Integração entre CLP e inversores de frequência na Petrobras

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Neste artigo apresentamos um estudo de caso envolvendo a integração do controlador P7C e inversores de frequência utilizados na automação de poços de petróleo terrestres (“onshore”) na Petrobras unidade da Bahia (UOBA), poços estes equipados com o método de elevação artificial do tipo bombeio mecânico (BM) e bombeio por cavidades progressivas (BCP). Considerando uma visão simplificada dos poços de petróleo com bombeio mecânico, estes são equipados com uma célula de carga para permitir identificar a quantidade de fluido que está sendo elevado do reservatório do fundo do poço até a superfície, um sensor hall para identificar o início de cada ciclo de bombeio do cavalo mecânico, e finalmente um inversor de frequência para controlar a velocidade de bombeamento do óleo.

Arquitetura de automação típica de um poço de bombeio mecânico

Para cada ciclo de bombeio ao compormos os sinais de carga x posição é possível obtermos uma carta dinamométrica. O formato desta carta dinamométrica permite ao engenheiro de petróleo extrair um conjunto de informações associadas a operação do poço, tais como existência de gás, vazamento na bomba, e principalmente o nível dinâmico do fluido no fundo do poço.

Exemplos de cartas dinamométricas adquiridas pelo controlador P7C

A medida que incrementamos a velocidade de bombeamento, o sistema pode elevar para a superfície mais óleo que o próprio reservatório consegue prover no fundo do poço, e como consequência o nível dinâmico no fundo do poço também diminui. Neste cenário, apesar do sistema trabalhar com uma velocidade de bombeio mais alta, a produção efetiva de óleo não aumenta, deixando o sistema ineficiente.

Instalação de campo de uma unidade de bombeio mecânico e os armários de comando

Como interfacear com um inversor de frequência

A solução é atuar na velocidade de bombeamento para manter uma relação entre velocidade de bombeamento e nível dinâmicos equilibrados, e para tal faz-se necessário implementar estratégias de controle para a velocidade de bombeamento através da atuação no respectivo inversor de frequência. Nas instalações deste campo de petróleo foram utilizados os modelos CFW09 e CFW11 da WEG, e o controlador P7C da HI Tecnologia para realizar a respectiva aquisição de dados e o controle automático da velocidade do bombeio mecânico.

painéis com inversor de frequência instalados em campo

Painéis com Inversor instalados em campo

Após esta breve apresentação do processo, discutiremos as etapas realizadas para implementar a troca de dados entre o controlador P7C e inversor. Nesta aplicação o controlador P7C necessitava das seguintes informações mínimas do inversor:

  • Obter as seguintes informações do inversor:
    • Modo de operação local ou remoto,
    • Status de motor ligado ou desligado,
    • Status de falha.
  • Enviar as seguintes informações para o inversor:
    • Comando para ligar/desligar motor,
    • Referência de velocidade para a operação de bombeamento.

Em uma primeira etapa esta troca informações com o inversor foi realizada pelo controlador P7C através de sinais de I/Os digitais e analógicos conectados diretamente ao inversor. Neste caso foram necessários três entradas digitais, uma saída digital e uma saída analógica para esta integração via cabos, além dos serviços de escavação para lançar os cabos em campo, e posteriormente realizar a conexão de todos estes sinais de I/O entre o controlador P7C e o respectivo inversor.

Painel de Comando com Controlador P7C

Interface com um inversor de frequência utilizando modbus

Esta troca da dados via sinais de I/O foi realizada com sucesso, porém, além de apresentar custos elevados de instalação, ficava restrito as informações obtidas exclusivamente via os sinais de I/O. Em uma segunda etapa de evolução do sistema, todos os cabos associados aos sinais de I/Os foram substituídos por um único cabo de comunicação serial via rede RS485, conectando o CLP P7C e inversor, permitindo a troca de informações.

Na arquitetura inicial do projeto, apesar do canal COM1 do P7C de possuir interface RS485 nativa, este já estava alocado para conexão com o rádio serial RS232, rádio este utilizado para supervisão remota do poço. Neste cenário foi necessário utilizar a COM2 do P7C para a troca de informações com o inversor e, assim, acrescentarmos um conversor serial RS232/RS485 para integrar o P7C a rede RS485 do inversor, conforme ilustrado na figura abaixo.

Arquitetura de Comunicação entre Controlador P7C e Inversor de Frequência

Arquitetura de Comunicação entre Controlador P7C e Inversor

Utilizando esta rede RS485 todas as informações que eram trocadas via I/O passaram a ser trocadas via comunicação serial, utilizando o protocolo Modbus RTU. Esta alternativa além de facilitar a instalação de campo, pois todos os cabos de I/O foram substituídos por apenas um par de fios da rede RS485, permitiu acesso não somente as informações que inicialmente eram trocadas via I/O, mas disponibilizou acesso a toda a base de parâmetros do inversor, tais como frequência atual, corrente do motor, torque do motor, código de falhas, código de alarmes, etc..

Como esta aplicação possui supervisão remota através de um rádio conectado ao P7C, além deste acesso de leitura aos parâmetros do inversor, é possível realizar a escrita de parâmetros de configuração, tais como: frequência nominal, frequência mínima, frequência máxima, etc., e assim, se necessário, checar e realizar a parametrização remota do respectivo inversor.

Na aplicação ladder do P7C, configura-se apenas o modelo de inversor (CFW09 ou CFW11) e o seu endereço de acesso, sendo implementadas lógicas para realizar a leitura / escrita de parâmetros do inversor de frequência para respectiva supervisão remota via o enlace de rádio.

Para realizar a comunicação com o inversor devemos inicialmente configurar o canal de comunicação serial COM2 do P7C para operação com protocolo Modbus RTU, e as configurações de baud rate, stop bits, paridade equivalente as configuradas no canal serial do inversor. Veja na figura abaixo, uma tela do SPDSW ilustrando a configuração do canal serial COM2 do P7C para operação com protocolo Modbus RTU.

Exemplo de configuração do canal COM2 do P7C para protocolo Modbus RTU

No inversor é necessário configurar o canal serial compatível com a configuração realizada no P7C, tipicamente configurar os parâmetros P308, P309, P311 e P312 dos inversores CFW09 / CFW11, bem como parâmetros específicos da aplicação SoftPlc desenvolvida para esta aplicação de elevação artificial, como por exemplo, o P1019 associado ao tipo de interface via I/O ou via comunicação a ser utilizada entre o controlador P7C e o inversor.

Na aplicação ladder do P7C basta utilizar um bloco SCB com a função de comunicação código 235, para realizar a respectiva comunicação associada a leitura e/ou escrita de parâmetros no inversor.

Exemplo de programa ladder com Bloco SCB para comunicação remota com inversor de frequência

Exemplo de programa ladder com Bloco SCB para comunicação remota com inversor

Por exemplo, suponha que desejamos ler os parâmetros P1, P2, P3 e P4 do inversor e armazenar os valores lidos nas variáveis M1000, M1001, M1002 e M1003 do controlador P7C. Para realizar a leitura destes parâmetros devemos especificar neste bloco SCB os seguintes parâmetros:

  • Canal de comunicação do controlador P7C a ser utilizado para acesso ao inversor. Neste caso estamos utilizando o canal COM2 então devemos especificar o código 1, mas a título de ilustração, podemos especificar o código 0 para utilizarmos o canal COM1 do P7C, e caso seja necessário utilizar um canal Ethernet para acesso via protocolo Modbus TCP bastaria especificar o código -1.
  • Endereço do inversor, por exemplo, endereço 1.
  • Tipo de variável a ser lida no inversor de frequência. Neste caso desejamos ler parâmetros do tipo Pxxxx do CFW09 / CFW11, e estes parâmetros são disponibilizados através de variáveis do tipo "Holding Register". Então devemos especificar o código 2 para a leitura deste tipo de variável. Se necessário a leitura de variáveis do tipo "Coil" devemos especificar código 1.
  • Número inicial do parâmetro do inversor que desejamos acessar, neste caso o primeiro parâmetro corresponde a P1, então devemos especificar o número 1 associado ao parâmetro P1. Se o primeiro parâmetro fosse P200, deveríamos especificar 200, e assim sucessivamente.
  • Quantidade de parâmetros desejamos ler do inversor a partir do parâmetro inicial P1 especificado anteriormente. Se desejarmos ler apenas o parâmetro P1 devemos especificar a quantidade 1, para lermos P1 e P2 devemos especificar a quantidade 2, e neste exemplo, como desejamos ler 4 parâmetros do P1 ao P4 devemos especificar a quantidade 4.
  • Por fim, o número inicial da variável no controlador P7C onde serão armazenados os valores lidos dos parâmetros do inversor. Neste exemplo, desejamos armazenar a partir da memória M1000, então devemos especificar o número 1000. Assim o valor do parâmetro P1 será armazenado em M1000, o parâmetro P2 será armazenado em M1001, o parâmetro P3 será armazenado em M1002 e o parâmetro P4 será armazenado em M1003.

Pronto, está parametrizado o bloco SCB para esta função de leitura dos parâmetros P1 a P4 do CFW09 ou CFW11 e armazenar os valores lidos nas memórias M1000 a M1003 do P7C.

De forma semelhante, utilizamos este mesmo bloco SCB para escrever na palavra de comando para ligar (“run”) ou desligar (“ready”) o inversor de frequência, bem como enviar a referência de velocidade para aumentar ou diminuir a velocidade de bombeamento. Através deste bloco SCB é possível ter acesso de leitura e escrita aos parâmetros disponibilizados pelo inversor de frequência.

Esperamos que tenham gostado deste artigo contemplando a integração do controlador P7C com inversores de frequência, sendo este um estudo de caso real com implantação nos campos de petróleo da Petrobras UOBA. Por fim gostaríamos de agradecer a colaboração para este artigo do Sr. Emerson Nascimento de Jesus, Supervisor de Petrobras UO-BA/PRDC/CM-S, da área de Projetos, Construção e Montagem.

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