sistema de adquisición de datos, monitoreo y control en tiempo real de parámetros termodinámicos
- Desarrollo
- Estructura
General - Clasificación de las
variables - Indicadores
- Flujo de información
en el sistema
- Estructura del
sistema - Subsistema de
observación - Subsistema de
optimización - Subsistema
auxiliar - Hardware
necesario - Propuesta de
configuración - Tareas por
niveles
Los sistemas de
adquisición de datos, monitoreo y control del comportamiento
de los ciclos termodinámicos son ampliamente utilizados en
el mundo como solución al logro de una mayor eficiencia en la
producción, distribución y uso de la energía,
con el menor impacto ambiental
posible. En Cuba, las
plantas
más modernas no cuentan con sistemas que, equipados con
los más modernos recursos
computacionales, puedan dar respuesta a esta problemática,
en tiempo real de operación.
En el presente trabajo se
expone una estrategia de
bajo costo a seguir
para la implantación de un sistema de adquisición,
monitoreo y control de parámetros termodinámicos en
una Central Termoeléctrica. En esta estrategia se resaltan
aspectos fundamentales, como son: objetivos de
su aplicación, hardware necesario, forma de
adquisición de los datos y de monitoreo y control,
modelo
matemático de cálculo a
usar, interacción con el usuario, posibles
resultados y beneficios del sistema, etc. Se describe el modelo
matemático, el cual usa los más modernos métodos de
análisis exergoeconómico de
análisis, y se justifica la razón de su uso. Se
definen las variables de
entrada y salida del sistema y los indicadores a
chequear por el operador, así como las diversas formas de
salida de estos. Por último se emiten consideraciones
sobre su posible implementación en la Central
Termoeléctrica "Carlos M. de Céspedes" de
Cienfuegos.
En la actualidad, ante las condiciones de bloqueo y
período especial imperantes, en nuestro país se han
trazado planes con vistas a la recuperación
económica. En esta recuperación, el desarrollo
industrial es un eslabón muy importante que se asegura
fundamentalmente mediante la producción ininterrumpida de
energía
eléctrica y la modernización y
explotación más adecuada de las centrales
termoeléctricas existentes.
Como es sabido, el país continúa adelante
con numerosas dificultades de tipo económicas originadas
principalmente por la desaparición del campo socialista,
por lo cual se ha hecho necesario reorientarse hacia una política de
desarrollo integral en todas las ramas de la Economía que
posibiliten el uso más racional y eficiente de los
recursos materiales
disponibles, lo cual se logra con una mayor planificación y control en cada sector de
la Economía.
La producción continua de energía
eléctrica, ha sido y seguirá siendo un factor
decisivo en la recuperación económica, razón
por la cual se presta gran importancia a la explotación de
las unidades generadoras de todo el país, mediante el
estudio detallado de las particularidades de cada
instalación .
Algo más del 35.5 % de los combustibles derivados del
petróleo que se consumen en el país se destina
a la generación de energía eléctrica en las
Centrales Termoeléctricas, lo que representa más de
300 millones de dólares anuales con un precio
ascendente en el mercado
mundial.
La disponibilidad de las plantas del país desde
el comienzo del Período Especial se ha visto reducida pese
a los esfuerzos del país, no solo debido a la falta de
combustible , sino también a errores de operación,
problemas
técnicos y fallas de mantenimiento,
sumado esto a la presencia de averías y limitaciones de
carga. A pesar de que esta situación a mejorado
notablemente en los últimos años, todavía
está latente.
Por ejemplo, el consumo
específico bruto de combustible en el año 1994 se
incrementó a nivel de sistema en 10.2 g/kWh provocado por
una disminución de la eficiencia de la generación
debido al mal estado
técnico de los equipos principales, mayor
participación de las centrales menos eficientes y
limitaciones en bloques de carga base, entre otras
causas.
El costo del MWh entregado también se ha
incrementado en los últimos años. Un ejemplo es que
entre los años 1990 y 1994 se incrementó en 5
pesos, lo que significó 50.6 millones de pesos al
año.
La situación económica del país
hace impostergable elevar paulatinamente la disponibilidad de las
centrales termoeléctricas, unido a la disminución
del consumo específico bruto de combustible. El incremento
de la disponibilidad y el decremento del consumo se han visto muy
comprometidos dada la situación actual.
Una de las plantas más eficientes en nuestro
país es la Central Termoeléctrica "Carlos Manuel de
Céspedes" (C.T.E. "CMC") de la ciudad de Cienfuegos.
Localizada en la llamada Zona Industrial, muy cerca de la
Universidad de
Cienfuegos (UCf), esta C.T.E. ha ostentado la condición de
Vanguardia
Nacional durante 20 años.
La C.T.E. "CMC" cuenta con seis unidades generadoras que
están distribuidas de la siguiente forma:
- Dos unidades de procedencia norteamericanas de 5 MW
cada una. - Dos unidades de origen checo FY">
- Dos unidades de origen checo de 30 MW cada una. Una
de estas se encuentra en fase de
reconstrucción. - Dos unidades japonesas de 158 MW que a finales de la
década de los años 70 comenzaron a explotarse,
como consecuencia de la ampliación de las
potencialidades energéticas.
Esto hace un total de 386 MW de capacidad de
generación instalada en la central.
En lo que respecta a las unidades japonesas (Hitachi)
puede decirse que son dos unidades reconocidas entre las
más eficientes y de mayor generación en el
país, por lo que estas tienen gran importancia en el
Sistema Electroenergético Nacional.
Un análisis pormenorizado con técnicos,
ingenieros y especialistas de la C.T.E. "CMC", permitió
identificar diferentes problemas de explotación, los
cuáles no permiten ejecutar acciones
efectivas para lograr disminuir el consumo específico de
combustible en la C.T.E. y provoca que gran parte de la gestión
del Departamento de Explotación y otros a cargo de la
tarea se concentre en medidas para tratar de mantener
disponibilidad sin aprovechar las reservas de eficiencia y
disminución del consumo específico de
combustible.
Estas reservas pueden ser detectadas, evaluadas
económicamente y utilizadas mediante el uso de un Sistema
computarizado de Gestión de la Explotación de la
C.T.E. que trabaje en tiempo real de operación y se
constituya en un instrumento de medición instantánea de
índices de explotación, sugiriendo la toma de
decisiones para lograr disponibilidad al menor consumo
específico de combustible posible.
Este Sistema de Gestión puede ser logrado
mediante la simulación
termodinámica y termoecónomica de la
C.T.E., permitiendo satisfacer las dificultades asociadas a la
gestión de explotación enumeradas anteriormente. El
sistema puede concebirse para ser situado en la sala de control,
conocida como BTG, de forma que el operador pueda adquirir datos
en tiempo real, monitorear el comportamiento de las variables que
influyen sobre el consumo específico de combustible y
otros indicadores, recibir recomendaciones y realizar
correcciones, actuando sobre las variables que le está
permitido modificar.
Los análisis energéticos convencionales
basados en el primer principio de la termodinámica son los
usados actualmente en las C.T.E.. para la evaluación
de la eficiencia y la determinación y
cuantificación de los factores que afectan el consumo
específico de combustible.
Estos análisis, que constituyen una contabilidad
energética de los procesos
termodinámicos que tienen lugar en los diferentes equipos,
no consideran la asimetría de la transformación
calor –
trabajo y por tanto, la diferencia de calidad de los
distintos tipos de energía. Esto en especial en las
C.T.E.., adultera el cuadro físico real del proceso de
producción de energía eléctrica a partir de
energía química y sus
transformaciones intermedias. Esta adulteración ha llegado
a crear falsas caracterizaciones de donde se producen las mayores
oportunidades para disminuir los consumos específicos de
combustible, provocando altos gastos en
inversiones
posteriormente no recuperadas.
Los avances ocurridos en la termodinámica
establecen "el trabajo"
como energía de comparación en lugar del calor,
esto significa que en una C.T.E.. interesa la contabilidad de
aquella energía que puede transformarse en energía
eléctrica, sin incluir aquella que debe entregarse
necesariamente al agua de
enfriamiento. Este análisis establece un cuadro
completamente diferente al que existe hoy y permite identificar
en que partes del proceso se pierde trabajo, ordenándolas
por su magnitud y hallando con claridad donde se encuentran las
oportunidades de inversión o mejoras para disminuir el
consumo específico de combustible.
Establecer un sistema del tipo propuesto tiene una gran
importancia al implementar una vía actualizada y poco
utilizada hasta el momento para lograr reducir el consumo
específico bruto del combustible del SEN y disminuir su
impacto ambiental. Esta vía, al basarse en acercar lo
mayor posible, la gestión de explotación al
valor
óptimo desde el punto de vista económico, no
requiere de grandes inversiones, parte del estado técnico
actual del equipamiento y actúa sobre la elevación
de la cultura, el
control y la disciplina
tecnológica, así como el nivel de operación
y mantenimiento de la C.T.E..
Basado en las consideraciones anteriores, el CEEMA de la
UCf presentó un proyecto para
materializar estas ideas en forma de nueva tecnología para la
explotación de plantas termoeléctricas. El proyecto
que sustenta esta nueva tecnología, conocido con el nombre
de "Sistema de Gestión de la Explotación de la
Central Termoeléctrica Carlos M. de Céspedes de
Cienfuegos" (SGECTE) , con financiamiento
del Ministerio de Educación
Superior y con fecha de ejecución a partir del 1ero de
Marzo de 1997, tiene entre sus objetivos de
desarrollo:
- Probar la efectividad de la aplicación de los
métodos de análisis de la disponibilidad de la
energía y termoeconómicos a la gestión de
la explotación de procesos industriales de
transformación energética. - Obtener, aplicar y comprobar un Sistema de
Gestión de la Explotación de las C.T.E. que
permita detectar, evaluar y utilizar las reservas potenciales
de disminución del consumo específico de
combustible que existen en la producción de
energía eléctrica por la vía
térmica en el país. - Contribuir a elevar el control y la cultura
tecnológica durante la operación y el
mantenimiento de la C.T.E. mediante la implementación de
nuevos índices de evaluación de estas actividades
a través del SGECTE. - Obtener y evaluar una metodología de control del impacto
ambiental que permita introducir la gestión
medioambiental en la explotación de la
C.T.E..
Y entre los inmediatos:
- Disminuir el consumo específico de combustible
anual de la C.T.E. "CMC" como resultado de una mejor
gestión de explotación. - Controlar los efectos medioambientales que produce la
explotación de la C.T.E.. "CMC.". - Introducir en el período de un año en
la cultura tecnológica de la explotación de la
C.T.E. nuevos conceptos vinculados a los métodos
modernos de evaluación de las Centrales Térmicas
y de Gestión
Ambiental. - Disminuir el impacto ambiental de la
explotación de la C.T.E.. por contaminación atmosférica, aguas
residuales y residuos, así como identificar y minimizar
los riesgos
medioambientales de la explotación, logrando una mejor
integración de la C.T.E.. con su
entorno. - Elevar la disponibilidad de la C.T.E.. como resultado
de una mejor gestión de la
explotación. - Estos objetivos solo podrán ser cumpvos solo
podrán ser cumplidos parcialmente con un sistema que
actúe off – line. Para cumplir en su totalidad con
estos, es necesario que el sistema trabaje on – line, es decir,
en tiempo real de operación.
En una C.T.E., normalmente el operador no dispone de
información en tiempo real del rendimiento
de su instalación y solo puede guiarse por consideraciones
teóricas o por los manuales de los
fabricantes, quienes están en la mayoría de los
casos más preocupados por la seguridad de la
instalación que por el rendimiento de grupo. Esta
información se hace aún más necesaria en las
condiciones de explotación de nuestras plantas en la
actualidad, con paradas y arranques más frecuentes, con
funcionamiento a cargas medias y bajas, en muchos casos llevando
frecuencia del sistema. Estas situaciones no son contempladas en
los manuales de los fabricantes.
Una vez delimitados los objetivos del Sistema y la
necesidad de que el sistema actúe en tiempo real, se
procede a elaborar una estrategia para su implementación.
Esta estrategia contempla varias etapas de diseño.
En la primera etapa, se definen características generales
del sistema a implantar.
El proyecto de un SGECTE de la C.T.E. "CMC" se
desarrolla bajo las siguientes condicionantes:
Tiempo real: el sistema debe de funcionar en tiempo real
de operación, es decir, obtiene datos
instantáneamente del proceso y después de un
procedimiento
de filtrado y selección,
los procesa. Esto evita las pérdidas innecesarias en
cuanto a la respuesta del sistema y minimiza los efectos del
retraso entre los acontecimientos de la central y la
información del operador.
Tratamiento diferenciado de las variables: las variables
deben tener una clasificación pensada desde el punto de
vista del operador. Este punto de vista viene dado según
la libertad de
variación que se le permita a éste.
Presentación de fácil interpretación: la información
presentada al operador debe ser de fácil
interpretación con el objetivo de no
distraerlo de otras labores de vigilancia. Deben de delimitarse
las variables más importantes y clasificarse según
el punto 2.
Inclusión de nuevos métodos de diagnóstico térmico: el sistema no
solo contempla los indicadores que históricamente se han
utilizado en nuestras centrales, sino que incluye nuevos
indicadores calculados a partir de métodos modernos de
análisis de plantas térmicas como son los
métodos exergoeconómicos de
análisis.
Inclusión de métodos de
optimización de variables: el sistema debe incluir
algoritmos de
optimización de aquellas variables que sean
fácilmente modificables por el operador, de forma que se
logre un mínimo de la(s) variable(s) a
optimizar.
Equipo sin mando: en una primera aproximación, el
sistema no debe tener mando, es decir, solo presenta
información y emite recomendaciones, pero en ningún
caso debe haber feedback hacia el proceso. El operador es el
encargado de seguir o no los consejos del sistema. Esto evita el
tener que elaborar tablas de decisión entre los diversos
niveles de control y regulación de la central.
Instrumentación convencional: el sistema
está previsto para que utilice las señales
habituales de una central, sacando la máxima
información de las mismas. No se tiene previsto, para no
encarecer el sistema, la inclusión de nueva instrumentación, aunque si se puede prever
la modernización de la ya existente.
Sistema adaptable: el sistema deber ser adaptable a los
distintos tipos de central y al envejecimiento propio de la
instalación.
Para optimizar un proceso en tiempo real, hace falta un
algoritmo que
permita reproducir el comportamiento de la variable a optimizar
en función
de las otras variables del proceso. A este algoritmo lo
llamaremos MODELO. Por otra parte, hace falta un algoritmo que
investigue el comportamiento del modelo y pueda hallar unos
valores de las
variables del proceso que mejoren el valor de la variable a
optimizar. A este último algoritmo lo llamaremos
OPTMIZADOR. Esta estructura
MODELO + OPTIMIZADOR es universal para cualquier sistema de
optimización que deba funcionar "on – line".
Clasificación de las
variables
En cualquier proceso existen variables que se pretenden
controlar y que forman parte del resultado de éste, y
otras variables, de operación, que pueden modificarse para
ajustar los resultados a los valores
deseados.
Si se pretende optimizar una o más de las
variables resultado, se deben manipular las variables de
operación, sin que las otras variables resultado, que no
se intentan optimizar, se vean afectadas. Por ejemplo, en caso de
una central térmica, si el operador quiere optimizar el
consumo específico, puede actuar sobre el exceso de
aire o la
temperatura
del vapor vivo, pero no sobre la carga o el tipo de
combustible.
Estas consideraciones llevan a clasificar las variables
que afectan el consumo específico y el costo del kW de
electricidad
generado en:
Variables de operación: son las que el operador
puede modificar según su criterio, sin modificar los
programas de
explotación del sistema eléctrico. Ejemplos de
tales variables son la temperatura del vapor vivo o el exceso de
aire de la combustión.
Variables de entorno: son las variables que no pueden o
no deben ser modificadas por el operador, en condiciones normales
de operación. Este tipo de variables pueden subdividirse
en variables de explotación e
instalación.
2 a. Variables de explotación: son aquellas que
vienen determinadas por las necesidades de explotación del
proceso y que el operador debe respetar los valores asignados.
Ejemplos de tales variables son la carga del grupo o el tipo de
combustible a utilizar. Estas son establecidas por el despacho
regulador de la red.
2 b. Variables de instalación: son las variables
que afectan el resultado del proceso, pero que el operador no
puede modificar. Dependen del estado físico de la
instalación o de las condiciones del medio. Ejemplo de
tales variables son la suciedad del condensador o al temperatura
del agua de circulación. Desde el punto de vista del
sistema, esta división es superflua ya que la
optimización debe realizarse manteniendo fija todas las
variables de entorno. Sin embargo, es importante disponer de un
modelo que indique las pérdidas asociadas a las variables
que dependan del estado de la central, de forma que puedan
programarse ciertas operaciones de
mantenimiento, basadas en criterios económicos.
Variables a optimizar: son las variables del proceso que
pretendemos optimizar. En nuestro caso se trata del consumo
específico de la central o del costo del kW de
electricidad generado.
El concepto de
indica ALIGN="JUSTIFY">El concepto de indicador es muy
importante ya que, como se enunció con anterioridad, el
algoritmo debe ser flexible a su extensión a cualquier
otra central de su tipo.
Un indicador es un valor numérico, obtenido a
partir de las señales de los transmisores y que cumple con
los criterios siguientes:
Común a cualquier tipo de central térmica:
esto se refiere a variables que están presentes en
cualquier tipo de central térmica, lo que asegura que el
modelo pueda extenderse. Deben tenerse en cuenta casos como la
reducción de señales de varios transmisores a una
sola señal promedio, el empleo de
porcentajes en las centrales que usan más de un
combustible, etc.
Influye sobre el consumo específico y sobre el
costo de
producción del kW eléctrico: como es obvio,
deben ser señales que presenten correlación con el
consumo específico, de lo contrario, no formarían
parte del modelo.
Indica una causa sobre la cual actuar: este criterio
obliga al diseñador del modelo a buscar indicadores que
reflejen la causa directa de la pérdida de rendimiento.
Por ejemplo, es claro que el vacío del condensador lo
afecta, pero el vacío depende de la carga del grupo, de la
temperatura del agua de circulación, de la suciedad del
condensador y de su estanqueidad. Todas las causas anteriores se
incluyen como indicadores y por tanto, el vacío
no.
Puede calcularse a partir de transmisores habituales:
esta es una de las condicionantes antes enumeradas y posibilita
que el costo total del proyecto no sea tan alto al utilizar las
mediciones existentes. El sistema no exigirá poner
medidores tales como para el caudal de las extracciones o la
pérdida de carga del calentador de aire regenerativo (si
estos no existen).
Deben ser los menos posibles: el número de
indicadores debe ser el menor posible. Esto evita sistemas muy
complejos y no sobrecargar al operador con excesiva
información.
Deben ser independientes entre sí: esto permite
la variación de un indicador sin afectar los otros. En la
práctica, esto solo se cumple parcialmente, ya que existen
muchas correlaciones entre las variables.
Flujo de
información en el sistema
Bajo esta denominación se presentan conceptos
claves que son necesarios para entender el funcionamiento del
sistema.
Señales: son entradas al sistema procedentes del
exterior, ya sean señales eléctricas de
transmisores o entradas manuales por teclado.
Variables primarias: son valores calculados a partir de
las señales y expresadas en unidades de ingeniería, listas para ser
procesadas.
Variables calculadas: son valores calculados a partir de
las señales, que se utilizan para dar información
complementaria, o que son necesarias para otros
cálculos.
Indicadores: son valores obtenidos a partir de las
variables primarias y calculadas y que determinan de forma
inequívoca el estado de
la instalación.
Subsistema de observación: es la interfaz entre la
central y el subsistema de optimización (ver este
último más adelante). Sus funciones
principales son la adquisición de datos procedentes de los
transmisores y el cálculo de los indicadores.
Subsistema de optimización: es el corazón
del sistema. Determina la situación óptima de
operación, según lo que se quiera
optimizar.
Subsistema auxiliar: es la interfaz entre el subsistema
de optimización y el operador. Elabora a partir de los
indicadores calculados, una serie de pantallas e impresos para
que el operador pueda actuar en consecuencia con la finalidad del
sistema, Realiza una serie de funciones auxiliares, como son el
almacenamiento de
datos históricos e impresos resumen sobre el
funcionamiento de la central.
Tal y como se dijo antes, el subsistema de
observación lee las señales de los transmisores de
campo y convierte esta información en indicadores y filtra
los datos erróneos. Esto se realiza en un tiempo prefijado
por el diseño del sistema, puede ser 10 segundos, cada 1
minutos, cada dos, etc.
La estructura del subsistema de observación es
modular.
Módulo de entrada: su misión es
aceptar las señales procedentes de los transductores de
campo y convertirlos en señales digitalizadas, leyendo el
valor instantáneo de cada una de ellas.
Las señales de entrada son de cuatro
clases:
Señales analógicas: señales de
intensidad o tensión procedentes de transmisores,
termopares y de sondas de resistencia.
Pulsos: procedentes de contadores de energía o de
combustibles.
Señales digitales: señales todo o nada
(verdadero o falso), indicativas de paradas o arranques de
equipos.
Señales manuales: entradas por teclado, tales
como el análisis de combustible.
Su primera función es la adquisición de
datos. Esta convierte las señales de campo conectadas en
paralelo al sistema en un flujo digital en serie comprensible
para la
computadora. Esto implica la existencia de un sistema
explorador de las señales de campo, una separación
galvánica de dichas señales y una conversión
análoga – digital.
La exploración de todas las señales
analógicas se realizará con un tiempo máximo
de 100 ms. Los pulsos y las señales digitales se vigilan
de forma continua.
El sistema de exploración se actualizará
en el tiempo prefijado. Esto no se realizará de forma
continua, sino que se pueden leer, por ejemplo, grupos de 20
lecturas consecutivas, cinco veces durante el tiempo prefijado de
adquisición. De esta forma se podrá realizar con
más precisión el filtrado de las señales, ya
que de esta manera las modificaciones del estado de la central
durante el proceso de lectura son
mínimos.
En cuanto a los pulsos y con el fin de evitar errores,
es necesario tener en cuanta para los pulsos lentos, los tiempos
inicial y final con respecto al intervalo de dos minutos, para la
obtención del valor de la variable.
Módulo de filtrado: es el encargado de convertir
las señales de campo en indicadores. El sistema
efectúa primero un filtrado de las señales, para
evitar problemas en la optimización debido a
señales erróneas. Se pueden realizar 3 tipos de
filtrado clásicos.
El filtrado estadístico se aplica sobre las
lecturas individuales de cada ciclo de exploración y que
pretende detectar dispersiones anómalas en los conjuntos de
lecturas. En el desarrollo de este filtro se supone , por
ejemplo, qulo de este filtro se supone , por ejemplo, que cada
uno de los 5 grupos de 20 valores se agrupan con la ley normal y
basado en esto se buscan valores anómalos y valores
separados de la media en más de un cierto número de
desviaciones tipo.
Con el filtrado de valoración se valoran las
señales analógicas utilizando la mediana de cada
grupo de 20 valores para calcular la mediana de los cinco
grupos.
El filtrado de máximo – mínimo se aplica
teniendo en cuenta los valores límites de
cada variable.
El filtrado de coherencia compara el valor de cada
variable con el que debería tener de acuerdo al estado de
la central. Este sistema aprovecha las correlaciones entre
variables para detectar los errores en la calibración de
los transmisores. Las funciones que dan los valores patrones se
actualizan periódicamente con los datos históricos
por medio de técnicas
de regresión estadística.
Módulo estimador: su función es
proporcionar los valores alternativos de las variables que
superen los límites máximo – mínimo, para
evitar el bloqueo del sistema a la espera de la reparación
del transmisor y sustituir la variable por estos
valores.
La sustitución puede ser de tres
tipos:
- Por un valor calculado mediante las correlaciones con
otras variables, utilizando las mismas funciones para el
filtrado de coherencia. - Por un valor fijo determinado.
- Por el valor que tenía el intervalo
anterior.
De esta forma, el subsistema de optimización
puede funcionar aunque existan variables
erróneas.
Módulo de cálculos: este subsistema
calcula los indicadores, a partir de los valores de las
variables. Los procedimientos de
cálculo se basan en los criterios de selección de
indicadores y comprenden algoritmos tan sencillos como el
cálculo de valores medios de las
variables y algoritmos más complejos y con gran cantidad
de ecuaciones,
como los balances de masa, energía, exergía,
entropía y
termoeconómicos.
El subsistema de optimización es el encargado de
determinar el valor de la variable o variables a optimizar. Este
puede utilizar técnicas estocásticas,
determinísticas y combinación de estas. Pueden
aplicarse técnicas de regresión, programación linear con un solo objetivo y
multiobjetivo y técnicas de inteligencia
artificial como las redes
neuronales, los algoritmos genéticos y la lógica
borrosa.
Este es la salida del sistema y la interfaz entre el
sistema de optimización y el operador. A partir de recibir
por un lado la información del subsistema de
observación y por otro la del subsistema de
observación, elabora la presentación de datos para
el operador. Por tanto, su función principal es la
presentación de los resultados.
La información que recibe el operador comprende,
el valor actual del indicador, el valor recomendado por el
sistema, y las posibles mejoras del consumo específico de
combustible o del costo del kW de electricidad generado. De esta
forma, el operador puede dar prioridad a algunas acciones sobre
otras.
Como complemento a esta operación, el operador
debe poder ver en
pantalla la evolución del consumo específico
durante la última hora, y sobrepuesta a esta curva, la
recta de regresión entre el consumo y el tiempo. Esta
regresión permite estimar si la evolución o
comportamiento del consumo es creciente o decreciente.
Otra de las funciones de este subsistema es el
almacenamiento de los valores de las variables, para poder ser
utilizadas en el análisis del funcionamiento del grupo y
para futuros entrenamientos de los sistemas de
optimización. Este subsistema también imprime
resúmenes de los datos de la central, horario y
diariamente, para poder tener un resumen impreso del
funcionamiento de la planta.
En las unidades japonesas de la C.T.E. "CMC" se cuenta
con una sala de control (BTG) la cual centraliza el control de
caldera, turbina y generador eléctrico de ambas unidades.
Este sistema cuenta con un subsistema de adquisición de
datos, el cual consiste en un panel al cual llegan diferentes
señales del proceso, analógicas, digitales y de
pulsos y las convierte a valores apropiados de tensión e
intensidad, generando salidas por una pequeña pantalla y
en papel, con el uso de una impresora. La
computadora
que realiza esta función es marca HIDIC de la
compañía HITACHI, de 8 bits, de alrededor del
año 1975, la cual ha quedado obsoleta por no poderse
programar y por lo limitado de sus salidas.
Para la implementación de un sistema de este tipo
debe ser necesario actualizar el sistema de BTG. Esto está
previsto en la C.T.E. "CMC" a partir de un contrato con
la empresa
INEL.
El sistema original está formado por la unidad de
entrada – salida (I/O) modelo H – 7600 que es
gobernada por una minicomputadora marca HIDIC 80 de la firma
HITACHI. La unidad I/O está formada por el controlador de
proceso I/O y este a su vez está formado por el
controlador electrónico de I/O (PCE) y el direccionador de
I/O (PUD).
El módulo procesador de I/O
consiste en una tarjeta por función, excepto la entrada
analógica, la cual está compuesta por un
controlador común, formado por un amplificador, un
conversor análogo digital, una fuente pata uso
analógico y un módulo multiplexor.
Básicamente el sistema está compuesto por
cuatro módulos o casetas. En el primero de estos
está ubicada la CPU y la PCE,
en el segundo y tercero están ubicadas la PUD y las
tarjetas de
entrada de las señales del campo de las unidades 3 y 4
respectivamente, en el cuarto módulo se ubican las
tarjetas que comunican el CPU con la consola del operador y la
impresora de eventos.
Se propuso sustituir parte del sistema actual debido a
las siguientes limitaciones:
Es un sistema con tecnología de los años
70, fuera de uso en el mundo entero.
Tiene más de 20 años de
explotación.
Es muy limitado en cuanto a comunicación hombre –
máquina. La información se presenta por medio de un
display de segmentos lo que hace que solo se visualice una
variable a la vez. La impresión de reportes es por medio
de una impresora muy antigua, con muchos elementos
mecánicos desgastados y que presenta una gran carencia de
insumos. La impresión es solo por medio de códigos,
lo que hace muy engorroso interpretar un informe.
Todo el software del sistema es
desconocido, por lo que es imposible introducir nuevas variables
y/o cálculos.
No se procesan todas las variables que originalmente
tenía previsto.
Carece de fuente de respaldo por lo que en ocasiones se
pierden los datos de la computadora.
Etc.
ALIGN="JUSTIFY">
Etc.
Se hizo un estudio de
factibilidad tratando de:
Cumplir o superar los parámetros del sistema a
sustituir en cuanto a velocidad y
período de muestreo de las
variables de acuerdo a los datos suministrados por los
técnicos de la planta.
Que sea lo más económico posible sin
sacrificar calidad.
Que cuente con los más modernos equipos de
cómputo.
Pueda expandirse.
Pueda incorporar los más medios modernos para la
adquisición, análisis y presentación de
resultados.
Aprovechar en el nuevo sistema todo el equipamiento
posible del anterior.
Se propuso una arquitectura que
aprovecha el equipo instalado para registrar la
información de campo, esto es, sensores y
tarjetas de entra – salida. Esta direcciona con una
microcomputadora las tarjetas de entrada y presenta los
resultados por microcomputadora e impresoras
localizadas en el BTG.
Su estructura es:
Dos microcomputadoras industriales (una para cada
unidad) en el salón donde actualmente está la
HIDIC, sin teclado y sin monitor.
Dos microcomputadoras industriales con teclado y
monitor, con sus correspondientes impresoras situadas en el BTG,
una para cada unidad.
Deben adquirirse también:
Dos microcomputadoras comerciales, una para acceder a
los datos desde el Dpto. de Explotación y otra desde
Indices.
Tarjetas de adquisición de datos.
Cables para conexión de red.
Impresoras.
El sistema está concebido para que bajo ninguna
circunstancia pierda operatividad. Consta de dos niveles: Nivel
Inferior y Nivel Superior. El Nivel Superior, a su vez,
está divido en Nivel de Explotación y Nivel de
Operación.
En el nivel inferior habrá dos computadoras,
las cuáles, auxiliándose del grupo de tarjetas de
adquisición y procesamiento de
datos del equipamiento instalado, recolectan y procesan la
información primaria del campo (señales
analógicas y digitales) y luego las transmiten al
denominado Nivel Superior. A la información recibida se le
da el procesamiento definitivo (conversión a unidades de
medida de ingeniería) y luego se muestra en las
diferentes variantes al personal de
Explotación y Operación.
Las computadoras de nivel Superior están
concebidas para ser montadas en una red NOVELL o
Windows NT y
se dividen en Conjuntos de Operación y Conjunto de
Explotación. Por definición, el personal de
Operación tiene acceso a toda la información
recolectada que necesita para la operación de la planta y
además, mediante los diálogos de operación
interactúa con el sistema en tiempo real. El personal de
explotación tiene acceso a toda la información
almacenada en el servidor de la
red, además de que mediante tareas de fondo puede
modificar programas, bases de datos,
crear nuevos reportes, etc.
El personal de Operación tiene para su trabajo
dos computadoras (una para cada unidad), con sus respectivas
impresoras, dedicadas a la presentación de alarmas y
diálogos, conocidas como de utilidad. Ambas
están conectadas a la red comercial del dpto. de
explotación, a la red industrial de Nivel Inferior y entre
ellas.
Para la transmisión de información del
Nivel Inferior al Superior se usa una red industrial a la cual
están conectadas las dos computadoras industriales del
Nivel Inferior y las dos de Nivel Superior 9de
operación).
Con esta configuración se garantiza que en caso
de fallo de una de las dos computadoras de operación, la
otra pueda asumir parte del trabajo de la averiada.
Las computadoras de Nivel Inferior tienen un modo de
trabajo denominado "de configuración mínima", el
cual garantiza que en caso de rotura de la
comunicación con el Nivel Superior, estas asumen el
trabajo de operación, una vez que se les conecta teclado y
monitor.
Es parte de la estrategia de trabajo que todas las
computadoras tengan características similares para en caso
de rotura de una de las computadoras de Operación o del
Nivel Inferior, su "doble" o una de las computadoras de
Explotación pueda asumir su trabajo hasta la
reparación
Nivel Inferior: compuesto de una unidad central con
disco rígido, disco floppy y teclado y display (no
conectados). Además, un grupo de tarjetas destinadas al
gobierno del
multiplexor, a la adquisición de señales
analógicas y una tarjeta de comunicación para la
red industrial. Sus tareas son:
- Gobierno del multiplexor y adquisición de la
señal. - Acondicionamiento analógico y
conversión análogo – digital
(A/D). - Validación.
- Comprobación de los límites de
alarma. - Filtrado digital.
- Linealización.
- Conversión a unidades de
ingeniería. - Transmisión al Nivel Superior.
- Chequeo de interrupciones por hardware.
- Chequeo de cambios de estado de señales
digitales.
En el modo de operación de configuración
mínima, se le habilitan el teclado y el monitor y se
añaden las siguientes tareas:
Visualización de la
información.
Impresión de las alarmas y de otros
reportes.
Emisión de señales Multimedia.
Inhibición de variables.
Tareas de verificación y
mantenimiento.
Tratamiento de estado cíclico de una
variable.
Nivel Superior:
Grupo de Operación: constituido por dos
microcomputadoras industriales con sus respectivas unidades de
floppy, disco rígido, impresoras, teclados, monitores y
tarjetas de comunicación para la red industrial y para la
red comercial. Las tareas a desarrollar por este grupo
son:
Transferencia bidireccional de la información
entre el Nivel Superior y el Inferior.
Procesamiento de las entradas.
Visualización d ella información en las
diferentes variantes.
Pantallas de alarma (digital y analógicas0,
mímicos, seguimientos (por fila o columna), registros de
variables analógicas, señales Multimedia,
etc.
Emisión de reportes (diarios, del operador, de
mantenimiento, post averías, etc.)
Procesamiento de entradas en ;as, etc.)
Procesamiento de entradas en
evolución.
Cálculos preprogramados.
Ejecución de los diálogos de
operación.
Transferencia de información bidireccional con el
servidor de la red comercial.
Grupo de Explotación: debe contar con dos
microcomputadoras comerciales Multimedia, con sus respectivos
discos floppy, rígidos, teclado, monitores, bocinas,
tarjetas de sonido, tarjetas de red
comercial, etc. Entre sus tareas están:
La gestión de la explotación con el uso de
sistemas modernos.
El apoyo al grupo de operación en cuanto al
seguimiento de variables.
Guardar datos históricos.
Generación de informes con
nuevos indicadores, cálculos, etc.
Análisis.
Etc.
En esta inversión esta previsto la
adquisición del hardware necesario para el SGECTE, el cual
debe contar de:
Substitución de la computadora
HITACHI.
Cuatro PC industriales.
Infraestructura para una red local, incluyendo comunicaciones
en esta.
No se tiene previsto, como se planteó al inicio
del trabajo, la colocación de nueva
instrumentación.
Lo anteriormente expuesto no es más que la
concepción de un sistema del tipo SCADA (Supervisory
Control and Data Adquisition System o Sistema Supervisor de
Adquisición de Datos). Los sistemas de este tipo son muy
utilizados en el mundo y se ocupan primariamente de la
adquisición, filtrado y presentación de los datos,
sumado a una serie de funciones que van desde la emisión
de alarmas hasta el control primario de lagunas
variables.
Sin embargo, no es suficiente contar con un sistema de
este tipo para poder cumplir con los objetivos enunciados al
principio de este trabajo. Los sistemas de este tipo están
orientados principalmente a la supervisión de las variables de entrada del
proceso, y no al cálculo de indicadores de funcionamiento.
Aún los que incorporan una parte de esta última
función, no utilizan métodos modernos de
análisis que sena capaces de dar una verdadera
"visión" del comportamiento del proceso. Con sistemas de
este tipo el operador solo puede asegurarse de llevar la
operación más fiable posible, pero no la más
eficiente y económica posible.
La tecnología propuesta en este trabajo pretende
integrarse con un sistema SCADA de este tipo para lograr en la
operación y explotación la fiabilidad, eficiencia y
economía necesarios. El SGECTE debe utilizar los datos
primarios ofrecidos por el SCADA propuesto y desempeñar su
papel como tecnología para el mejoramiento de la
gestión de la explotación.
El uso de métodos modernos de análisis de
plantas termoeléctricas, como el análisis
termoeconómico, permite detectar aquellas áreas
donde se puede actuar de forma más eficiente para
disminuir el consumo específico de combustible.
La meta de la disminución del consumo
específico de combustible no puede ser alcanzada sin
cambios en los sistemas de gestión de la
explotación de la central. Deben tenerse los datos en
tiempo real para poderlos procesar y actuar con rapidez sobre el
sistema para poder influenciar en el consumo específico de
combustible.
En la C.T.E. "CMC" es necesario acometer una
inversión para sustituir el sistema de adquisición
de datos por una interfaz que permita la comunicación con
las modernas microcomputadoras personales. No es suficiente que
este sistema se comporte como un SCADA convencional, sino que
debe incorporar métodos modernos de análisis de
plantas para el cálculo de indicadores de funcionamiento y
algoritmos de optimización de variables que aseguren una
operación eficiente y económica.
Es necesario diseñar la nueva interfaz operador
– planta de forma que el operador maneje las variables que
realmente puede modificar para influir sobre el consumo
específico de combustible.
El sistema, en una primera aproximación, debe
poder auxiliar al operador, no sustituirlo.
Bradiansky V.M. El Método
Exergético y sus Aplicaciones. Editorial Energía
Atómica. Moscú. 1988
Cabrera, Osmel. Método Termoeconómico de
Evaluación de Esquemas de la Industria
Azucarera. Trabajo de Diploma. Universidad de Cienfuegos.
1994.
Campos Avella, J.C. Diplomado de ahorro de
energía: fundamentos de gerencia
exergética. México.
1993.
Campos Avella, Juan C. ; Leonardo Santos Macías y
Osmel Cabrera. "Análisis termoeconómico :
herramienta para establecer acciones de ahorro y
conservación de la energía" . Revista
Construcción de Maquinaria (Cuba). 3: Mayo
– Agosto, 1995.
Campos Avella, Juan C. ; Santos Macías, Leonardo.
"Gerencia exergética : un nuevo camino hacia el ahorro y
uso racional de la energía". Revista Construcción
de Maquinaria (Cuba). 3: Mayo – Agosto , 1995.
EtaPRO Monitoring for power Plant Perfomance.
USA:General Physics Corporation, 25p. (Folleto
divulgación).
Proyecto Otro. Hecsa y Enher – pie 131050
(Presentación en UNESA) , 1993 .
NESA) , 1993 .
Dr., Ing. Juan Carlos Campos Avella.
**
MSc., Ing. Leonardo Santos Macías.*
MSc. ,Lic. Eduardo R. Concepción Morales
***
* Master en Ciencias en
Matemática
Aplicada. Master en Ciencias en Eficiencia Energética y
Diseño Térmico. Ing. Termoenergético.
Profesor
Asistente del Departamento de Matemática
Básica y Aplicada de la Facultad Ciencias
Económicas y Empresariales de la Universidad de Cienfuegos
(UCf). Colaborador del Centro de Estudios de Energía y
Medio Ambiente
(CEEMA) de la UCf.
** Dr. en Ciencias Técnicas. Ing.
Termoenergético. Profesor Titular del Departamento de
Explotación Industrial de la Facultad de Ingeniería
Mecánica de la UCf. Colaborador del
CEEMA.
*** Master en Ciencias en Matemática Aplicada.
Lic. en Matemática Aplicada. Profesor Asistente del
Departamento de Matemática Básica y Aplicada de la
Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales de la
Universidad de Cienfuegos (UCf). Colaborador del Grupo de
Estudios Informáticos (GEI) de la UCf.