Aplicação de Ondógrafo e Monitoramento de Navios Utilizando Medidor de Nível Tipo Radar

Bom dia,

Essa semana gostaria de publicar um artigo técnico que apresentei na ISA Show - ES - 2014, referente a um trabalho desenvolvido na empresa. Espero que gostem da leitura.

Aplicação de ondógrafo e monitoramento de navios utilizando medidor de nível tipo radar

Márcio. F Santos

Coordenação de Automação, Suporte Técnico Sudeste 2, Petrobras Transportes - TRANSPETRO
Av. Dante Michelini, 5500 – Ponta de Tubarão – Vitória – ES – Cep: 29090-900

Abstract - The monitoring of sea conditions for docking and undocking of ships has been increasingly necessary to ensure the safety of operations at Liquid Bulk Terminal (LBT), operated by Transpetro pier in the Vale’s area. This work presents the adopted solution to monitor waves (swell) and horizontal movements of the ship docked, and the results obtained.

Keywords - ondógrafo, ship, pier, level transmitter, significant wave height, swell, monitoring.

Resumo - O monitoramento das condições de mar para atracação e desatracação de navios vem sendo cada vez mais necessária para garantir a segurança das operações no Terminal de Granéis Líquidos (TGL), píer operado pela Transpetro na área da Vale. Esse trabalho apresenta a solução adotada para monitoramento de ondas (swell) e movimentação horizontal do navio atracado, bem como os resultados obtidos.

Palavras-chave - ondógrafo, navio, píer, transmissor de nível, altura significativa de ondas, swell, monitoramento.

1    Introdução

O Píer de Terminal de Granéis Líquidos (TGL) localizado no terminal de Vitória nos intramuros da Vale possui seu posicionamento diferenciado em relação à maioria dos portos intra e extramuros da companhia. Enquanto a maioria é posicionada a 90° em relação à margem de terra, o TGL é posicionado paralelo à margem conforme pode ser observado na figura 1.

Figura 1. Vista aérea do TGL

Tal disposição requer um maior cuidado nas operações devido à sensibilidade do navio atracado quanto à ocorrência de swell (ondas), tendo em vista que sua superfície de contato com o swell é muito grande e tende a deslocá-lo com maior força contra as defensas.

Outro problema ocorre durante a operação de navio. Um mangote flexível é conectado do píer ao navio para viabilizar a transferência de produto para Terminal de Vitória. O mangote é a parte mais sensível do processo, sujeito a todo movimento causado pelo swell e motivo de preocupação, pois caso ocorra um rompimento do mesmo, o produto a ser transferido pode ser derramado no mar causando um acidente ambiental. A Figura 2 mostra o navio atracado no TGL com o mangote conectado.
 

Figura 2. Navio atracado com mangote conectado

2   Solução

Com base na descrição do problema apresentado no item anterior iniciou-se um estudo para realizar medições de ondas (swell) com menor incerteza possível, baixo custo e ainda medir a aproximação do casco do navio em relação ao píer.

2.1 Ondógrafo

2.1.1 Conhecendo o Ondógrafo

O método mais utilizado hoje para medição de swell é a Boia Ondógrafo. Tal equipamento é dotado de GPS, tecnologia de transmissão de dados via rádio, alimentação via luz solar, materiais resistentes a maresia e custa em média $90.000,00 (noventa mil dólares). A figura 3 ilustra uma dessas boias.

Figura 3. Bóia Ondógrafo

A boia ondógrafo nos fornece as seguintes informações:

·         Altura Significativa de Ondas (Hs);

·         Direção de Origem Dominante;

·         Período Médio de Pico (Tmp);

·         Altura Máxima (Hmáx);

·         Temperatura da Superfície do Mar (TSM).

A medição do swell era realizada através de um bastão composto de seis cores, onde cada cor tem 200mm, no qual estimava-se a mínima e a máxima variação do movimento do mar para realizar o cálculo da amplitude. O período, ou seja, o tempo decorrido entre um ciclo completo pico a pico era medido através de um cronômetro. Se a média dessas amplitudes for superior a 500mm o navio deve desatracar (caso já esteja atracado) ou não é atracado (caso ainda não esteja). A figura 4 mostra o bastão utilizado para realizar a medição de swell.

Figura 4 – Bastão para medição de swell

Observa-se que tal medição apresenta uma enorme incerteza, pois depende da observação do operador em um ângulo que contribui principalmente para erros de paralaxe.

Para atender as necessidades de controle e segurança dos navios no TGL é importante monitorar:

·         Altura Significativa de Ondas (Hs);

·         Altura Máxima (Hmáx);

·         Período Médio de Pico (Tmp);

·         Período Máximo (Tmáx).

Com base nessas informações consideradas importantes de serem monitoradas, optou-se por utilizar um transmissor de nível tipo radar para medir a variação de altura do nível do mar associado ao algoritmo implementado no CLP (Controlador Lógico Programável) do Terminal, Rockwell SCL 500 e no sistema supervisório, GE Fanuc - IFIX. A tecnologia de radar foi escolhida por ser capaz de realizar medições em superfícies de líquidos com espuma, algo que não seria possível com ultrassom por exemplo, além de não ter contato com a água do mar, evitando corrosão de partes do sistema. Para essa solução foi utilizado um transmissor da Emerson modelo 5402AH1E12SPVNAQ4 que custou R$5.900,00. A Figura 5 mostra o transmissor de nível instalado no píer desempenhando a função de ondógrafo.

Figura 5. Transmissor de nível desempenhando a função de ondógrafo.

2.1.2 Método de Cálculo de Altura Significativa de Ondas (Hs)

A figura 6 apresenta o registro do movimento da superfície do mar lido pelo transmissor de nível e historiado pelo sistema supervisório do terminal. 

Figura 6. Registro do movimento da superfície do mar

A figura acima fornece informações importantes a respeito das ondas do mar. Observa-se que as subidas e descidas do mar ocorrem de forma irregular, tanto para cima quanto para baixo. Os pontos mais altos atingidos pelas ondas são chamados de cristas, enquanto os pontos mais baixos são chamados de cavados. O nome dado ao intervalo de tempo entre a passagem de duas cristas é denominado período. O período também é um dado importante para tomada de decisão quanto à permanência ou não de um navio atracado no píer.

Em um primeiro instante, tendemos a associar a altura de uma determinada onda à altura de sua crista, porém a altura correta da onda é a diferença entre a crista e o cavado. Em um mar um pouco mais agitado é provável que sejam identificadas sub-ondas dentro das ondas, caracterizando ruídos na medição. Essas sub-ondas devem ser desconsideradas e o algoritmo implementado neste trabalho é capaz de filtrar esse tipo de ruído.

O cálculo de Altura Significativa de Ondas é definido pela média das quadro maiores de uma amostragem de doze ondas, sendo que cada onda é definida pela diferença entre a crista e o cavado, desconsiderando as sub ondas (ruídos) mencionados anteriormente.

A figura 7 ilustra parte do ladder implementado no CLP utilizando o software RSLogix 500.

Figura 7. Programa do CLP

A figura 8 apresenta o fluxograma do algoritmo implementado no CLP para tratamento dos ruídos e definição das doze amplitudes para enviar para o sistema supervisório.

 Figura 8. Fluxograma de lógica do CLP

2.1.2 Validação dos Resultados

Para validação dos resultados obtidos confrontou-se as leituras do equipamento da Transpetro com o da Vale. O equipamento da Vale possui outro princípio de medição, baseado em diferencial de pressão possuindo contato direto com a água do mar.

A Tabela 1 apresenta a comparação entre as medições obtidas através do ondógrafo da Vale e do equipamento desenvolvido pela Transpetro para medir o swell.

Tabela 1. Comparação de leituras do ondógrafo da Vale com o da Transpetro

A figura 9 apresenta o cruzamento dos valores obtidos pelos dois equipamentos.

Figura 9. Cruzamento de leituras dos equipamentos

Os desvios encontrados são considerados toleráveis, tendo em vista que o tempo de amostragem, tempo de cálculo e princípio de medição são diferentes entre os equipamentos. Por exemplo, enquanto o sistema da Transpetro está coletando informações para definir a primeira amplitude, o sistema da Vale já pode estar coletando informações para definição de sua oitava amplitude, que por consequência terão médias diferentes.

2.2 Deslocador – Monitor de Navios

Devido à disposição do TGL como já mencionado, o navio atracado sofre grande interferência do swell, fazendo com que os mesmos sejam movimentados contra as defensas com maior força e frequência. Tal esforço também é transferido para o mangote conectado, parte mais sensível da operação.

Com base nessa situação partiu-se para a solução de monitorar o deslocamento horizontal do navio em relação ao píer, ou seja, medir o quanto o navio “ataca” as defensas. Baseado nessas informações somadas com as informações do ondógrafo tomar a decisão de manter ou não o navio atracado no TGL. 

Até a implantação desse projeto, não havia nenhum monitoramento dessa variável pelos operadores, a não ser pelo “sentimento” do comandante do navio e o capitão de manobras da Transpetro.

Como esse movimento horizontal do navio é proveniente da movimentação vertical do mar (swell) ele apresenta as mesmas características apresentadas na figura 6, ou seja, forma picos e vales e também apresenta ruídos (sub-ondas). Para realizar as medições utilizou-se a mesma filosofia que foi adotada no ondógrafo, porém neste caso apontamos a antena de outro medidor de nível tipo radar para o casco do navio. O modelo de transmissor é o mesmo adotado para o ondógrafo (5402AH1E12SPVNAQ4) e utilizou-se o mesmo algoritmo para os cálculos de amplitude média, amplitude máxima, período médio e período máximo. Fazendo uma analogia com o ondógrafo a amplitude seria como a diferença entre a crista e o cavado, onde a crista seria o ponto mais próximo de medição entre o radar e o casco e o cavado seria o ponto mais afastado de medição entre o radar e o casco do navio. A Figura 10 mostra o transmissor de nível instalado no campo desempenhando a função de deslocador, apontado para o casco do navio.

Figura 10. Transmissor de nível desempenhando a função de deslocador

2.3 Sistema Supervisório

Todas as informações para tomada de decisão são disponibilizadas no sistema supervisório da Sala de Controle do Terminal de Vitória, podendo ser configurados alarmes, monitoramento instantâneo das variáveis e consulta a dados históricos. A Figura 10 apresenta medições disponíveis para o operador no sistema supervisório.

Figura 11. Medições disponíveis no sistema supervisório

As figuras 12 e 13 apresentam as telas de configuração de alarmes do Ondógrafo e do Deslocador respectivamente.

Figura 12. Tela de configuração de alarmes do Ondógrafo

Figura 13. Tela de configuração de alarmes do Deslocador

As figuras 14 e 15 apresentam as telas de gráfico histórico do Ondógrafo e do Deslocador respectivamente.

Figura 14. Tela de gráfico histórico do ondógrafo

Figura 15. Tela de gráfico histórico do deslocador

4   Conclusão

Conclui-se que a solução adotada apresentou-se eficiente, pois contribui para a segurança pessoal, retirando o operador da área em uma condição de risco, e ambiental, controlando os movimentos sofridos pelo mangote, além de poupar recursos financeiros evitando desatracação equivocada de navios e suas eventuais sobre estadia.

Agradecimentos

Agradeço a gerência e a coordenação do STSE2 pela confiança na condução desse trabalho e ao nosso cliente DTO/TA/OPVIT que com toda paciência nos apoiou e aguardou a solução definitiva.

Referências Bibliográficas

MELO, Heloi. Medindo Ondas. www.popa.com.br

SUTIL G., Gilson. Sistema de Medição de Ondas Marinhas Ondilógrafo. Departamento de Engenharia Elétrica, Vitória, ES, UFES, Janeiro/2005, dissertação de graduação.

PICININI C., Flávio. A onda de projeto por meio da análise estatística de extremos a partir de dados medidos por satélite. Macaé, RJ, Artigo.

EMERSON, Reference Manual, Rosemount 5400 Series, Junho/2012


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