Monitoramento e análise de bombas de fraturamento para poços de petróleo com a tecnologia LabVIEW e NI RIO

Robert Stewart, CEO, Lime Instruments, LLC

"Com o LabVIEW, desenvolvemos o software muito mais rapidamente do que antes, quando usávamos a linguagem C. O que a maior parte dos programadores leva dois anos para fazer, pudermos realizar em poucas semanas. Podemos usar essa economia de tempo para chegar ao mercado com maior rapidez e capitalizar em cima do atraso de nossos concorrentes."

- Robert Stewart, CEO, Lime Instruments, LLC

O desafio:

Construir um sistema avançado de monitoramento que consiga continuar em operação mesmo quando montado diretamente na bomba de um poço de petróleo, em um ambiente rústico, executando análises avançadas com base nos dados fornecidos pelos sensores.

A solução:

Usar o hardware NI CompactRIO e NI Single-Board RIO em conjunto com o software NI LabVIEW para projetar um sistema que monitora os parâmetros de operação de uma bomba alternativa usada em aplicações de serviços para poços.

Nós da Supreme Electrical Services Inc. queremos ser o melhor integrador de tecnologia de controles e instrumentação em todas as indústrias nas quais concorremos. Nossa meta é fazer a integração com o melhor hardware comercial disponível, de tal forma que ele suporte os ambientes mais rigorosos normalmente encontrados nos campos de petróleo. Nós percebemos que o hardware da National Instruments e seu software LabVIEW oferecem a melhor solução para a nossa aplicação e os tornamos a espinha dorsal de todo o nosso sistema de controle.

 

 

Outras soluções de hardware que consideramos não conseguiram oferecer as E/Ss e a alta velocidade de análise necessárias para capturar os picos instantâneos de pressão e as indicações de vibração das bombas de fraturamento usadas em serviços para poços de petróleo. O FPGA (field-programmable gate array) e sua capacidade de executar análises de transformada rápida de Fourier (FFT) nos dados tornam o CompactRIONI Single-Board RIO e o LabVIEW uma solução perfeita para essa aplicação.

 

Sistema de monitoramento de poços de petróleo

Nosso sistema de monitoramento de poços de petróleo foi projetado para monitorar o desempenho de componentes vitais da bomba durante a operação. O objetivo básico desse produto é monitorar bombas de fraturamento de alta pressão em aplicações de estimulação de poços. Cada unidade de fraturamento possui um motor diesel de alta potência e a transmissão adequada a uma bomba triplex ou quintuplex. O motor e a transmissão vêm equipados com uma interface eletrônica que monitora funções críticas e oferece informações de diagnóstico enquanto a unidade está em operação. O motor e a transmissão enviam os dados monitorados usando um protocolo de comunicação SAE J1939.


Atualmente, as bombas nessa indústria não contêm mais do que alguns sensores discretos, que monitoram seus parâmetros críticos de operação. Tipicamente são monitorados a pressão de descarga, RPM, pressão do lubrificante e a temperatura do lubrificante. Cada um desses parâmetros é medido por um sensor individual e levado por um cabo de sinal ao console de controle principal.

 

O objetivo de nosso produto é monitorar essas funções, além de várias outras, e transmitir esses dados ao console de controle principal pelo mesmo protocolo de rede CAN (controller area network) SAE J1939. O nosso sistema é responsável por encontrar quaisquer características dos dados que saiam dos limites normais de operação e condições de falha. Com essas informações em tempo real, os operadores podem determinar se eles devem interromper ou continuar a operação, com base em indicações reais de desempenho vindas da bomba. O resultado esperado é que esses sistema reduza o número de falhas e os custos globais de manutenção das bombas.

 

Implementação robusta com o CompactRIO e o LabVIEW

Para o que fazemos, não há pacote de hardware mais capacitado do que o CompactRIO. Nós também gostamos de poder desenvolver software no LabVIEW mais rapidamente que na maior parte dos outros ambientes de programação. Com o LabVIEW, desenvolvemos o software muito mais rapidamente do que antes, quando usávamos a linguagem C. O que a maior parte dos programadores leva dois anos para fazer, pudermos realizar em poucas semanas. Podemos usar essa economia de tempo para chegar ao mercado antes e capitalizar em cima do atraso de nossos concorrentes.

 

Estamos usando a plataforma de software LabVIEW para programar o processador de tempo real, o FPGA e as E/Ss com o sistema CompactRIO e sua interface para controlar e monitorar cada aspecto dos equipamentos de serviços e estimulação de poços comumente observado em nossa indústria. Acreditamos que a E/S modular e o robusto sistema CompactRIO são perfeitos para esse trabalho, porque podem aguentar os choques, vibrações e variações extremas de temperatura encontrados na montagem de um equipamento móvel, que é arrastado para cima e para baixo pelas estradas dos campos petrolíferos de todo o mundo.

 

A flexibilidade do LabVIEW e do hardware da National Instruments facilita a interface deles com uma ampla variedade de sensores, software e protocolos:

  • Sensores – Transdutores de pressão, sensores de captação magnética, encoders digitais, sensores de temperatura, densitômetros nucleares, medidores de fluxo magnético, medidores de vazão Coriólis e outros 
  • Software – Software de simulação da boca do poço e fadiga no flexitubo 
  • Sistemas operacionais – Windows XP embarcado, Windows CE, Linux®
  • Protocolos específicos da indústria – SAE J1939, J1587, J1708; Modbus; Ethernet, 802.11; PROFIBUS

 

Implementação customizada com o NI Single-Board RIO

Pelas pequenas dimensões e baixo custo do NI Single-Board RIO, vemos grande valor no uso desse hardware, que nos permite fornecer uma solução customizada aos nossos clientes. Com o CompactRIO e o NI Single-Board RIO, podemos oferecer a possibilidade de criar sistemas de monitoramento de diferentes capacidades e preços.

 

Felizmente, a transição do CompactRIO ao NI Single-Board RIO é bastante rápida e segura, devido à arquitetura de hardware de E/Ss reconfiguráveis (RIO) padrão da National Instruments e o LabVIEW. O nosso sistema de monitoramento de protótipos foi construído com base no CompactRIO; como o CompactRIO e o NI Single-Board RIO têm a mesma arquitetura de hardware, podemos usar o código de um equipamento em outro facilmente, sem alterações significativas.

 

A vantagem das soluções da National Instruments

Estamos muito satisfeitos com a qualidade dos produtos e o suporte que temos recebido da National Instruments. A National Instruments cuidou de nossos problemas técnicos com urgência e nos acompanhou até o final para nos ajudar a finalizar a nossa aplicação. Todos na National Instruments, dos engenheiros de suporte aos engenheiros de vendas diretas, têm conhecimentos técnicos e mercadológicos profundos de suas linhas de produtos. Realmente foi um prazer trabalhar com um grupo tão prestativo e profissional.

 

Informações sobre o autor:

Robert Stewart, CEO
Lime Instruments, LLC

While our protoype monitoring system is built using CompactRIO, since CompactRIO and NI Single-Board RIO have the same hardware architecture, we can switch easily between the two form factors without any major coding changes.
The goal of our product is to monitor several operating parameters and transmit that data back to the main control console.
Both the engine and the transmission come equipped with an electronic interface that monitors critical functions and provides diagnostic information as the unit is running.