Gustavo Mota Arruda Florianópolis, Outubro de 2005 Reforma da Automação da FPSO P34 Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso Elson Gustavo Mota Arruda Florianópolis, outubro de 2005 2 Reforma da Automação da FPSO P34 Elson Gustavo Mota Arruda Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Eng. Jair Tartari Prof. Dr. Nestor Roqueiro Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. xxxxxxx, Avaliador Diego Soares Silvestre, Debatedor Charles Alberton Herdt, Debatedor Agradecimentos Agradeço ao coordenador do Projeto, o Engenheiro Wagner Bertani, pela paciência em transmitir seu conhecimento. A Dona Olga por me apoiar e me ajudar nos problemas de logística. Ao meu orientador na Unicontrol, o Engenheiro Jair Tartari. A todos que de uma forma ou de outra me ajudaram. Ao orientador Nestor Roqueiro e ao coordenador do PRH34, o professor Daniel Juan Pagano, pela oportunidade e confiança depositada. A todos os professores do departamento, sempre preocupados em manter a qualidade do ensino. Ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo – ANP, e da Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. Aos meus amigos que mesmo com a distância se fizeram presentes. Aos meus vizinhos, moradores do Hospedário (Alice, Renacha, Marcelo, Carol, Ciro e Jonathan), que ajudaram a melhorar minha estadia em São Paulo, proporcionando muitos bons momentos. A minha família, e em especial a minha mãe, por me apoiarem sempre. Deus. i Resumo Neste trabalho apresentarei as atividades desenvolvidas para a reforma do navio plataforma (FPSO) P34. Estes trabalhos de reforma estão basicamente divididos em reforma de hardware e de software. A reforma de hardware envolve a distribuição física de pontos de entradas e saídas adicionais e o projeto dos painéis. A reforma de software diz respeito a migração da lógica de ladder do programador utilizado na fabricação da plataforma para o programador atual bem como as modificações necessárias. Também apresento aqui aspectos de redundância utilizados neste projeto e as atividades que ainda estão por ser executadas. ii Abstract In this work I will present the works developed for the reform of the FPSO (Floating Production Storage and Offloading) P34. These works basically are divided in software and hardware reform. The hardware reform involves the physical distribution of inputs and outputs you add and the project of the panels. The software reform means the migration of the ladder logic of the programmer used in the manufacture of the platform for the current programmer as well as the necessary modifications. Also I present in this work aspects of redundancy used in this project and the activities that still are for being executed. iii Sumário Agradecimentos................................................................................................. i Resumo ............................................................................................................ ii Abstract ........................................................................................................... iii Sumário ........................................................................................................... iv Simbologia....................................................................................................... vi Capítulo 1: Introdução ......................................................................................1 1.1: Unicontrol...............................................................................................2 1.2: Contrato Petrobrás – Unicontrol.............................................................5 1.3: FPSO .....................................................................................................5 1.3.1: FPSO P34 – Presidente Prudente de Morais..................................6 Capítulo 2: Reforma de Hardware:...................................................................8 2.1: Painéis .................................................................................................11 2.1.1: Alocação das Entradas e Saídas nos Painéis...............................15 2.2: Cabeamento ........................................................................................17 Capítulo 3: Reforma de Software ...................................................................18 3.1: Diferenças entre CLPs da Série 90-70 e PACSystem .........................18 3.1.1: Seqüência de Execução do Ladder...............................................20 3.2: Migração do LM 90-70 para CME ........................................................21 3.2.1: Procedimentos de Migração..........................................................22 3.3: Migração do PLC Série 90-70 pata PACSystem RX7i.........................23 3.4: Implementação da Lógica para os Pontos Adicionais .........................24 Capítulo 4: Sistema de Redundância .............................................................26 4.1: Hot Stand-by Série 90-70 ....................................................................26 iv 4.2: Hot Stand-by PACSystem....................................................................27 4.3: Redundância na Rede de Entradas e Saídas Distribuídas..................28 4.3.1: Geração do Sistema de Redundância para o PACSystem RX7i ..29 Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas ..........................................................31 5.1: Atividades futuras ................................................................................31 Bibliografia:.....................................................................................................33 v Simbologia AI Entrada Analógica AIH Entrada Analogia com HART AO Saída Analógica AOH Saída Analógica com HART BRASOIL Braspetro Oil Services Company BCSS Bomba Centrífuga Submersa Submarina CLP Controlador Lógico Programável CME Cimplicity Machine Edition CPU Unidade Central de Processamento DI Entrada Digital DIM Entrada Digital Monitorada DO Saída Digital DOM Saída Digital Monitorada DOR Saída Digital a Relé ECOS Estação de Controle e Operação do Sistema EGD Ethernet Global Data FPSO Floating Production Storage and Offloading GBC Controlador da Rede Genius GE General Electric HBR Hot Back-up Redundancy IO Entradas e Saídas PI Entrada de Pulso PRH Projeto de Recursos Humanos SDCD Sistemas Digitais de Controle Distribuído TAC Teste de Aceitação de Campo vi Capítulo 1: Introdução Neste trabalho serão abordados aspectos da reforma de software e de hardware de uma FPSO. As etapas envolvidas na reforma de hardware são a definição dos equipamentos, distribuição e desenho de painéis. Este processo é baseado de início na listagem de entradas e saídas fornecida pele cliente e segue uma série de especificações técnicas exigidas por ele. A reforma de software envolve a migração da lógica ladder para o novo software de programação, implementar a lógica para os pontos adicionais e o desenvolvimento das telas do supervisório. O desenvolvimento do ladder é completamente dependente de instruções fornecidas pelo cliente, explicando a lógica a ser executada. O desenvolvimento das telas do supervisório será feito por outro departamento da Unicontrol e não será abordado aqui. Os trabalhos aqui desenvolvidos são de Informática Industrial, ministrados no curso de Engenharia de Controle e Automação. São aspectos de hardware de CLP e programação de ladder. Diversos aspectos, como terminologia e conhecimento dos processos foram providos por disciplinas oferecidas pelo PRH34 tais como Fundamentos de Engenharia do Petróleo e os Seminários de Petróleo e Gás. Este projeto tem a característica de ser uma aplicação de engenharia. Esta é uma aplicação muito particular, visto que uma plataforma de petróleo engloba muitas tecnologias talvez até suficientes para um curso de graduação. Por se tratar de uma reforma, esta aplicação tem características próprias, já que, temos um processo já implementado e amadurecido num ambiente em que muitas soluções novas surgem para problemas antigos. Estas características possibilitam um amplo horizonte de processos a conhecer e problemas a resolver (ou melhorar a solução dada). Visto que não se trata de uma atividade de pesquisa e sim de aplicação de conhecimentos, neste relatório exponho as tecnologias aplicadas nas atividades em que trabalhei durante o processo de reforma da plataforma. 1 Por ser uma aplicação comercial, já existem uma série de normas que devem ser seguidas durante a execução do projeto. Antes do início dos trabalhos foi necessário um estudo detalhado da documentação existente, por exemplo, existe algumas normas para a implementação em ladder de algumas lógicas mais comumente utilizadas. Algumas normas e Especificações Técnicas podem ser vista em [ 1 ], [ 2 ] e [ 3 ]. Este relatório está organizado da seguinte maneira: • Capítulo 2. Reforma de Hardware: Onde são apresentadas a seqüência dos trabalhos desenvolvidos de maneira detalhada com alguns exemplos das aplicações. • Capítulo 3. Reforma de Software: Onde são tratados os aspectos de migração do software e também é apresentado a maneira como a ampliação do software será feita. • Capítulo 4. Sistema de Redundância: Neste capítulo são apresentados os objetivos e os princípios da redundância e as configurações aplicadas neste projeto, seja de CLP ou de rede de entradas e saídas distribuídas. • Capítulo 5. Conclusão: Aqui são apresentadas as visões gerais do projeto bem como algumas atividades ainda por serem executadas. 1.1: Unicontrol A Unicontrol é uma empresa brasileira de Prestação de Serviços de Engenharia Industrial que agrega tecnologias de Controle & Automação, Elétrica e de Instrumentação. A Unicontrol foi fundada em 1984 para atender às necessidades do mercado emergente de sistemas digitais de controle para a indústria e vem atuando desde então nos mercados químico e petroquímico, papel e celulose, siderurgia e mineração, saneamento e meio-ambiente e petróleo e gás, com mais de cem sistemas fornecidos. Desde sua criação a Unicontrol participou de vários projetos importantes da indústria nacional os quais são destacados cronologicamente abaixo, em conjunto com alguns eventos de relevância significativa à sua jornada. 2 1985/86 - Implantação do primeiro grande projeto brasileiro de Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) na Petroquímica União PQU em Mauá-SP. 1986/87 - Implantação de SDCD para controle de aproximadamente 1500 pontos dos processos contínuos e de batelada da Fábrica de Lycra da Du Pont em Paulínia-SP. 1988/89 - Implantação de SDCD para controle de aproximadamente 6500 pontos, com 55 painéis e 9 consoles de operação para a REPLAN, Refinaria do Planalto em Paulínia - SP, maior refinaria da PETROBRAS. 1989/90 - Fornecimento de SDCD com 240 painéis de automação, 16 consoles de operação para a ARACRUZ Celulose no Espírito Santo, maior fábrica de celulose de fibra curta do planeta. 1991/92 - Fornecimento de SDCD para 2400 pontos de controle para a REFAP, Refinaria Alberto Pasqualini no Rio Grande do Sul. 1993/94 - Fornecimento de SDCD e Serviços de Engenharia, Procurement e Montagem de "Retrofit" de 255 válvulas de petróleo e combustíveis da REVAP, Refinaria do Vale do Paraíba São José dos Campos - SP. 1995/97 - Plataforma FPSO PETROBRAS XXXIV - Bacia de Campos. Engenharia de Software e Hardware e Fornecimento de equipamentos para Sistema de Controle baseado em CLPs e Software Supervisório VXL sob Sistema Operacional OpenVMS. 1996/97 - Plataforma de Produção PETROBRAS XIX. Fornecimento de Sistema baseado em CLP para 7000 pontos e interface com CCMs, com painéis fabricados e testados pela Unicontrol. 1996/98 - Plataforma de Produção PETROBRAS XXVI. Fornecimento de Projeto do Hardware e do Software dos Painéis do Sistema de Automação. 1997/98 - Plataforma FPSO PETROBRAS XXXI. Fornecimento, Projeto e Desenvolvimento do Software dos Painéis de Controle. 3 1997/2000 - Plataforma de Produção PETROBRAS Pampo. Desenvolvimento de Software do Sistema de Supervisão e Controle baseada em software supervisório In Touch da Wonderware 1998/99 - Plataforma de Produção PETROBRAS XXVII. Projeto de Arquitetura do Sistema de Controle, Interface com a Instrumentação e com o Sistema Elétrico. 1999/2000 - Plataformas de produção Xaréu da Petrobrás. Engenharia e programação das unidades terminais remotas e sistema de comunicações de dados via rádio. 1999/2001 - Plataforma de Produção PETROBRAS XXXVIII. Engenharia e Fornecimento de Painéis para o Sistema de Automação e Controle com Certificação no Brasil. 2000/01 - Refinaria RELAM da PETROBRAS na Bahia. Desenvolvimento de lógica de controle e intertravamento da Caldeira. Projeto, configuração, testes e comissionamento. 2001/04 - Gasoduto Brasil Bolívia -GASBOL. Fornecimento do Sistema de Automação de todas as Estações de Compressão. 2002/04 - FPSOs Barracuda e Caratinga. Contrato sob regime Turn-Key para fornecimento do sistema de controle e parte da instrumentação específica de uso off-shore. 2003 - Gás Brasiliano Distribuidora. Fornecimento do Sistema SCADA para Supervisão e Controle das Redes de Distribuição de Gás Natural da Região Noroeste do Estado de São Paulo. Desde o ano 2001 a Unicontrol passa a ter controle acionário (60%) da canadense Sea Systems, empresa especializada em engenharia e automação. Esta empresa, responsável pela engenharia de instrumentação e automação das plataformas offshore canadenses Hibernia e Terranova, pertence ao grupo canadense Rutter Technologies. 4 Com esta nova formação societária a Unicontrol alia sua experiência com a reconhecida metodologia de projetos da Sea Systems e o respaldo financeiro do grupo Rutter. [ 4 ] 1.2: Contrato Petrobrás – Unicontrol Este contrato de reforma não é firmado diretamente entre a Petrobrás e a Unicontrol. A licitação para reforma da FPSO P34 foi lançada pela BRASOIL. A BRASOIL é uma subsidiária da Petrobrás e é uma empresa independente, com diretoria própria. O vencedor desta concorrência foi a empreiteira GDK S.A.. A licitação engloba reforma mecânica, estrutural, elétrica e de automação. A Unicontrol foi subcontratada pela GDK para realizar a reforma de automação deste projeto. Esta fatia do projeto engloba por sua vez, a reforma, ampliação, atualização e integração do sistema ECOS. A automação a ser realizada pela Unicontrol não inclui transdutores, sensores ou acionamentos. Desta forma as responsabilidades da Unicontrol consistem em especificar, montar, configurar e programar os CLPs e sistema de supervisão. Não sendo responsável pelos sinais de entrada e saída que serão utilizados pelo sistema. O navio em que foi construído a FPSO P34 pertence a BRASOIL e por motivos tributários tem bandeira internacional (Panamenha). Por solicitação da BRASOIL toda documentação deverá ser apresentada em inglês. 1.3: FPSO FPSO – unidade Flutuante de Produção, Armazenagem e Descarregamento do inglês: Floating Production Storage and Offloading. Um sistema de tanques flutuantes usado pela indústria offshore de óleo e gás. A produção de óleo offshore pode ser transportada para terra diretamente por oleoduto ou pode ser temporariamente armazenada em tanques. Quando a solução de tanques é adotada, freqüentemente um petroleiro é reformado e equipado para 5 poder ser conectado aos poços. O petróleo é acumulado até que haja uma quantidade suficiente para carregar um petroleiro. Para a construção das FPSO são utilizados petroleiros de cascos simples. Estes petroleiros são utilizados pois não poderão navegar em águas norte americanas a partir de 2010. Esta atitude dos EUA é uma reação ao acidente ocorrido em 1989 com o petroleiro Exxon Valdez no Alaska. [ 5 ] Por receio de que os petroleiros proibidos de navegar nos EUA passassem a operar em outros países a União Européia também criou leis regulamentando estes petroleiros e o congresso brasileiro tem projeto de lei semelhante tramitando desde 2000, impondo prazos para proibição da circulação destes petroleiros, que variam de 2005 a 2015 dependendo do porte do navio. [ 6 ] Algumas FPSOs já realizam um pré-processamento do óleo. Processos como separação de óleo, gás e água e dessanilização do óleo. Um exemplo de uma FPSO pode ser visto na Figura 1. Figura 1: Aplicação típica de um PFSO 1.3.1: FPSO P34 – Presidente Prudente de Morais Começou a produzir na Bacia de Campos em 1997 a 80Km da costa em uma lâmina d’água de 785m. Em 2004 estava produzindo aproximadamente 34K bpd e 195K m3 de gás/dia. Captando esta produção de oito poços. 6 No dia 13 de outubro de 2004 a P34 teve uma pane elétrica, que causou a abertura de válvulas ocasionando um deslocamento do óleo armazenado para apenas um lado do navio. A FPSO adernou 32º e obrigou 30 funcionários a deixar o navio a nado. Não houve vazamento pois a produção foi interrompida automaticamente pelo sistema de E&S (Desligamento de Emergência). Depois de quatro dias o navio foi recuperado (colocado em posição normal) e então retirado para reforma. Hoje está ancorado num estaleiro em Vitória. A Petrobrás planeja que a reentrada em operação da P34 ocorra em dezembro de 2005, com nova capacidade de produção de 65K bpd. 7 Capítulo 2: Reforma de Hardware: A configuração de hardware de controle da P34 antes da reforma consistia em 3 unidades de controle baseados em CLPs da Série 90-70 da GE-Fanuc. Destas três unidades de controle duas funcionam com redundância Hot Stand-by. Estas três CPUs controlam os cinco subsistemas do navio (Emergency Shut Down-ESD, Eletric, Process, Fire and Gas-F&G e Utility) e antes da reforma estavam divididos em 4 conjuntos de painéis. Os subsistemas estão divididos entre as CPUs conforme distribuição mostrada na Tabela 1. CPU 1 CLP 1 e 2 Painel 1 CLP Principal e Back-up CPU 2 CLP 3 ESD, Eletric e Utility PN-540001 Painel 4 F&G, Process e Loop Control PN-540004 CPU 3 CLP 4 e 5 Painel 2 CLP Principal e Back-up Process (Turret) PN-540002 Tabela 1: Distribuição dos processos entre as CPUs O processo de reforma prevê um aumento dos pontos de entrada e saída (digitais e analógicas) do sistema. Este aumento é detalhado na Tabela 2. Número de Pontos Pré reforma Número de Pontos Reforma Número Total de Pontos 0 21 21 Entradas PTC 24 0 24 0.00% Entradas Termopar 12 0 12 0.00% TAG Contador de Pulso PI Aumento (%) Entradas Analógicas AI 438 320 758 73.06% Entradas Dig (120Vac) DI 120Vac 400 0 400 0.00% 1264 310 1574 24.53% Entradas Digitais (24Vcc) DI Saídas Analógicas AO 48 41 89 85.42% Saídas Dig (120Vac) DO 120Vac 384 0 384 0.00% Saídas Digitais (24Vcc) DO 944 203 1147 21.50% Saídas Digitais (relé) DOR 176 0 176 0.00% 8 3690 895 4585 24.25% Tabela 2: Pontos adicionais na reforma Esta ampliação resultou na criação de um 5º painel que comportará os cartões de entrada e saídas distribuídos das CPUs 1 e 3 (CLPs 1 e 2 e CLPs 4 e 5) Das três CPU’s do projeto, duas não sofrerão modificação da configuração e terão somente uma adição do número de entradas e saídas. Das CPUs que não sofrerão atualização de hardware uma é controlada por um CLP 90-70 simplex (ou seja, sem um sistema de redundância) e a outra CPU consiste de uma configuração de dois CLPs operando com uma redundância Hot Stand-by. Estas CPUs passarão por uma atualização de software de configuração e programação mas continuarão com a mesma configuração de hardware. No caso da CPU redundante, o sistema de redundância continuará sendo baseado no software HBR e a placa BIT3. A 3ª CPU, que também era um CLP 90-70, será trocada por um CLP PACSystem RX7i, também da GE-Fanuc. O sistema de redundância será atualizado para uma configuração própria da linha de controladores PACSistem, que utiliza um módulo chamado “Memory Xchange” e é configurado pelo mesmo software de programação do CLP. Na Figura 2 temos uma visão geral do sistema ECOS. Nesta figura são representadas as estações de Controle e Supervisão na Sala de Controle e a comunicação do sistema ECOS com as CPUs, feita utilizando Ethernet. Também são representados os cinco painéis do sistema de automação. Imediatamente abaixo da Sala de controle é representado o Painel 1 (PN-540001) com os CLPs 1 e 2 (principal e backup) juntamente com os controladores da rede de controle distribuído. A representação dos CLPs e controladores de rede distribuídos do Painel 1 ilustra que o CLP 1 e CLP2 têm a mesma configuração de HW e que cada rede de entradas e saídas distribuídas tem 2 controladores em cada CLP. Mais aspectos do sistema de redundância serão esclarecidos no Capítulo 4. 9 O Painel 2 (PN-540002) também é mostrado com sua configuração de CLPs redundantes Hot Stand-by bem com o Painel 3 (PN-540003) com um CLP simplex e os respectivos controladores de rede de entrada e saída distribuída. Os painéis 3 e 5 (PN-540003 e PN54-0005, respectivamente) somente armazenam os cartões de entrada e saída da rede de controle distribuído. Figura 2: Visão geral da arquitetura do sistema de automação Esta configuração do sistema de controle é, de maneira geral, a mesma configuração pré-reforma da plataforma, ressalvando-se o aumento dos pontos de entrada e saída que resultaram na inclusão do Painel 5. Além da migração serão adicionados pontos de IO. Muitos destes pontos são devido a uma re-estruturação da plataforma buscando o aumento da produção de petróleo. 10 A plataforma P34 voltará para operação em um campo de extração diferente do que operava antes da reforma e contará com duas BCSS (Bomba Centrífuga Submersa Submarina) que estarão sob aproximadamente 2000m de lâmina d’água. Estas BCSSs serão testadas de maneira piloto (em lâminas d’água desta grandeza) na P34, extraindo óleo de alta viscosidade, para futuras aplicações em maior escala. A Petrobrás tem projetos de construir uma FPSO (P57) que operará também em 2000m de lâmina d’água e contará com 17 BCSS para uma produção nominal estimada de 300K bpd. A BCSS não faz parte do escopo deste trabalho, mas estas bombas têm um importante papel estratégico na extração de Petróleo. Com a utilização de BCSS, será possível atingir distâncias da ordem de 20 Km entre poços explorados pela mesma plataforma. Isto permite vislumbrar soluções em que uma FPSO poderá testar ou produzir dois reservatórios afastados com distancia de até 20 Km entre cabeças de poço, podendo atingir até 25 Km entre alvos se considerarmos o uso de poços horizontais. Normalmente num TLD (Teste de Longa Duração) convencional, o poço produtor fica num raio de afastamento máximo em torno de 5 Km da FPSO. [7] Embora estas bombas não sejam do escopo de fornecimento da Unicontrol, uma considerável parte dos pontos e entradas e saídas adicionais neste projeto são provenientes destas bombas. Além do aumento do número de entradas e saídas há a implementação do Ladder para controle e intertravamento destas bombas que é de responsabilidade da Unicontrol. 2.1: Painéis O projeto dos painéis é uma importante etapa no projeto de hardware de automação. Após recebermos, do cliente, as listas com as quantidades e os tipos de entradas e saídas que serão utilizados procedemos com a seleção dos módulos de Entrada e Saída para a rede distribuída dos CLPs e na seqüência fazemos a alocação dos módulos nos painéis. 11 Os painéis são divididos em seções, a primeira seção é reservada para a CPU, alocando o CLP primário e secundário e as seções subseqüentes são destinadas aos controladores de rede distribuída e na seqüência os cartões de entrada e saída. Esta é uma seqüência de alocação para painéis que contém CPU, quando da ausência de CPUs segue-se uma seqüência similar entendendo-se que a primeira seção não será reservada para a CPU. A P34 antes da reforma contava com quatro conjuntos de painéis e com esta reforma passará a ter cinco conjuntos de painéis do sistema de automação, sendo que este 5º painel armazena somente cartões de entrada e saída da rede de controle distribuído. Para um melhor entendimento da estrutura de um painel, utilizarei como exemplo o Painel 1 (PN-540001). Este painel tem seis seções, a primeira seção chamada “Section PLC” e mais cinco seções que comportam os controladores de rede e os cartões de entrada e saída distribuídos. Na Figura 3 temos uma visão frontal do Painel 1. Este é um dos desenhos feitos na Unicontrol, após dimensionamento do painel, e é utilizado para a fabricação do painel. Figura 3: Vista frontal Painel 1 (PN-540001) 12 A primeira seção deste painel (Section PLC) será utilizada para a montagem do CLP 1 e 2 numa configuração de redundância Hot Stand-by. Um desenho para montagem pode ser visto na Figura 4. Figura 4: Esquema de montagem da seção CLP do Painel 1 (PN-540001) Nas seções em que são alocados os cartões de entrada e saída da rede de controle distribuído as limitações podem ser duas. Uma limitação é dada pelo número de cartões de entradas e saídas que o painel suporta em seus racks. Outra limitação, menos obvia, é imposta pelos bornes de passagens que ficam alocados nas paredes laterais dos painéis (CUT AA e CUT CC). Mesmo que os bornes seccionadores (para sinais de entrada) tenham uma altura de 5mm e os bornes seccionadores fusíveis (para sinais de saída) uma altura de 8mm estes bornes podem ser utilizados em grande número, causando uma limitação de espaço no painel. A Petrobrás exige que todos os sinais que entram em um painel devem passar por um borne seccionador e fusível e todo sinal que sai deve passar por um 13 borne seccionador do tipo faca. Desta forma, dependendo dos tipos de sinais que um painel armazena, este será limitado por um ou por outro fator. Como exemplo destas limitações podemos ver na Figura 5 o esquema de montagem da seção 4 do Painel 1 (Section 4 – PN-540001). Nesta figura podemos observar que o fator limitante foi a quantidade de blocos de entradas e saídas da rede de controle distribuído, visto que na régua de borne esquerda (RB4-E em CUT AA) ainda há espaço. Figura 5: Esquema da Seção 4 do Painel 1 mostrando limitação por cartões Um exemplo da limitação por bornes de passagem também pode ser encontrado no Painel PLC, entretanto um exemplo mais explícito pode ser visto na Figura 6, que mostra a seção 1 do Painel 5 (Section 1 – PN540005). Nesta figura podemos observar que ainda existe espaço nos racks do painel para alocação de cartões de entrada e/ou saída, entretanto as réguas de borne não suportariam tal acréscimo. 14 Figura 6: Esquema da Seção 1 do Painel 5 mostrando limitação por borne de passagem 2.1.1: Alocação das Entradas e Saídas nos Painéis Esta é a primeira etapa do projeto de painéis, mas para um melhor entendimento está aqui apresentado após a explicação dos painéis. Por especificação da Petrobrás o projeto deve ter uma capacidade adicional instalada de 10% de entradas e saídas citadas na Tabela 2. Além deste adicional instalado os CLPs e os Painéis devem suportar mais 10% de expansão de todos os tipos de entrada e saída. Esta é a etapa mais artística do projeto: alocar os pontos de entradas e saídas nos painéis, passando pela seleção dos cartões da rede de controle distribuído (existem cartões com densidades diferentes, por exemplo, cartões de entradas digitais com 16 pontos ou 32 pontos). Esta seleção é feita paralelamente com a distribuição dos pontos pelos painéis, buscando manter juntos os pontos 15 provenientes de um mesmo Sub-sistema (F&G, ESD, Process...) bem como manter os tipos de pontos (entradas digitais, saídas analógicas...) agrupados sempre que possível. Para auxiliar neste projeto faz-se uso de planilhas, como a apresentada na Tabela 3, onde são quantificados os comprimentos dos Bornes de Passagem para cada tipo de cartão (tipo de sinal). Bornes de Passagem (largura em mm) TAG Densidade do (Tipo IO) Cartão de IO WDU 2.5/10/BEZ Borne Passagem WSI6 - Borne WTR 2.5 - Borne Larg. Total Seccionador Fusível Passagem da Borneira AIA 6 5 8 0 138 AIAH 6 5 8 0 138 AIH 6 5 8 0 108 AOH 6 5 8 0 108 DI 16 5 0 5 160 DIM 16 5 0 5 160 DO 16 5 8 0 208 DOM 16 5 8 0 208 PI 4 5 0 5 60 Tabela 3: Dimensionamento das borneiras para cada tipo de cartão Com o auxílio dos dados obtidos da Tabela 3 construímos a Tabela 4 onde fazemos uma distribuição dos cartões pelos painéis e podemos checar a quantidade de cartões e o tamanho dos Bornes de Passagem, que são fatores limitantes na capacidade de um painel. As quantidades parciais de cada seção (Sec) são adicionadas manualmente Sec7-d Sec7-e Sec6-d Sec6-e Sec5-d Sec5-e Sec4-d Sec4-e Sec3-d Sec3-e Sec2-d Sec2-e Sec1-d Sec1-e com valores retirados da Tabela 3. 800 800 414 1242 276 832 416 966 0 864 0 416 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 800 320 138 1080 1080 648 540 324 0 416 160 138 0 0 0 540 0 0 180 416 540 0 0 0 0 0 0 0 240 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Totais (mm) 1632 1632 1380 1242 1140 0 1396 1136 816 1080 1080 648 1080 324 Tabela 4: Dimensionamento dos cartões e borneiras do Painel 5 16 2.2: Cabeamento Um importante aspecto ao se tratar-se sobre o cabeamento é que após o acidente com a P36 a Petrobrás passou a exigir que a fiação utilizada em plataformas além de antichama devessem ser livres de halogênio (halogen free). Existem estatísticas que mostram que com a utilização de retardadores de chama o risco de morte ou ferimento pode ser reduzido de 30 a 90%, entretanto a maioria dos retardadores de chama utiliza bromo. Estes retardadores são os BRFs (Retardadores de Chama Bromados). Há, entretanto, uma preocupação crescente com os gases tóxicos liberados na queima e a utilização de cabos livres de halogênio reduzem consideravelmente a emissão de gazes tóxicos. [ 8 ] 17 Capítulo 3: Reforma de Software Neste projeto de reforma a Petrobrás decidiu mudar o software utilizado para programação dos CLPs. Até o presente momento os CLPs da GE-Fanuc da P34 têm como software padrão de configuração e programação o LogicMaster 9070, um software que roda em ambiente DOS e tem mais de 10 anos desde seu lançamento. O software que será adotado como padrão é o Cimplicity Machine Edition for Windows (CME) que é o software mais atual da GE, lançado com a intenção de permitir uma maior integração dos sistemas. Este software foi desenvolvido com o intuito de ser um programador que configure toda a linha de CLPs, redes e dispositivos da linha de automação da GE. A migração de hardware realmente é muito simples, não acarretando maiores problemas que a troca da CPU, rack e da fonte de alimentação do CLP, todos os demais dispositivos são os mesmos não precisam de re-configuração. A migração do ladder desenvolvido utilizando-se o LogicMaster 9070 para o CME foi amplamente divulgada pela GE como uma migração “transparente” porém a prática mostrou algumas características particulares, como é mostrado neste capítulo. 3.1: Diferenças entre CLPs da Série 90-70 e PACSystem Os controladores PACSystem incorporam as características funcionais dos CLPs da Série 90-70, como Ethernet Global Data (EGD) e melhorou aspectos de comunicação Ethernet. Embora PACSystem disponibilize muitas melhorias se comparado com a Série 90-70, algumas funcionalidades da Série 90-70 não são suportadas pelo PACSystem. As primeiras informações provenientes da GE citam uma “Migração sem Emendas”, como se pode ver na Figura 7, entretanto encontramos algumas particularidades no processo de migração. 18 O Anúncio da GE diz respeito a migrações de produtos GE atualizados, mas após breve análise verificamos que os fatores que dificultaram a migração devem-se ao fato de que os hardwares que serão reutilizados foram fabricados a cerca de 10 anos e muitos dispositivos necessitam de atualização de firmware. Além dos problemas de firmware este projeto utiliza algumas placas fabricadas por terceiros que são “caixas pretas” para o software de programação e geram mensagens de erro durante o processo de migração. A atualização de firmware ainda não foi realizada devido a problemas de logística. Considerando-se que o navio está em um estaleiro em Vitória, uma equipe deverá se deslocar até o local para efetuar este procedimento de atualização e assim evitar o transporte dos equipamentos que acarretaria no pagamento de tributos pela movimentação destes. Figura 7: Folder de divulgação do PACSystems 19 Abaixo vemos a Tabela 5 que resume as principais diferenças entre os CLP’s da Série 90-70 e PACSystem. Categoria Série 90-70 PACSystem Seqüência de Colunas Seqüência de Linhas Inicia em [01] Inicia em [00] Limpa Status de Falhas individualmente Limpa Status de falha da tabela integralmente 256 (incluindo MAIN) 512 (Incluindo MAIN) Programa C Standalone Suportado Não suportado Programação SFC Suportado Não suportado Tamanho da Pilha (Stack) Max. 64Kb Max. 320Kb em incremento de 8Kb Execução do Ladder Referência de vetores Tabela de Falhas Máximo número de blocos Tabela 5: Comparação das CPUs. 3.1.1: Seqüência de Execução do Ladder Das diferenças apresentadas na Tabela 5, a que merece maior atenção é a seqüência de execução, execução de linhas x execução de colunas. CLPs da Série 90-70 utiliza execução do ladder por colunas, ou seja, uma linha de programa é executada por varreduras por colunas, de cima para baixo e da esquerda para direita. CLPs da série PACSystem executam o ladder por linhas, uma linha de programa é executado da esquerda para direita e de cima para baixo. Esta diferença implica que lógicas ladder convertidas da Série 90-70 para PACSystem podem resultar em uma execução de maneira diferente, como podemos ver nos exemplos a seguir: Exemplo 1: Neste exemplo, a ordem em que os contatos são varridos na seqüência de linhas ou colunas podem produzir um resultado diferente. Observando a lógica apresentada na Figura 8 considerando a execução na seqüência de linhas, a solenóide “1” seta o valor de “C” antes do contato “2” ser 20 avaliado. Numa seqüência de colunas, o contato “2” é avaliado antes do solenóide “1” ser executada. Figura 8: Exemplo de lógica ladder Exemplo 2: No seguinte exemplo, usando a seqüência de colunas (Série 90-70), o bloco SUB_INT sempre será executado antes do ADD_INT. Usando seqüência de Linhas (PACSystem), a instrução ADD_INT sempre será executada antes da SUB_INT. Figura 9: Exemplo de lógica ladder 3.2: Migração do LM 90-70 para CME O trabalho de reforma de software é dividido em 2 etapas principais, migrar a lógica existente no LogicMaster 90-70 (LM 90-70) para o CME e a implementação da lógica para os pontos de entradas e saídas adicionados na reforma. 21 A migração engloba importar o software do LM 90-70 para CME e validar esta migração, de forma a garantir que a lógica após importada funcionará da mesma forma que a lógica antes da importação. 3.2.1: Procedimentos de Migração Desconsiderando-se algumas particularidades dos softwares da GE o processo de importação é simples e pode ser resumido da seguinte forma: • Abrir a lógica ladder no LM 90-70 (Versão 5.0 ou superior) • Atualizar a lógica e salvar • No CME criar um novo projeto • Realizar a importação do projeto do LM 90-70 Após a importação dos arquivos o CME apresenta um relatório de importação. Este relatório apresenta uma lista de erros e avisos das alterações feitas durante o processo de importação. Devido a FPSO estar em reforma e portanto os sistemas de automação foram desmontados e os equipamentos novos ainda não terem sido adquiridos, a validação da migração do LM 90-70 para CME foi feita por uma conferência manual do programa. Esta verificação envolve a verificação de todas as mensagens de aviso e de erro do relatório de importação e da comparação da lógica ladder antes e depois da importação. Esta verificação foi necessária devido a problemas de migração, que serão explicados na próxima seção. 3.2.1.1: Problemas de migração A migração da lógica da CPU 2 (simplex) transcorreu sem problemas, entretanto durante a migração da lógica da CPU 3 (CLPs redundantes 4 e 5) foi detectado um grave problema na importação. Verificando-se as mensagens de aviso, encontramos a seguinte mensagem: Importing Importing Importing Importing Importing block block block block block scssv_k, scssv_j, scssv_i, scssv_h, scssv_g, renaming renaming renaming renaming renaming 22 to to to to to scssv_L... scssv_L... scssv_M... scssv_N... scssv_O... Importing Importing Importing Importing Importing Importing block block block block block block scssv_f, scssv_e, scssv_d, scssv_c, scssv_b, scssv_a, renaming renaming renaming renaming renaming renaming to to to to to to scssv_P... scssv_Q... scssv_R... scssv_R... scssv_S... scssv_T... Como podemos observar neste trecho do relatório de importação, o software renomeou dois blocos de sub-rotinas para o mesmo nome, desta forma dois blocos de sub-rotina foram perdidos durante o processo de importação. Após verificarmos o processo de importação e analisarmos os relatórios verificamos que os erros eram causados porque nestes blocos havia uma variável como o nome semelhante, a única diferença é que no lugar de underline (“_”) utilizase hífen (“-”) e durante a importação o hífen, por ser um caractere não aceito pelo CME, é substituído por underline causando conflito com o nome do bloco de subrotina. Com estas informações em mãos entramos em contato com a GE, para que esta se pronunciasse a respeito. A GE informou que já havia se deparado com este erro e que a solução seria alterar a configuração de importação para que underlines fossem substituídos pela seqüência (“_sub_”). Uma possível solução seria alterar o nome da variável ou da sub-rotina, entretanto não queríamos alterar a lógica original da P34 fornecida pelo cliente. Realizando a migração com esta alteração e verificamos que a importação foi realizada com sucesso, entretanto para não ficarmos expostos a outros BUGs do CME foi decidido pela comparação linha a linha dos programas, antes e pósimportação. 3.3: Migração do PLC Série 90-70 pata PACSystem RX7i Neste projeto a CPU 1 será convertida de CLPs da série 90-70 para CLPs da linha PACSystem. Esta conversão é feita diretamente no CME após a importação da lógica e podemos resumir o processo, para o caso particular deste projeto, da seguinte forma: • Depois de importado, excluir as chamadas de sub-rotinas e blocos que controla a redundância na Série 90-70 23 • Nas propriedades do projeto alterar o CLP utilizado de Serie 90-70 para PACSystem RX7i • Efetuar a validação do projeto, que fornece relatórios da migração • Configurar a porta Ethernet on-board. • Adicionar o kit de ventilação, que não existia no LM 90-70 Os procedimentos para implementar o sistema de redundância nos PLCs da série PACSystem, serão apresentados no Capítulo 4. 3.4: Implementação da Lógica para os Pontos Adicionais A implementação do ladder para os pontos adicionais do projeto é baseado em dois documentos fornecidos pela Petrobrás. Estes documentos são uma matriz Causa x Efeito e Diagrama Lógico, que podem ser vistos nas Figuras 10 e 11, respectivamente. Figura 10: Matriz Causa x Efeito 24 Figura 11: Diagrama Lógico A matriz Causa x Efeito mostra a relação dos sinais de entrada com os sinais de saída e é uma ferramenta muito útil para o intertravamento. O Diagrama Lógico mostra a relação das entradas com as saídas através de blocos lógicos padrão ISA e é uma importante ferramenta para representação de controle de processos. Estes documentos são complementares, existindo interseção entre eles mas um não está completamente contido no outro. O trabalho de programação dos novos pontos do sistema ainda não teve início neste projeto, visto que a Petrobrás ainda não forneceu os Diagramas Lógicos nem as matrizes Causa x Efeito certificados (que podem ser usados para “construção”). 25 Capítulo 4: Sistema de Redundância Em aplicações críticas, a duplicação de componentes é utilizada para aumentar a disponibilidade e segurança do sistema. O uso de CLPs redundantes Hot Stand-by permite que a aplicação continue operando mesmo que uma falha ocorra em um CLP ou se um CLP é tirado de operação. Um esquema de CLP redundante Hot Stand-by consiste em 2 CLPs rodando a mesma lógica ao mesmo tempo e conectadas de maneira que o CLP primário possa sincronizar e atualizar as variáveis de controle no CLP secundário a cada ciclo de varredura do CLP. Quando o CLP primário não é detectado por um período de tempo “x”, configurável, o CLP secundário assume o controle do sistema. É importante salientar que esta sincronização e compartilhamento de variáveis são de suma importância para que a transição entre os CLPs ocorra sem perturbações para o sistema (bumpless). Este processo de transição bumpless é garantido mantendo-se a tabela de saídas idêntica em ambos os CLPs (já que as entradas são lidas por ambos os CLPs). Com as tabela iguais quando CLP secundário assumir o controle do processo este mantém o estado das saídas durante o primeiro ciclo de execução. Após a execução do primeiro ciclo no CLP secundário este atualiza as saídas pela primeira vez. 4.1: Hot Stand-by Série 90-70 Neste projeto a CPU 3 utiliza 2 CLPs da Série 90-70 em configuração de redundância Hot Stand-by. A redundância destes CLPs foi implementada antes da GE lançar seu próprio hardware e software de redundância e desta forma a solução implementada e que será mantida após esta reforma é uma configuração com equipamentos de terceiros. 26 A implementação da redundância utiliza uma placa VME de terceiros para o compartilhamento de dados entre as CPUs e um software, também de terceiros, que monitora os CLPs e gerencia a transferência de dados. O software é o HBR (Hot Backup Redundant) e é fabricado pela Trimation. A placa utilizada é a BIT3. Um esquema de uma redundância implementada pode ser vista na Figura 12. Figura 12: Esquema de CLPs Série 90-70 redundantes Antes da utilização da placa BIT3 a transferência era feita utilizando-se placas GBC (controladores de rede de entrada e saída distribuída) entretanto esta placa não tem uma taxa de transferência grande o suficiente para que todas as tabelas de dados de um CLP sejam transferidas para o outro em apenas um ciclo de varredura, não proporcionando uma transição bumpless. Uma configuração utilizando GBC chegou a ser utilizada na P34, e esta foi uma das primeiras aplicações a detectar esta falha e solicitar uma solução eficiente para a GE, que então passou a prover a placa BIT3. 4.2: Hot Stand-by PACSystem O princípio de funcionamento do sistema de redundância do PACSystem é basicamente o mesmo que o esquema de redundância dos CLPs da família 90-70, 27 entretanto para o PACSystem a placa de sincronização e comunicação é de fabricação da própria GE. Esta placa não necessita de um software especial para configuração e gerenciamento sendo a configuração feita pelo mesmo software que configura o CLP (CME). Podemos ver na Figura 13 um esquema da implementação da redundância Hot Stand-by no PACSystem. Nesta figura podemos observar que a comunicação entre os módulos de controle da redundância (Memory Xchange) é feita através de cabos de fibra ótica. Figura 13: Esquema de CLPs PACSystem redundantes Neste projeto a CPU 1 (CLPs 1 e 2) serão controladores RX7i da linha PACSystem. A CPU 1 é o que controla o maior número de pontos deste projeto e faz o controle da lógica de ESD (desligamento de emergência do inglês: Emergency Shut Down). A configuração da redundância deste CLP é um processo simples, e está apresentado no Capítulo 3. 4.3: Redundância na Rede de Entradas e Saídas Distribuídas Em ambos os esquemas de redundância apresentados (e utilizados na P34) foi utilizado um sistema de redundância da rede de entradas e saídas distribuídas. 28 No sistema de automação das plataformas as redes de entradas e saídas distribuídas não são utilizadas para diminuir a suscetibilidade a falhas e facilitar o diagnóstico quando estas ocorrem nem para diminuir o cabeamento de instrumentação, uma das principais vantagens do uso de sistema distribuído. Os esquemas de rede de entradas e saídas distribuídas são utilizados para gerar uma redundância da rede de entradas e saídas. Como podemos ver nas Figuras 12 e 13, cada rede de entradas e saídas distribuídas é conectada a dois controladores de rede em cada CLP, num total de quatro controladores de rede para cada rede. Desta forma cada rede tem um controlador redundante em cada um dos CLPs que também são redundantes. Os cartões de entradas e saídas e os sensores e atuadores não têm redundância. Esta atitude provém de uma análise de risco feita pela Petrobrás que verificou que a perca de poucos pontos de IO não justifica a utilização de redundância. Esta decisão foi tomada considerando-se que existe um intertravamento de segurança que monitora a plataforma e avisa, no sistema ECOS, a ocorrência de anormalidades através de alarmes e também provê um controle automático para desligamento de emergência de setor(es) ou de toda a plataforma caso necessário. 4.3.1: Geração do Sistema de Redundância para o PACSystem RX7i Neste projeto somente foi necessário fazer a configuração do sistema de redundância do sistema PACSystem, já que a redundância do PLC 90-70 não sofreu alteração. A configuração da redundância para o PACSystem é muito facilitada com o uso do wizard do CME e os passos para a implementação podem se resumidos da seguinte forma: • Deletar a placa BIT3 (utilizada para redundância com CPL 90-70) • Caso um módulo PCM (Módulo Coprocessador Programável) ou RTM (Módulo de comunicação Modbus) esteja alocado em uma slot superior ao 9, este deve ser re-alocado para ficar entre o slot 2 e 9. 29 • Iniciar o wizard para redundância do CME e selecionar configuração do hardware primário de redundância • Configurar o endereço Ethernet • Ajustar a área de memória para o máximo possível • Ajustar a área de transferência de memória para o tamanho da memória • Ainda no wizard selecionar “Redundancy/Mirror to Secondary Hardware Configuration” • Configurar um endereço IP para o CLP secundário diferente do primário Esta migração já foi feita para a CPU 1 (CLPs 1 e 2) entretanto ainda não foi testada uma vez que os equipamentos ainda não foram adquiridos. 30 Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas Este trabalho não foi caracterizado pelo estudo detalhado de uma dada tecnologia mas sim pelo estudo de uma vasta gama de tecnologias aplicadas. Característica de um projeto de aplicação de engenharia. Os primeiros passos foram dados no detalhamento, seleção de distribuição dos equipamentos pelos painéis e então o dimensionamento e projeto dos painéis. Ainda estamos trabalhando no software deste projeto, passamos só pela etapa de migração do software e ainda temos pela frente a implementação de muitos pontos novos bem como a execução de muitas tarefas ainda por vir. Neste trabalho, embora não tenha mantido contato direto com o cliente, percebi o quanto a interação com este é um fator muito importante na realização de um projeto, na maioria das vezes impondo alguma limitação. Pude ver algumas decisões incompreensíveis como, por exemplo, ainda não termos recebido (com atraso da ordem de meses) documentos necessários para dar andamento ao projeto e o cliente continua considerando válida a data de início das operações da FPSO, previsto inicialmente para dezembro deste ano, mas que pelo cronograma não começará a produzir antes de fevereiro. 5.1: Atividades futuras Neste projeto a Unicontrol ainda tem como tarefas contratadas a construção dos painéis, montagem, teste interno, teste em fábrica, comissionamento, treinamento, posta em marcha e operação assistida, que são brevemente detalhadas a seguir. Com os desenhos de projeto aprovado pelo cliente damos inicio a atividade de detalhamento da construção dos painéis com respectivos materiais mecânicos e elétricos. Durante a montagem dos painéis será necessário acompanhamento da engenharia, verificando e solucionando eventuais dificuldades. Em paralelo com 31 estas atividades, o programa aplicativo será desenvolvido com a elaboração e inclusão da lógica de controle para os novos pontos de entradas e saídas. A construção dos painéis engloba a montagem dos equipamentos no painel. A construção e montagem dos equipamentos nos painéis serão terceirizadas. Com os painéis montados iniciamos as atividades de testar o hardware ponto a ponto, certificando o seu funcionamento. Na seqüência através de simulação dos pontos de entradas executamos os testes do programa aplicativo ladder. Com a aprovação dos testes pelo cliente, os equipamentos serão embalados e transportados para Vitória/ES e então instalados na P34. A montagem em campo (na P34) é a ligação da fiação desde os instrumentos de campo até os painéis. Os testes dos painéis se iniciam com a verificação da alimentação e aterramento. Estes testes englobam a verificação de cada linha de ladder e de cada sensor e atuador. Este processo é chamado de TAC, Teste de Aceitação de Campo. A posta em marcha, ou Start-up, é a partida da planta, colocando esta em produção. Esta etapa é realizada após o comissionamento. O comissionamento engloba testes de performance de maneira a garantir que os processos foram construídos segundo as especificações da Petrobrás. O treinamento será desenvolvido pela Unicontrol de forma a prover informações necessárias aos operadores do sistema acerca do projeto desenvolvido. Operação assistida é a permanência de um engenheiro embarcado, de forma a prover uma extensão do treinamento, sanar dúvidas e resolver eventuais problemas. Estou alocado para trabalhar na maior parte destas atividades previstas, desta forma tenho a perspectiva de trabalhar na operação assistida, embarcando na P34 em operação. 32 Bibliografia: [ 1 ] PETROBRÁS – Technical Specification nº: I-ET-3010.01-5520-898-EJM-800, ECOS System - Service [ 2 ] PETROBRÁS – Data Sheet nº: I-ET-3010.01-5520-800-EJM-002 – ECOS System – Peripherals. [ 3 ] PETROBRÁS – Technical Specification nº: I-ET-3010.01-1200-800-PPC-001, Instrumentation Additional Technical Requirements. [ 4 ] http://www.unicontrol.ind.br [ 5 ] http://europa.eu.int/scadplus/leg/pt/lvb/l24231.htm [ 6 ] https://www.camara.gov.br/sileg/Prop_Detalhe.asp?id=26679 [ 7 ] http://www.coopetroleo.com.br/pagua03.htm [ 8 ] http://halogenfree.ipc.org 33