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



     

     

     

    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.

    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.

    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.

    Bibliografía.

    Bradiansky V.M. El Método
    Exergético y sus Aplicaciones. Editorial Energía
    Atómica. Moscú. 1988

    Cabrera, Osmel. Método Termoeconómico de
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    Azucarera. Trabajo de Diploma. Universidad de Cienfuegos.
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    Campos Avella, J.C. Diplomado de ahorro de
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    exergética. México.
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    Campos Avella, Juan C. ; Leonardo Santos Macías y
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    Construcción de Maquinaria (Cuba). 3: Mayo
    – Agosto, 1995.

    Campos Avella, Juan C. ; Santos Macías, Leonardo.
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    EtaPRO Monitoring for power Plant Perfomance.
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    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.

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