sistema de adquisición de datos, monitoreo y control en tiempo real de parámetros termodinámicos

Enviado por Dr., Ing. Juan Carlos Campos Avella

Resumen

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.

Introducción

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.

Desarrollo

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.

Estructura General

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.

Indicadores

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.

Estructura del sistema

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.

Subsistema de observación

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.

Subsistema de optimización

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.

Subsistema auxiliar

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.

Hardware necesario

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.

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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.

Propuesta de configuración

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

Tareas por niveles

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.

Conclusiones

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.

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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.