Edição 273 - JUNHO/2005 - Revista Petro & Química

Quais são as tecnologias que irão garantir a maximização da capacidade produtiva da indústria petroquímica?

Maior confiabilidade de produção, melhores rendimentos, redução de produtos off grade, economia de energia... quais são os atuais desafios da indústria do petróleo? E de que forma a instrumentação, o controle e a otimização de processos podem dar suporte a essa demanda?

Preocupada em estar à frente nas questões de segurança, meio ambiente, qualidade de produtos, além de garantir o máximo da capacidade produtiva, a indústria disponibiliza muitos recursos – financeiros e humanos – na busca por novas idéias e na implantação de sistemas computacionais de maior complexidade.

Os desafios vão desde encontrar os medidores de vazão mais adequados ao petróleo pesado até o desenvolvimento de metodologias para o gerenciamento de alarmes. Para vencê-los, muita pesquisa e desenvolvimento.

Na produção de petróleo, a arquitetura de controle e segurança baseada na conjunção de supervisório e CLP – onde é utilizada a redundância de CPU, cartões de comunicação e banco de dados – começa a dar lugar a estruturas mais modernas de segurança.

Projetos baseados em rede Fieldbus ainda são considerados fronteira tecnológica em downstream, apesar das vantagens apresentadas na inteligência e integração a partir do campo. Projetos isolados já figuram em algumas refinarias, mas a tecnologia 4~20mA ainda é predominante.

Nas últimas duas décadas, os Controladores Preditivos Multivariáveis tornaram-se ferramentas de controle e otimização de processos de extrema importância, especialmente devido à grande flexibilidade que apresentam. A grande contribuição de um controlador, independente do tipo, é a redução da variabilidade do processo, permitindo que se opere mais próximo ao limite.

Ainda considerada como tecnologia de fronteira, o desenvolvimento de Controladores Multivariáveis Não-lineares e Controladores Fuzzy estão na lista dos projetos estudados pela Gerência de Automação e Otimização de Processos (AOT) da Engenharia Básica do Centro de Pesquisas da Petrobras – Cenpes.

Algo que preocupa a indústria química é compatibilizar o avanço tecnológico com a vida útil da planta. Num ambiente em que a comunicação digital vem se consolidando, a busca é por soluções que não tenham que ser trocadas a cada três anos. E que sustentem a competitividade por algum tempo. Enquanto uma planta é projetada para trabalhar 20 anos ou mais, os sistemas operacionais aparecem com upgrades e novas funcionalidades a cada ano – há casos em que esses sistemas ficam obsoletos em um período de cinco anos, levando a sua descontinuação. Claro que os instrumentistas preferem trabalhar com sistemas up-to-date – cada vez mais íntegros e com mais recursos. Em alguns lugares um pequeno upgrade pode dar uma vantagem significativa; já em outros, não traz impacto algum. Isso sem contar que a troca de um software ou de um equipamento pode significar uma dor de cabeça: uma parada no processo, mais um tempo extra para resolver todas as surpresas desagradáveis, eliminar eventuais bugs e retomar a produção total.

Então, a questão é encontrar uma tecnologia que aproveite algo do que já foi feito – algo semelhante ao conceito de softwares modulares, nos quais apenas uma camada é modificada sem interferir no conjunto. E cabe ao fornecedor trabalhar sempre com novidades que aproveitem a tecnologia já instalada – para causar o menor distúrbio possível na produção do usuário. Vai dar mais trabalho desenvolver o produto com o conceito de encapsulamento, mas viabilizaria a troca de um módulo sem interferir na planta inteira, nem ter que refazer todo aquele trabalho inicial.

E o que falar então de plataformas abertas? Isso tem sido exigido por todos os usuários – que querem sair de soluções proprietárias. É claro que o fabricante nem sempre estará disposto a abrir sua arquitetura – como uma forma de assegurar sua presença em futuros investimentos. Mas a questão não é só essa: imagine quando a empresa precisar trocar um circuito integrado que não está mais sendo fabricado.

O segredo para o sucesso de uma arquitetura aberta está na palavra interoperabilidade: os vários instrumentos e sistemas precisam “conversar” entre si, garantindo a integridade das informações.

A integração entre o chão-de-fábrica e o corporativo dará o tom das tendências em automação no setor químico e petroquímico. Para atender a esse desafio, entram em ação os sistemas PIMS, LIMS, MES, APS – que fornecem informações e suporte, análise de instrumentos e processos. A tendência é transformar os relatórios em papel em informações eletrônicas, seja via OPC ou via Ethernet. O Manufactoring Execution System – MES tem viabilizado a manipulação de quantidades muito maiores de informações – é ele quem traduz as informações do nível corporativo em ordem de produção – ou dados do processo em informação gerencial.

Estes sistemas eram geralmente desenvolvidos sob medida para cada cliente, pois precisavam incorporar as especificidades de cada processo no sentido de minimizar alterações – sempre caras e difíceis – nos sistemas de controle e corporativo da empresa.

Recentemente têm sido lançadas diversas soluções prontas, desenvolvidas geralmente por fabricantes de sistemas de controle (chão-de-fábrica). “Estas soluções possuem a vantagem de serem padronizadas e possuírem um baixo custo inicial, porém, necessitam de muita customização para serem adaptadas às necessidades específicas de cada cliente, levando o custo final aos mesmos patamares que os sistemas desenvolvidos sob encomenda”, ressalta o engenheiro Marco Túlio, da Siemens / Chemtech.

Dentro do Planejamento e Programação da Produção, podemos relembrar do schedulling: a especificação do que cada estágio da produção irá fazer sobre algum período. O horizonte programado depende da disponibilidade e da incerteza da informação.

Embora existam algumas variáveis de otimização no nível schedulling, neste tipo de aplicação o foco é a praticabilidade, onde a economia é geralmente negligenciada. O objetivo do schedulling é a implementação do planejamento, sujeito à variabilidade – de matérias-primas (em fornecimento ou em qualidade), do processo de produção, das demandas dos clientes ou da disponibilidade dos recursos e do transporte.

Investimentos em automação e upgrades
em pauta

As indústrias do setor petroquímico devem investir algo entre US$ 420 milhões e US$ 630 milhões em instrumentação até 2008. O levantamento foi feito pela Comissão de Automação da Associação Brasileira da Indústria Química, e leva em consideração o percentual gasto com automação (entre 10% e 15%) sobre o montante total que será investido pelas empresas do setor (US$ 4,2 bilhões entre 2004 e 2008).

Segundo o levantamento da situação da automação na indústria química, cerca de 55% das empresas químicas têm sua instrumentação baseada em sistemas microprocessados, e 16% possuem redes de comunicação.

Algumas instalações utilizam sistemas convencionais devido à vida útil das unidades – 26% utilizam instrumentação analógica e 3% ainda estão na era dos pneumáticos. Mas, existe uma migração para a nova tecnologia, que é gradual e depende muito do custo e das oportunidades.

Há dez anos, 74% das empresas utilizavam instrumentação analógica, 18% tinham instrumentação pneumática e 8% já estavam na instrumentação digital.

Somente a Petrobras deverá investir algo em torno de US$ 48 milhões em instrumentação e controle nos próximos anos. Apesar da diferença entre o investimento global da Petrobras comparado com o valor investido pelo setor petroquímico, o número é bem mais expressivo devido à base usada: enquanto a Petrobras considera apenas os gastos com instrumentação, as demais indústrias somam a esse valor todos os gastos também na fase de projeto.

Os projetos

Levantamento realizado pela Revista Petro & Química aponta os principais projetos – que vêm sendo realizados ou planejados – pelas empresas dos setores de petróleo, gás e petroquímica.

A Copesul – central de matérias-primas do Pólo Petroquímico de Triunfo / RS – vem desenvolvendo uma série de projetos, que incluem desde a atualização dos SDCDs das plantas industriais até a consolidação do “Planning&Scheduling”.

A PQU – central de matérias-primas do Pólo Petroquímico do ABC / SP – está implantando Fieldbus em toda a área de utilidades – que deve estar operacional em 2006. Está previsto também um novo projeto para modernização de controle da planta de Olefinas, com início de detalhamento para 2006 e conclusão para 2008 – no qual deverão ser investidos US$ 5 milhões.

Já a Petroquímica Triunfo – produtora de polietilenos instalada em Triunfo – começa a realizar um upgrade em seu SDCD. Implantado há oito anos, o sistema vai dar lugar a uma versão mais atualizada. No projeto serão investidos R$ 750 mil.

A Polibrasil está finalizando um estudo para atualização do sistema de controle digital na unidade de Duque de Caxias/RJ. E a Basf planeja modernização em seus sistemas na fábrica de Guaratinguetá / SP – com um investimento superior a R$ 11 milhões, que somam-se a outros R$ 1 milhão já investidos este ano.

Quando a tecnologia se desenvolve em casa

Um canteiro de novas tecnologias, onde uma equipe de técnicos se dedica a pesquisar e desenvolver novas idéias e consolidar novas tecnologias na área de controle e automação. Assim é a Gerência de Automação e Otimização de Processos, instalada no Centro de Pesquisas da Petrobras.

São 23 especialistas – quase metade deles com título de doutorado ou mestrado – ligados à Gerência, atuando nas áreas de instrumentação, modelagem, simulação, controle, automação de processos e equipamentos, inteligência artificial e otimização de processos. O propósito é estar à frente nas questões de segurança, meio ambiente, qualidade de produtos e, claro, garantir o máximo de sua capacidade produtiva com rentabilidade.

Entre as principais atividades desse grupo estão a elaboração de projetos de engenharia básica de plantas de processamento de petróleo e derivados, a realização de suporte técnico às demandas das várias unidades da companhia – que inclui a produção de petróleo e gás, o refino e o transporte – a realização de projetos de desenvolvimento – aplicando-os de forma sistemática nas plantas industriais. “Nossas principais atividades são os projetos de engenharia básica, mas também realizamos suporte técnico para todo o Sistema Petrobras, e desenvolvemos projetos a médio prazo, como o desenvolvimento de novas tecnologias”, comenta o engenheiro Mario Massa de Campos, um dos PhD’s ligados à Gerência.

Na Petrobras, a automação e a otimização de processos possuem uma diversidade de enfoques, com problemas e aplicações de complexidades distintas.

E as equipes de Engenharia Básica do seu Centro de Pesquisas – entre as quais está incluída a Gerência de Automação e Otimização de Processos – trabalham para viabilizar e estreitar esta relação, multidisciplinar, desempenhando uma função importante, que é estabelecer novos conceitos e consolidar novas tecnologias, trabalhando em sintonia com as áreas de negócio da companhia. Diversidade esta que contribui para tornar esta área multidisciplinar, envolvendo engenheiros de diversas formações, como elétricos, eletrônicos, mecânicos e químicos.

O engenheiro Reynaldo Pinto Júnior, que gerencia o grupo de Automação e Otimização de Processos do Cenpes, explica que um bom conhecimento das plantas de produção ou processamento facilita o desenvolvimento e a aplicação de sistemas computacionais de maior complexidade – como controladores avançados multivariáveis, algoritmos de diagnóstico de sistemas e equipamentos, e otimizadores em tempo real. “Por outro lado, conhecer as limitações de medição, prever estratégias de implementação robusta, conceber especificações com melhor capacidade de diagnóstico e manutenção, criar projetos de implantação com a menor complexidade possível, e facilitar a integração entre os diversos níveis da camada de automação, são aspectos importantes para viabilizar a implantação de qualquer solução avançada de automação. A capacidade de ter esta visão integrada é o sucesso deste grupo”.

Na fase de Projeto Básico – quando uma unidade operacional está sendo definida através de um conjunto de documentos técnicos produzidos por especialistas ligados a várias gerências da Engenharia Básica – o papel da gerência de Automação e Otimização de Processos inclui a seleção e dimensionamento de sistemas de instrumentação, a elaboração das estratégias de controle e automação de processo (visando melhorar a qualidade operacional das plantas), a elaboração do projeto conceitual dos sistemas de intertravamento (com o objetivo de adequar a planta aos requisitos de segurança), a concepção de automação de equipamentos, os requisitos de engenharia para implantação de sistemas de instrumentação e automação (envolvendo arquiteturas de redes de campo, analisadores de processo e sistemas digitais de supervisão e controle) e a elaboração do projeto conceitual dos sistemas de controle avançado e otimização em tempo real.

Entre os exemplos de projetos recentes de grande porte com efetiva participação do grupo, o engenheiro Mario Massa destaca a Unidade de Coqueamento Retardado da Refinaria Henrique Lage, em São José dos Campos / SP, e a Unidade de Processamento de Gás Natural de Cacimbas / ES. “Outras participações em projetos de grande porte consistem na ampliação de Unidades de Destilação e de FCC em diversas refinarias do país”.

O grupo também participa como parte da equipe que acompanha a elaboração de projetos de engenharia básica, quando contratados no exterior, de modo a adequá-los às características dos projetos realizados pelo Cenpes – facilitando a incorporação do feedback das equipes de operação e manutenção ao projeto em execução, garantindo assim, o padrão Petrobras. Este é o caso dos projetos de unidades para hidrotratamento de gasolina que a companhia está contratando junto a Axens e irá implantar até 2009 em oito refinarias.
Como resultado dos projetos de Engenharia Básica, o corpo técnico da Gerência de Automação e Otimização de Processos realiza o suporte durante o comissionamento e partida das plantas e contribui na definição de padrões de projeto a serem adotados em toda a companhia.

O know-how da equipe também é explorado durante serviços de suporte técnico solicitados para diagnosticar e resolver problemas em plantas existentes. “A visão de projeto é importante para avaliar a causa de um problema, até porque estamos acostumados a raciocinar de forma metódica através de procedimentos e práticas não necessariamente cobertas por normas. É claro que isto se soma à experiência das equipes de engenharia, manutenção e operação das plantas industriais”, explica o engenheiro de Equipamentos, Marcelo Lopes de Lima.

Nesta fase, os principais serviços demandados ao grupo incluem a sintonia de controladores regulatórios do tipo PID, participação em grupos de padronização de automação de equipamentos e subsistemas de uma planta, investigação de problemas operacionais em plantas e equipamentos existentes em conjunto com especialistas de outras áreas, treinamento junto às Unidades de Negócio da companhia (sobre as características das plantas projetadas pela Engenharia Básica e em fase preliminar de operação), e até mesmo o treinamento para novos técnicos da companhia na Universidade Petrobras.

Inovação

Com elevado percentual de mestres e doutores – compondo 45% de seu quadro de especialistas – a gerência de Automação e Otimização de Processos possui a característica de desenvolver novas soluções e aplicá-las nas instalações de qualquer unidade da Petrobras.

Neste campo, os programas de fomento ao desenvolvimento tecnológico geridos pelo Cenpes – como o Programa Tecnológico de Otimização e Confiabilidade (Prorec), o Programa Tecnológico de Dutos (Produt) e o Programa Tecnológico de Gás e Energia (Progas) – têm coordenado ações juntamente com o grupo no desenvolvimento de soluções inovadoras.

Um bom índice para medir essa inovação está no desenvolvimento e aplicação de soluções consideradas como fronteira tecnológica no setor de petróleo – exemplos que incluem a investigação de desempenho de medidores industriais para serviços críticos, a determinação do índice de desempenho e sintonia automática de controladores PID, a implantação de controle avançado baseado em controladores preditivos multivariáveis, o desenvolvimento de controladores multivariáveis não lineares e controladores fuzzy, sistemas inteligentes para apoio à partida, diagnóstico operacional e automação de procedimentos, modelos matemáticos de sistemas de processo em tempo real para diagnóstico de equipamentos e sistema, sistemas de gestão do conhecimento, técnicas para otimização de processos em tempo real, otimizadores em tempo real baseados em técnicas de inteligência artificial, e integração dos simuladores de processo.

Trata-se de um verdadeiro viveiro de novas tecnologias. Para se ter uma idéia, atualmente diversos projetos de P&D específicos estão em andamento – entre os quais Metodologias para Gerenciamento de Alarmes em Refinarias, Diagnóstico de Plantas de Processo em Tempo Real, e a Otimização em Tempo Real de Unidade de Destilação Atmosférica e a Vácuo. “O desafio deste grupo é pensar estrategicamente em como será o cenário da indústria ao longo das próximas décadas e introduzir novas idéias e conceitos na área de automação e otimização de processos”, conta o engenheiro de processamento, Fábio Liporace.

Como resultados mais visíveis de todo este investimento, são gerados e disponibilizados produtos para todo o Sistema Petrobras – desde controle de processo até otimização. É o caso, por exemplo, do Consultor – um sistema Web na Intranet da companhia, que reúne a experiência da comunidade técnica na solução de problemas práticos de engenharia.

“Todo o know how da companhia, na área de Instrumentação, Automação e Controle, está reunido aqui. Caso um técnico tenha um problema com um medidor em uma unidade, por exemplo, pode consultar o conhecimento acumulado pelos técnicos da companhia envolvidos com a operação e com a engenharia”, conta Reynaldo.

Outro aplicativo interessante é o SSP Laplace – o Sistema Supervisório Petrobras, uma plataforma para a execução de aplicações avançadas, como os controladores avançados da Petrobras e os analisadores virtuais. A previsão é que esse sistema seja instalado em todas as refinarias da Petrobras.

Irradiando conhecimento

A partir de linhas de desenvolvimento e aplicações, a Gerência de Automação e Otimização de Processos do Cenpes tem se aproximado da comunidade acadêmica, através de projetos de desenvolvimento conjunto com universidades de diversas regiões do país – entre elas a UFRJ, UFRGS, UFMG, UFCG, PUC-RJ, USP e o IME. “Fomentar o desenvolvimento com universidades é também incentivar a formação de núcleos de técnicos altamente qualificados para exercer atividades de engenharia de aplicação caso estes resolvam seguir por uma linha menos acadêmica após passarem pelos seus cursos de formação”, avalia o Engenheiro de Equipamentos e Consultor Técnico Herbert Campos, coordenador de diversos projetos em desenvolvimento com Universidades e com grande experiência em aplicação dos resultados destes desenvolvimentos.

Como resultado deste relacionamento, a Petrobras participa, até mesmo como patrocinadora, em diversos eventos setoriais – como o Congresso Brasileiro de Automática e o Congresso Nacional de Automação Industrial.

Seus técnicos são chamados também a participar como instrutores de cursos de formação de pessoal do Programa de Mobilização para Capacitação da Indústria Nacional – Prominp e em instituições de destaque na área de petróleo, como o Instituto Brasileiro do Petróleo e Gás. “Somos favoráveis a fornecer apoio à capacitação de técnicos em nossa área, fora da companhia, uma vez que o mercado brasileiro é carente de especialistas em automação, e um projeto que é elaborado pelo Cenpes passa por empresas que irão detalhá-los e implantá-los de fato”, comenta o Engenheiro de Equipamentos José Manuel Perez, técnico com mais de 18 anos na companhia, com diversas experiências também fora da área de projeto e com um grande entusiasmo em compartilhá-las.

A divulgação dos resultados de seus projetos de P&D se estende a congressos nacionais e internacionais. Nos últimos anos, a gerência contabiliza a publicação de cerca de 30 trabalhos em eventos como o World Petroleum Congress, a Rio Oil & Gas e a ISA Conference (voltado para a comunidade de técnicos em automação), recebendo também prêmios de destaque pelo reconhecimento da qualidade dos trabalhos. “A divulgação de resultados na comunidade técnico-científica consolida a credibilidade da companhia como empresa que investe na capacitação do seu pessoal”, comenta o engenheiro PhD em Automação Industrial, Mário Massa de Campos, que recentemente publicou, juntamente com o engenheiro Kaku Saito, um livro sobre sistemas de inteligência artificial, com distribuição para toda a comunidade técnica de automação e otimização da Petrobras.

Na linha de cooperação com universidades, a gerência de automação e otimização de processos participa ativamente da Rede Norte-Nordeste de Instrumentação e Controle – Redic, criada a partir dos recursos do fundo CTPetro. Dias atrás a gerência organizou o II Workshop Redic, para discutir os potenciais trabalhos em conjunto entre Petrobras e Universidades do Norte e Nordeste, com repercussão positiva tanto no meio acadêmico quanto na companhia.
Convênios e programas de capacitação têm sido estimulados também com universidades no exterior, como é o caso da Universidade de Lehigh, na Pennsylvania / EUA (uma instituição com professores de destaque na área de controle de processos) e o Imperial College, em Londres (outra instituição de referência na área de técnicas de otimização em tempo real). É no Imperial College que um dos técnicos ligados ao Cenpes está complementando o seu programa de doutorado.

Para estreitar ainda mais a relação com as universidades, está sendo criado o Laboratório de Engenharia de Aplicação e Desenvolvimento em Automação, Controle, Otimização de Processos e Logística – Lead junto ao programa de Engenharia Elétrica da Coppe/UFRJ. “Este centro irá realizar, dentre várias atividades, estudos e análises voltadas para confiabilidade e integração de sistemas de automação, e facilitar o desenvolvimento e teste de aplicações piloto, contribuindo para agilizar a implementação de novas tecnologias”, comenta o Engenheiro de Equipamentos Miguel Borges, coordenador da implantação do Lead.

O Lead está sendo equipado de forma a reproduzir as salas de controle existentes nas unidades operacionais – além de PLCs, instrumentos de campo e redes industriais, estão sendo adquiridos três SDCDs dos fabricantes que possuem a maior base instalada no parque de refino. Estão sendo investidos R$ 500 mil na melhoria da infra-estrutura de um prédio já existente na UFRJ. O Laboratório deverá entrar em operação em outubro deste ano.