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Sistema automatico de control para la operacion remota de un prototipo de generacion de energia hidroelectrica.

Automatic Control for the Remote Operation of a Prototype Hydropower Generation System

1. INTRODUCCION

La escuela de Ingenieria Electrica y Electronica de la Universidad del Valle cuenta con un Prototipo de Sistema de Generacion de Energia Hidroelectrica (SGEH) a pequena escala y modular, el cual es una herramienta importante para la validacion de estudios realizados por los grupos de investigacion en el campo de la generacion hidroelectrica.

Sin embargo el sistema SGEH opera de forma completamente manual, por tal motivo se implemento un sistema automatico de control para el SGEH con el objetivo de facilitar los procesos de experimentacion e investigacion en sistemas de generacion hidroelectrica, dotando a la Universidad con una plataforma de experimentacion totalmente automatizada utilizando nuevas tecnologias.

En este documento se presenta la descripcion y funcionamiento del SGEH, asi como la automatizacion del sistema en los procesos de arranque, conexion, operacion y desconexion con el fin de ofrecer una plataforma experimental que facilite su operacion de forma remota a traves de Internet.

[FIGURA 1 OMITIR]

2. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE GENERACION HIDROELECTRICA

El SGEH de la Universidad del Valle es un sistema compuesto por diferentes equipos electromecanicos e hidraulicos tales como motores, bombas y turbinas hidraulicas, ademas de contar con equipos industriales de medicion y actuacion que permiten medir y controlar variables del proceso tales como nivel, presion, caudal, velocidad, potencia activa utilizando senales de corriente 4-20 mA, voltaje -10/+10 VDC o protocolos de comunicacion digital Hart o Modbus entre otros.

La Fig. 1 muestra el diagrama del SGEH. El agua, que es almacenada en el tanque principal TK-1 con una capacidad de 2000 litros, desde donde es impulsada por una bomba centrifuga de alta eficiencia de 1100 Lts/min, es movida por un motor trifasico de 25 H.P. Esta es llevada a traves de una tuberia de presion de 3 pulgadas de diametro hasta uno de los equipos hidraulicos del laboratorio como puede ser una turbina Pelton o una bomba que opera como turbina. Como equipo de generacion se tiene un motor asincrono de 4 polos operando en regimen de generacion acoplado a la turbina por medio de poleas y una correa de transmision. El flujo de agua hacia a la turbina puede ser variado por medio de la valvula de control CV1 instalada sobre una tuberia de derivacion de 2 pulgadas de diametro. El posicionamiento de la valvula de control se realiza a traves de una senal de corriente 4-20 mA, permitiendo regular la velocidad a la que gira el grupo turbina-generador antes de realizarse la conexion a la red y regular la potencia generada despues de realizarse la conexion a la red electrica.

El agua utilizada para mover el grupo turbina-generador se deposita en el tanque para aguas turbinadas TK-2 y va de regreso al tanque principal TK-1 por medio de una tuberia de retorno de 12 pulgadas de diametro conformando asi un circuito cerrado del agua utilizada durante el proceso.

Adicionalmente sobre la tuberia de presion se encuentra instalada una valvula de alivio PSV ajustada para abrirse al detectar una presion superior a 70 PSI enviando el caudal de sobrepresion a la tuberia de retorno y luego hacia el tanque principal TK-1. La valvula principal HV2 con su respectivo By-Pass (Valvula HV3) son valvulas manuales y por conveniencia se dejan completamente abiertas durante el funcionamiento del sistema.

3. OPERACION DE LA PLANTA SGHE.

En general el sistema de control en una planta de energia hidroelectrica provee una forma de seleccionar el modo de operacion y un medio de arrancar y detener todo el sistema. La intervencion del operario puede solo limitarse a oprimir un solo boton en un modo de operacion totalmente automatico o se puede requerir un alto grado de intervencion del operario en una operacion totalmente manual. Cualquiera que sea el grado de intervencion del operario en el sistema el funcionamiento puede ser dividido en 4 etapas [1] como son: chequeo de condiciones de arranque, inicio de sistemas auxiliares, arranque de la unidad y conexion y finalmente la parada de la unidad.

Dadas las caracteristicas del laboratorio y los equipos que lo conforman algunas de las etapas definidas en el STD IEEE 1010 [1] no pueden ser realizadas en el SGEH. En este caso se han identificado las siguientes etapas en el funcionamiento del sistema SGEH.

Chequeo de condiciones de arranque. En el chequeo de las condiciones iniciales se verifica el estado de determinados elementos y el estado de algunas senales del proceso como por ejemplo la posicion de la valvula CV1 y el nivel de agua en el tanque TK-1. La Tabla 1 contiene el grupo de condiciones iniciales para el arranque del sistema.

Arranque y conexion. Una vez que todas las condiciones iniciales se han cumplido se procede al encendido de la motobomba centrifuga de alta eficiencia, la cual simula la energia potencial del agua con una capacidad de bombeo de hasta 1100 litros por minuto despues de transcurrido el tiempo de cebado. Seguidamente, por medio de la valvula de control CV1 se regula la velocidad del grupo turbina-generador, hasta llevarlo a un valor menor a la velocidad sincronica (1800 rpm) y se realiza entonces la conexion como motor a la red electrica cumpliendose que:

En la conexion del SGEH a la red se debe tener en cuenta la proteccion de los elementos de medicion especialmente del medidor de corriente para evitar danos en este, por el pico de corriente que se presenta cuando el motor de induccion se conecta al sistema electrico.

Operacion. Con el sistema conectado a la red como motor se aumenta la velocidad de la turbina por medio de la valvula CV1 de tal forma que la velocidad mecanica del motor de induccion sea mayor que la velocidad sincronica. Manteniendo la velocidad mecanica por encima de la velocidad sincronica se realizan ajustes en la valvula de control CV1 para alcanzar la potencia deseada y se verifican constantemente parametros electricos tales como la tension, corriente, frecuencia y potencia.

Desconexion. El sistema realiza el proceso inverso a la etapa de arranque, para esto inicialmente se abre gradualmente la valvula CV1 disminuyendo de esta forma la velocidad del grupo turbina-generador hasta que el generador asincrono se encuentre en regimen de motor, luego se abren los contactores del generador y finalmente se abre el contactor de la motobomba llevando todo el sistema a sus condiciones iniciales.

4. AUTOMATIZACION DEL SISTEMA SGEH.

Se ha visto en un principio la operacion de la planta donde se observa que cada accion realizada en las diferentes fases de funcionamiento involucra inicialmente como elemento activo uno o mas operarios en una operacion completamente manual. Con el proposito de ofrecer una plataforma experimental que sirva como apoyo en los procesos de aprendizaje e investigacion en el campo de la generacion hidroelectrica, se implemento la total automatizacion del sistema SGEH en todas su fases de operacion dotando a la planta de todos los elementos de medicion y control apropiados para dicho proposito, ademas de contar con una interfaz hardware/software que permite la operacion del sistema de forma remota a traves de Internet.

La implementacion de una nueva estructura de control basada en controladores programables y elementos de medicion inteligentes facilita el desarrollo de las funciones basicas de control en sistemas de generacion hidroelectrica como lo son: la recoleccion de informacion de los procesos, el control del proceso y el monitoreo de la informacion del proceso y la presentacion de la informacion del proceso.

4.1. Instrumentacion asociada al SGEH

Dentro del SGEH de la Universidad del Valle la recoleccion de la informacion del proceso involucra un conjunto de variables las cuales se han clasificado en mecanicas, hidraulicas y electricas [3].

La recoleccion de la informacion de los procesos se lleva a cabo por medio de equipos de medicion como transmisores inteligentes que garantizan una medida confiable de las diferentes variables del proceso, las cuales se detallan a continuacion.

Para el monitoreo de los niveles del tanque se emplean sensores digitales que utilizan como elemento primario de medicion interruptores magneticos del tipo "reed switch" y usan flotadores para la deteccion de los niveles minimos y maximos.

Para el monitoreo de la presion tanto antes de la valvula de alivio como a la entrada de la turbina se usan transmisores de presion SMAR LD291 [3] los cuales utilizan sensores capacitivos y el transmisor de tipo electronico entrega una salida de 4-20mA con posibilidades de comunicacion mediante el protocolo HART.

El caudal es la variable controlada en el proceso y sus variaciones influyen de manera inmediata en la potencia de salida del sistema. Para la medicion del caudal se tiene el equipo DFM 5.0 de GreyLine [3] el cual es un medidor no invasivo de tipo ultrasonico basado en el efecto doppler, el transmisor es de tipo electronico con salida de 4-20 mA.

Finalmente cuenta con un medidor Lovato DMK 22 [3] el cual esta en la capacidad de medir en conjunto todo el grupo de variables electricas en un sistema trifasico. La salida del dispositivo es serial con una interfaz RS-485 y utiliza el protocolo Modbus para el envio de la informacion obtenida en el sistema.

Tener un registro de la velocidad permite determinar el momento en el que el sistema debe ser conectado a la red electrica. La velocidad es medida con un taco generador RE0444R de la marca Radio Energie [3] el cual consiste en un generador electrico el cual proporciona un voltaje de DC proporcional a la velocidad del grupo turbina generador.

Ademas de los sensores de medicion se necesita un actuador cuya funcion es regular el paso de caudal dependiendo de las necesidades del sistema. El elemento actuador es la valvula electrica TRIAC EMI-300 [3], esta utiliza alimentacion de 220 VAC, senales de control y realimentacion de 4-20mA

Esta valvula proporcional tiene una relacion inversa con la velocidad del sistema turbina-generador, donde a mayor apertura de la valvula se disminuye el caudal hacia el sistema, mientras que al cerrar la valvula, la mayor cantidad de agua fluira hacia la turbina y por tanto aumentara la velocidad del sistema.

4.2. Equipo de control en el SGEH

El equipo encargado de realizar el procesamiento de la informacion entregada por los diferentes elementos de medicion y llevar a cabo el control del proceso es un controlador para la automatizacion programable (PAC) de la serie SNAP PAC R.

El SNAP PAC R1 ademas de contar con todas las funcionalidades de un PLC convencional resulta ser una herramienta flexible ya que esta basado en estandares abiertos con soporte a una gran variedad de protocolos basados en TCP/IP [4] facilitando el intercambio de informacion del proceso con otros sistemas en la red de computo mediante el manejo de bases de datos como MySQL, Microsoft Access y Server SQL utilizando herramientas de software incluidas en el paquete de programacion PAC Project Profesional, posibilitando el acceso a la informacion del controlador desde una aplicacion WEB para la operacion remota del sistema a traves de Internet.

La utilizacion del controlador SNAP PAC R1 proporciona un manejo del sistema de forma local y remota adoptando una arquitectura [5] como la mostrada en la Fig. 2. En el nivel inferior de la figura se muestra el laboratorio SGEH junto con los diferentes instrumentos de medicion y actuadores, luego se presenta el equipo controlador donde se lleva a cabo la estrategia de control para la puesta en marcha del SGEH de forma automatica, semiautomatica o manual [5].

A su vez es el encargado de adquirir y enviar informacion al proceso a traves de sus modulos I/O empleando senales de corriente 4-20mA, voltaje y enlaces de comunicacion serial RS232 y RS485.

Para el monitoreo, supervision y operacion de la informacion proceso se dispone de una estacion central o PC con una interfaz hombre maquina (HMI) desde la cual se ejecuten todas las funcionalidades del sistema SGEH [5], ademas de llevar un registro de las variables medidas en el proceso y una presentacion adecuada de la informacion a traves de graficas de tendencia.

[FIGURA 2 OMITIR]

Informacion de la operacion remota del SGEH via WEB puede ser revisado en [6].

4.3. Estrategia de control en el SNAP PAC R1

La estrategia de control es el programa que se ejecuta en el controlador SNAP PAC R1 el cual permite realizar la operacion del sistema SGEH en los tres modos mencionados. La programacion del dispositivo se realiza mediante diagramas de flujo los cuales pueden controlar o realizar diferentes tareas ejecutandose de forma simultanea.

La estrategia de control para la planta SGEH [5] se encuentra dividida en tres bloques que agrupan los diferentes diagramas de funcionamiento de la estrategia como se muestra en la Fig. 3. Estos bloques son: diagramas de configuracion, diagramas de acceso a la informacion y diagramas de la secuencia de control.

[FIGURA 3 OMITIR]

Los diagramas de configuracion se utilizan para inicializar los parametros para establecer comunicacion con el Multimetro Lovato DMK22 y la pantalla Tactil Panasonic GT32, los cuales utilizan comunicacion serial por enlaces RS485 y RS232 respectivamente.

Por medio de los diagramas de acceso a la informacion se realiza la lectura y escritura de las diferentes variables analogas y digitales del sistema.

Los diagramas de operacion estan relacionados con las secuencias de control de la planta durante los modos de operacion semiautomatico y automatico, ver Fig. 4.

En el modo de operacion automatico todo el proceso desde la secuencia de arranque hasta la secuencia de parada es realizado respondiendo a una sola orden dada por el operario, mientras que en el modo de operacion semiautomatico el programa hace pausas en diferentes etapas del proceso esperando por parte del operador la orden de avanzar a la siguiente etapa. La operacion semiautomatica guia al operador por cada uno de las etapas del proceso de una forma segura, ya que evita que el operador realice una accion inapropiada la cual pueda ocasionar danos al sistema y permite que durante el proceso se pueda pasar del modo semiautomatico al modo automatico y viceversa.

[FIGURA 4 OMITIR]

Finalmente esta el modo de operacion manual en el cual el operario tiene la capacidad de acceder directamente y por separado a cada uno de los elementos del sistema. Este modo de operacion es utilizado solo a nivel interno por personal con un amplio conocimiento del funcionamiento de la planta y tiene como proposito realizar pruebas de laboratorio aisladas que no necesariamente estan sujetas a los procedimientos para la puesta en marcha del sistema tal como se manejan en el modo de operacion automatico y semiautomatico.

[FIGURA 5 OMITIR]

4.4. Interfaz del operador usando PAC display

Haciendo uso de la herramienta de software PAC Display [4] se diseno una interfaz de usuario HMI que permite monitorear, supervisar y operar el SGEH [5] de forma local desde un computador para los tres modos de operacion con los que cuenta el sistema: automatico, semiautomatico y manual. La interfaz permite el control de las secuencias de arranque, conexion, operacion y desconexion de la planta, ademas de realizar el monitoreo de las variables del proceso. La interfaz se encuentra dividida en 5 paneles para la presentacion de la informacion: Principal, Control de secuencias, Medidas, Tendencias y Alarmas.

Tambien se dispone de un Panel de Mando que permite seleccionar cada uno de los modos de operacion del sistema descritos anteriormente

En la Fig. 5 se muestra el panel principal de la interfaz HMI.

5. AGRADECIMIENTOS

El proyecto se desarrollo gracias a la financiacion de la Vicerrectoria de investigaciones de la Universidad del Valle mediante el contrato CI 2243.

6. CONCLUSIONES.

Se cuenta con un sistema automatico de control para la operacion remota de un sistema de generacion de energia hidroelectrica basada en procedimientos y protocolos definidos en estandares de la IEEE como el STD 1010.

Las caracteristicas inherentes al SNAP PAC R1 utilizado en la implementacion de un sistema automatico de control para el SGEH brindan amplias posibilidades de comunicacion permitiendole interactuar con otros sistemas de la red de computadores mediante el intercambio de informacion del proceso en bases de datos como MySQL facilitando el acceso al sistema por via web.

La centralizacion del control y la supervision de la operacion de la planta desde una estacion local (PC) minimiza la intervencion de los usuarios en los procedimientos para la puesta en marcha del sistema y lo deja a punto para la implementacion de una operacion remota.

La modularidad del SGEH hace que puedan integrarse a el diferentes maquinas rotativas como formas de experimentacion y estudio en el campo de la conversion de la energia.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Instituto de Ingenieros Electricistas y Electronicos: IEEE. Guide for control of Hydroelectric Power Plants, STD 1010. New York: IEEE. 2006.

[2] Ortiz F, Ramiro. Pequenas Centrales Hidroelectricas. Mc Graw Hill Interamericana. Colombia.2001.

[3] F. Tapia, F. Gonzalez, Analisis y especificacion de la instrumentacion para implementar la operacion remota de un sistema de generacion de energia hidroelectrica. Tesis de pregrado. Universidad del Valle, Cali-Valle, 2009.

[4] SNAP PAC R-SERIES CONTROLLER USER'S GUIDE [En linea]. Estados Unidos: OPTO 22, 2008. Disponible en Internet http://www.opto22.com/

[5] F. Correa, A. Garcia, Diseno de un sistema automatico de control para la operacion remota de un sistema de generacion de energia hidroelectrica, Tesis de pregrado. Universidad del Valle, Cali Valle, 2010.

[6] C. Cardozo, W. El Helou, A. Bernal, R. Ortiz. Interfaz grafica para la operacion remota de un prototipo de generacion de energia hidroelectrica, Revista El Hombre y la Maquina, Universidad Autonoma de Occidente, ISSN 0121-0777, No. 33,, Ano XXI, Pags. 110-117. Jul.-Dic., 2009.

Ramiro Ortiz (1) * Alvaro Bernal (1) ** Felix Correa (1) Alejandro Garcia (1) Fabio Gonzalez (1) Federman Tapia (1)

(1) Universidad del Valle

* pamupo(a)univalle.edu.co

** alvaro(a)univalle.edu.co

Recibido 03 de Mayo de 2010. Aceptado 15 de Enero de 2011

Received: May 03, 2010 Accepted: January 15, 2011
Tabla 1. Condiciones iniciales de arranque del SGEH.

Condiciones de arranque                      Modulo

Nivel del Tanque Principal                Nivel Maximo
Valvula de Control CV1                Abierta completamente
Valvula esferica HV2                  Abierta completamente
Motor 25 H.P.                             Desconectado
Generador                                 Desconectado
Tension de Fases                        Valores Nominales
Estado Instrumentos de medicion         Operacion normal
Velocidad Grupo Turbina-Generador       Detenido (0 RPM)
Presion Bomba                            Normal (0 PSI)
Presion Turbina                          Normal (0 PSI)

Tabla 2. Variables del SGEH.

Variables    Mecanicas     Velocidad Grupo
                              Turbina-
                              Generador

            Hidraulicas         Nivel
                               Caudal
                            Presion en la
                               tuberia

            Electricas     Potencia Activa
                              Potencia
                              Reactiva
                              Potencia
                              Aparente
                          Voltajes de linea
                            Corrientes de
                                fase
                              Factor de
                              potencia
                             Frecuencia
                              electrica
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Author:Ortiz, Ramiro; Bernal, Alvaro; Correa, Felix; Garcia, Alejandro; Gonzalez, Fabio; Tapia, Federman
Publication:Energia y Computacion
Article Type:Report
Date:Dec 1, 2010
Words:3414
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