Modernización del Sistema de Monitoreo y Control en una Planta

Modernización del Sistema de Monitoreo y Control en una Planta Hidroeléctrica con
LabVIEW y Tecnología NI RIO
"El uso de NI CompactRIO y Singleboard RIO nos
permitió implementar un sistema de control
moderno para generación de energía hidroeléctrica
con componentes de hardware más pequeños y
económicos que en sistemas tradicionales.
Pudimos lograr algoritmos de análisis a alta
velocidad, cálculos y lógica de alto nivel en un
equipo con confiabilidad similar a la de PLCs
tradicionales."
- Patrick Wyse, TestWyse, LLC
El Reto:
Actualizar el sistema de control de una planta hidroeléctrica tradicional para optimizar su desempeño y seguridad, y maximizar el uso de agua para
generar electricidad.
Lea el Caso
de Estudio
Completo
La Solución:
Utilizar hardware reconfigurable NI RIO y el software NI LabVIEW para construir un sistema avanzado de control y monitoreo en tiempo real
completamente automatizado, fácil de usar, y confiable.
Autor(es):
Patrick Wyse - TestWyse, LLC
Aurelio Asturias - Hidro-Energia, SA
Descripción de la Aplicación
Más allá de lo Tradicional
La hidroenergía ha sido utilizar por cientos de años, desde que el agua se utilizaba para moler granos en molinos hasta el uso actual de generar energía
eléctrica.
Los sistemas tradicionales de monitoreo han dependido fuertemente en grandes cantidades de equipo así como una fuerte interacción humana para
supervisar los bancos de equipamiento y tomar decisiones. Todos estos aspectos del sistema de control – el flujo de entrada a la turbina, cantidad de
energía eléctrica producida por el generador, ajustes a los parámetros de seguridad – pueden ser monitoreados por un solo sistema NI RIO (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/208478) y una aplicación en LabVIEW (http://www.ni.com/labview/esa/). Con el procesador de tiempo real
del sistema RIO en combinación con las capacidades de alta velocidad del FPGA (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/11834), ahora podemos
utilizar el hardware para actividades de control crítico y de monitoreo. Al final, este sistema automatizado de monitoreo trae diferentes beneficios: primero,
menor tiempo muerto y tiempos de respuesta más rápidos gracias al monitoreo continuo de la turbina. Segundo, el sistema permite ajustes sobre la
turbina/generador para controlar la electricidad producida lo que, en consecuencia, aumenta la rentabilidad de cada lugar disminuyendo el costo laboral.
Y tercero, gracias a la flexibilidad de LabVIEW, en la misma aplicación se pudieron agregar mediciones de vibración y procedimientos de mantenimiento
preventivo que pueden ser monitoreados y controlados desde una oficina central remota a través de comunicación por internet.
Hemos implementado exitosamente los sistemas de control descritos previamente en Guatemala, El Salvador y Nicaragua. Debido a la inestabilidad de la
red eléctrica en estos países, es crítico tener un tiempo de respuesta rápido si la red falla para evitar situaciones de potencial peligro.
Para este caso en particular, la aplicación requirió conectarse a la red eléctrica nacional en esos países; sin embargo, este concepto es aplicable para
otras situaciones que no requieran de dicha conexión. Por ejemplo, otra aplicación sería la generación de energía eléctrica para un usuario final, como un
pequeño poblado o una empresa grande.
Valor Económico
Comparado con el hardware, el software es un elemento del sistema más sencillo de adaptar a cambios. Al utilizar LabVIEW, aprovechamos su
flexibilidad para construir soluciones de menor costo. La lógica de control está implementada en software, lo que permite ajustar valores dependiendo de
cada planta, como la escala de los sensores y los parámetros de seguridad. Estas variaciones en los mecanismos de control son modificados fácilmente
en el programa, en lugar de requerir adaptaciones en hardware.
Desempeño
En un sistema hidroeléctrico de turbina/generador, una cantidad de agua es utilizada para generar electricidad antes de conectarse a la red nacional. El
voltaje y la fase de ésta deben de ser igual al del sistema de 3 fases que se conecta. Las características de alta velocidad del FPGA nos permiten
detectar el momento exacto en que las tres fases están alineadas, lo que establecer una conexión adecuada a la red. Si éstas se encuentran en 180
grados de desfase, puede resultar en un peligroso corto circuito. Es por ello que la naturaleza de alta velocidad del procesador de tiempo real y el FPGA,
junto con la paleta de Electrical Power Measurement en LabVIEW, juegan un papel crítico en la seguridad y desempeño de la conexión a la red.
Una vez que se establece la conexión a la red, el sitio puede generar grandes cantidades de electricidad dependiendo del flujo de agua. La red nacional
mantiene la frecuencia de 60 Hz, mientras que un mayor flujo de agua genera más corriente y, por tanto, más ingreso económico. Utilizando una
combinación de diferentes sensores, todas las características importantes de la operación de la turbina pueden ser identificadas y medidas por el sistema
RIO como el nivel de agua, conexión/desconexión a la red eléctrica, operación de la turbina (temperatura y presión), engranajes, y equipo de soporte.
La demanda eléctrica tiene cambios muy marcados entre el transcurso del día y la noche, por lo que es importante que el sistema de autorregule para
compensar por estas variaciones. Tradicionalmente, esto ha requerido ajustes manuales por parte de algún operador; ahora, el sistema se automatiza
utilizando LabVIEW y equipos RIO mediante el monitoreo y ajuste constante del factor de potencia. Estas optimizaciones a lo largo del año resultan en
mayores ganancias de electricidad y dinero.
Utilizando pantallas táctiles de NI, se desarrollo una interfaz para operar las turbinas y desplegar información importante al usuario con todos los
parámetros críticos. Debido a que este “sistema inteligente” está altamente automatizado y es auto-suficiente, puede comunicar claramente fallas y paros
de emergencia junto con sus razones, sin poner mucha responsabilidad en un usuario humano.
Hardware y Software del Sistema
En cualquier implementación de plantas hidroeléctricas existe una combinación de fenómenos lentos y rápidos que se requieren control. Al combinar el
procesador de tiempo real del CompactRIO con el FPGA en su chasis, todos los fenómenos se pueden controlar eficientemente. El sistema RIO ofrece
una plataforma industrial y robusta para operar de forma continua todos los aspectos de la turbina. Al utilizar una arquitectura de software bien diseñada,
pudimos solucionar el reto que representa adaptar la aplicación a diferentes tipos de turbinas. Hemos implementado exitosamente estos sistemas de
control en distintas turbinas, incluyendo Francis, Kaplan, y Pelton Wheels.
Seguridad
La seguridad es una consideración importante cada vez que hay una interacción con altos voltajes y corriente. Existen diferentes parámetros que se
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La seguridad es una consideración importante cada vez que hay una interacción con altos voltajes y corriente. Existen diferentes parámetros que se
necesitan monitorear de forma continua por cuestiones de seguridad como la presión de los aceites, temperaturas, desempeño de la turbina/generador,
conexión a la red nacional, etc. Utilizando una combinación de los sistemas RIO, PTs y CTs, pudimos leer el voltaje y corriente generados, y con ellos
calcular en el FPGA el valor RMS entre voltaje y neutral, entre fases y otras características eléctricas. Si cualquiera de estas mediciones detectaban
alguna anomalía, el FPGA de alta velocidad inmediatamente reacciona y apaga el sistema para prevenir daño al equipo y sistema de control.
Un ejemplo de la necesidad de esta reacción a alta velocidad es cuando se pierde la conexión a la red eléctrica mientras que una gran cantidad de agua
está entrando a la turbina. El sistema debe detectar y reaccionar rápidamente a este evento y apagarse en el instante en que el agua entra a la turbina
para proteger al generador.
Mantenimiento
Típicamente las localidades que son aptas para generación hidroeléctrica son de difícil acceso, por lo que contar con sistemas de control confiables es de
vital importancia. Con un alto nivel de automatización, se depende menos en indicadores y controles visuales, y es el software quien asume las
responsabilidades. Gracias a la confiabilidad y robustez de los sistemas NI RIO, pudimos colocar la solución basada en LabVIEW prácticamente en
cualquier parte.
Información del Autor:
Patrick Wyse
TestWyse, LLC
6899 Sea Daisy Drive
Lake Worth, FL 33462
Estados Unidos
Tel: 561.350.3926
labviewfl@gmail.com (mailto:labviewfl@gmail.com)
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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