FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“Diseño e implementación de un sistema Scada para gestión de energía en la empresa Danper Trujillo SAC – Trujillo - La Libertad”
Tesis para optar el título de:
INGENIERO MECATRÓNICO
AUTOR :
Br. Ramos Díaz, Renato Rómulo ASESOR :
Ms. Ing. Asto Rodríguez, Emerson
TRUJILLO – PERÚ
Marzo 2021
i Para mis padres, Walter y Gladys, por el apoyo y la confianza en todo momento de mi carrera y al terminarla, gracias a ellos soy una persona inculcada en los valores que ellos me trasmitieron.
ii
Agradecimientos
Agradezco a Dios por permitirme llevar a cabo este logro.
A mis padres, por su gran esfuerzo sacrificios para completar mi educación, su atención, cariño y consejos durante todo este tiempo.
A mi asesor Emerson Asto Rodríguez por su apoyo constante e incondicional para el desarrollo de este trabajo durante todo el desarrollo.
A los docentes de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo, por la todos los conocimientos y experiencias que me brindaron a lo largo de estos 5 años de vida universitaria.
A mis compañeros que compartimos muchos momentos durante toda nuestra vida universitaria en la escuela de Ingeniería Mecatrónica UNT.
A los docentes que participan como jurado de la presentación de este trabajo de investigación.
A todos mis amigos, familiares, y todas las personas que nunca dejaron de creer en mi a pesar de las dificultades, y continuaron brindándome apoyo durante este largo y fructífero proceso.
iii
Resumen
Renato Rómulo Ramos Díaz; Emerson Maximo Asto Rodríguez. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA GESTIÓN DE ENERGÍA EN LA EMPRESA DANPER TRUJILLO SAC – TRUJILLO - LA LIBERTAD, 2021, 74 páginas. Tesis para optar el título de Ingeniero Mecatrónico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Trujillo.
En este trabajo se realizó el diseño e implementación de un sistema SCADA para la gestión de energía, previa investigación y recopilación de datos de los consumos energéticos de la empresa Danper Trujillo SAC, como parte se recorrió todas las áreas correspondientes, que utilizan la energía eléctrica como soporte para sus funciones obteniendo data de los indicadores de energía, lo cual se realiza de forma manual en la empresa, este sistema permitirá mediante el sistema SCADA y medidores de energía instalados para las distintas áreas obtener dichos datos en forma remota con la finalidad de obtener una data histórica y luego proceder a plantear las acciones que ayuden a mejorar la productividad y el costo beneficio de la empresa.
El Software del SCADA y todos los componentes adquiridos para el proyecto se consideraron de la marca Schneider Electrics, marca que ya se venía trabajando en la empresa, y teniendo muy buena performance y mayor disponibilidad y confiabilidad de la marca, por tanto, las librerías de los medidores ya están dentro del software SCADA y la interacción entre ellos es muy confiable.
La instalación del sistema SCADA permitió a la empresa verificar y corroborar los datos de consumo de energía de sus diferentes áreas, planteando mejoras de reducción de costos energéticos en facturación, y consumo de energía, de la misma manera al obtener una data histórica y alarmas de eventos programados, así como las corrientes parasitas, de esta manera aumentar el tiempo de vida de los equipos asociados a ellas.
Palabras Claves
Sistema SCADA; medidor de energía; costo energético, productividad.
iv Abstract
Renato Rómulo Ramos Díaz; Emerson Máximo Asto Rodríguez. DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SCADA SYSTEM FOR ENERGY MANAGEMENT IN THE COMPANY DANPER TRUJILLO SAC - TRUJILLO - LA LIBERTAD, 2021, 74 pages. Thesis for the title of Mechatronic Engineer, Faculty of Engineering, National University of Trujillo.
In this work, the design and implementation of a SCADA system for energy management was carried out, after researching and collecting data on energy consumption of the company Danper Trujillo SAC, as part of it, all the corresponding areas were visited, which use electrical energy. As support for its functions, obtaining data from the energy indicators, which is carried out manually in the company, this system will allow, through the SCADA system and energy meters installed for the different areas, to obtain said data remotely in order to Obtain a historical data and then proceed to propose the actions that help to improve the productivity and cost benefit of the company.
The SCADA Software and all the components acquired for the project were considered to be from the Schneider Electrics brand, a brand that had already been working in the company, and having very good performance and greater availability and reliability of the brand, therefore, the libraries of the meters are already within the SCADA software and the interaction between them is very reliable.
The installation of the SCADA system allowed the company to verify and corroborate the energy consumption data of its different areas, proposing improvements to reduce energy costs in billing, and energy consumption, in the same way by obtaining historical data and alarms of scheduled events, as well as parasitic currents, thus increasing the life time of the equipment associated with them.
Kewords
SCADA system; energy meter; energy cost, productivity.
v
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Agradecimientos ... ii
Resumen ... iii
Palabras Claves ... iii
Kewords ... iv
ÍNDICE DE CONTENIDOS ... v
ÍNDICE DE FIGURAS... vii
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. El problema ... 1
1.1.1. Realidad problemática ... 1
1.1.2. Enunciado del problema ... 4
1.2. Antecedentes ... 4
1.3. Hipótesis ... 6
1.4. Objetivos ... 6
1.5. Justificación ... 7
1.5.1. Justificación Teórica ... 7
1.5.2. Justificación Económica ... 7
1.5.3. Justificación Ambiental ... 7
1.5.4. Justificación Tecnológica ... 8
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO ... 9
2.1. Energía Eléctrica ... 9
2.2. Redes de Comunicación: ... 13
2.2.1. Redes de Comunicación Industrial: ... 13
2.2.2. Niveles Jerárquicos en una Red Industrial ... 15
2.2.3. Sistema de Comunicación ... 16
2.2.4. Definiciones Importantes: ... 19
2.2.5. Clasificación y Topología de las Redes Industriales ... 20
2.2.6. Topologías de las Redes... 23
2.2.7. Protocolos de Comunicación ... 25
2.2.8. Modos de Transmisión y Direccionamiento de la Información ... 26
2.3. Sistema SCADA ... 28
2.3.1. Características de un Sistema SCADA ... 29
2.3.2. Componentes de un Sistema SCADA... 30
2.3.3. Software de un Sistema SCADA ... 31
2.4. Software Power Monitoring Expert 8.2 ... 33
2.5. Otros conceptos ... 36
CAPÍTULO III. MÉTODOS Y MATERIALES... 40
3.1. Métodos ... 40
3.1.1. Estado del arte de sistemas SCADA ... 40
3.1.2. Recolectar información técnica de medidores de energía instalados en planta ………41
vi
3.1.3. Evaluación y selección de equipos y materiales. ... 41
3.1.4. Integración de equipos y red de comunicación modbus/ethernet ... 41
3.1.5. Implementación y puesta en marcha del sistema SCADA ... 41
3.1.6. Análisis y muestreo de tablas y resultados ... 41
3.2. Materiales ... 42
CAPÍTULO IV RESULTADOS Y DISCUSIONES ... 44
4.1. Resultados ... 44
4.1.1. Recolectar información técnica y evaluar los medidores de energía instalados en planta ... 44
4.1.2. Verificar el estado de los equipos necesarios para la integración del sistema SCADA ... 45
4.1.3. Integración de equipos y red de comunicación modbus/ethernet ... 47
4.1.4. Implementación y puesta en marcha del sistema SCADA ... 54
4.1.5. Análisis y muestra de datos del SCADA ... 60
4.2. Discusiones... 63
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 65
5.1. Conclusiones ... 65
5.2. Recomendaciones ... 66
Referencias Bibliográficas ... 67
Anexos ... 68
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Circuito eléctrico simplificado. ... 9
Figura 2.2 Diagrama de potencia eléctrica. ... 11
Figura 2.3 Ejemplo de diagrama de carga de día de operación. ... 11
Figura 2.4 Transformador de Corriente de núcleo abierto ... 12
Figura 2.5 Transformador de Voltaje... 13
Figura 2.6 Ejemplo de redes de comunicación industrial ... 14
Figura 2.7 Niveles Jerárquicos de una red industrial ... 15
Figura 2.8 Diagrama básico de un sistema de comunicaciones. ... 17
Figura 2.9 Ejemplo de ancho de banda. ... 19
Figura 2.10 Ejemplo de servidor LAN. ... 21
Figura 2.11 Topologías físicas de red. ... 25
Figura 2.12 Transmisión Simplex ... 27
Figura 2.13 Transmisión Half Duplex ... 27
Figura 2.14 Transmisión Full Duplex ... 27
Figura 2.15 Transmisión Full Half Duplex ... 28
Figura 2.16 Interfaz de comunicación Com´x 510 ... 37
Figura 2.17 Medidor de Energía Serie 5000 ... 38
Figura 2.18 Tablero mural Poliéster ... 38
Figura 3.1 Diagrama de Flujo de la metodología para el desarrollo del proyecto. (Elaboración propia) ... 40
Figura 4.1 Recorrido de tubería desde los medidores hasta el tablero de telemetría de Planta Conserva (Elaboración propia) ... 47
Figura 4.2 Esquema de conexionado de red modbus y ethernet hacia el punto de red Planta conserva Danper Trujillo (Elaboración propia) ... 48
Figura 4.3 Conexión con bus de comunicaciones serie de dispositivos de 2 hilos ... 49
Figura 4.4 Medidor Multifuncional de subestación planta Conserva ... 49
Figura 4.5 Medidor Multifuncional de Planta 01 y Equipos de Frío (Elaboración propia) ... 50
Figura 4.6 Medidor multifuncional de Planta Salsa... 50
Figura 4.7 Medidores Multifuncionales de Planta 02 y Otros consumidores ... 51
Figura 4.8 Medidor Multifuncional de equipos auxiliares ... 51
Figura 4.9 Medidor Multifuncional de Administración ... 52
Figura 4.10 Medidores de energía de Subestación Planta Congelado, cámaras de frio y pozo 05 (Elaboración propia)... 52
Figura 4.11 Tablero de telemetría de Planta Conserva general ubicado en las oficinas del área de mantenimiento. (Elaboración propia) ... 53
Figura 4.12 Parte interna de tablero de telemetría o punto de llegada de cableado modbus (Elaboración propia) ... 54
Figura 4.13 Ingreso de usuario y contraseña en el Software SCADA ... 55
Figura 4.14 Muestra el ingreso de servidores en el Software ... 55
Figura 4.15 La figura muestra los sitios disponibles que ya se enlazaron al SCADA según su ubicación (Elaboración propia) ... 56
Figura 4.16 Dispositivos ingresados en el SCADA con su respectiva zona ... 57
Figura 4.17 La figura muestra la configuración de un dispositivo en serie agregado al SCADA (Elaboración propia) ... 58
Figura 4.18 Creación de pantallas de muestreo de equipos ... 59
Figura 4.19 Reporte de alarmas en sistema SCADA ... 60
viii
Figura 4.0.20 Plantilla de descargas de informes de gestión energética. ... 61
Figura 4.0.21 Plantilla de muestreo de cargas de equipos críticos según la empresa. (Elaboración propia) ... 62
Figura 4.0.22 Plantilla de tendencia de voltaje de equipos críticos. ... 62
Anexo 01 Figura 1: Pantalla Principal de SCADA (vista remota) ... 68
Anexo 01 Figura 2: Pantalla de plantas industriales Danper ... 68
Anexo 01 Figura 3: Pantalla de Diagrama Unifilar de Subestación Conserva 1 ... 69
Anexo 01 Figura 4: Pantalla de Diagrama Unifilar de Subestación Conserva 2 ... 69
Anexo 01 Figura 5: Pantalla de Diagrama Unifilar de Subestación Congelado ... 70
Anexo 01 Figura 6: Pantalla de Ingreso a datos de energía de Fundos de Danper ... 70
Anexo 01 Figura 7: Pantalla de tabla de lectura de datos de los equipos instalados .. 71
Anexo 01 Figura 8: Pantalla de registro de data histórica de equipos en el SCADA . 71 Anexo 01 Figura 9 Pantallas de eventos de registros del sistema... 72
Anexo 01 Figura 10 Indicadores de consumo de energía de plantas (KWH/kg.dw) .. 74
ix ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.0.1 Materiales y equipos a utilizar durante la elaboración del proyecto... 42 Tabla 3.0.2 Recursos a emplear durante la elaboración del proyecto ... 43 Tabla 4.0.1 Lista de medidores de energía de planta Danper (conserva y congelado) (Elaboración propia) ... 44 Tabla 4.0.2 Tabla de selección de marca de equipos (elaboración propia) ... 45 Tabla 4.0.3 Distancias para comunicaciones RS485 de dos hilos (ELECTRICS, 2019) ... 48 Tabla 4.0.4 Tabla de datos del sistema SCADA POWER MONITORING EXPERT 60 Anexo 01 Tabla 1 Tabla de Kg. Drenados de la empresa Danper Trujillo ... 73 Anexo 01 Tabla 2 Tabla de consumo de energía eléctrica de la empresa Danper (kwh) ... 73 Anexo 01 Tabla 3 Tabla de ratios energéticos (Kwh/ Kg. DW) ... 74
x La historia de las ciencias nos demuestra que las teorías son perecederas. Con cada nueva verdad revelada, tenemos una mejor comprensión de la naturaleza y nuestras concepciones, y nuestros puntos de vista, se modifican.
Nicola Tesla, Electromagnetismo
1
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN
1.1. El problema
1.1.1. Realidad problemática
A nivel global, el 98% de la energía se desperdicia por el bajo nivel de eficiencia energética en sectores como: residencial, industrial, transportes, etc. Esto ocasiona un desperdicio excesivo de energía. Según reportes mencionados en publicaciones anuales de los diferentes países de la unión europea, si duplicamos la tasa de productividad energética, del 1,5% actual al 3%, el gasto en combustibles fósiles disminuiría en más de dos billones de euros anuales. (The Lisbon Council, 2015).
Desde la antigüedad, la electricidad se ha convertido en una materia prima importante para la evolución de la humanidad, con los avances tecnológicos, estas tecnologías han ido mejorando desde la corriente continua hasta la corriente alterna, que es utilizada en las industrias de todos los países, además se han ido renovando con las formas de obtener esta energía, hasta el momento, con energía renovable como la energía eléctrica, producida por paneles solares, por procesos térmicos, producidos por el viento (eólicos), en la actualidad la energía eléctrica es lo que preocupa a las empresas a nivel mundial, debido al gasto que esta tienen en las empresas al ser necesaria en su proceso, obteniendo mucha innovación para este ahorro energético, siendo un material de estudio moderno.
La electricidad se emplea como insumo principal en los procesos productivos de la mayor cantidad de actividades económicas del país, así como el sector rural (viviendas). Con el transcurrir de los años la mayor inversión en el sector y el cambio por usos de nuevas fuentes de generación no convencionales han permitido que más de 93% de peruanos cuente con servicio eléctrico en sus hogares. (OSINERGMIN, 2016).
Según reportes de Osinergmin, el consumo nacional de electricidad (incluye el del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional-SEIN, los Sistemas Aislados-SS.
AA., y los autoproductores) creció a una tasa promedio anual de 5.8% entre 1995 y 2015. De esta manera, de los 13 623 GWh de energía consumida en 1995 se pasó a 42 334 GWh en 2015, lo que representa un incremento de más de 200% en dicho
2 periodo. Según el tipo de servicio, el consumo del mercado eléctrico (conformado por el SEIN y los SS.AA.) se incrementó 304%, al pasar de 9849 GWh en 1995 a 39 775 GWh en 2015; mientras que el consumo de los autoproductores se redujo 32%, al pasar de 3774 GWh en 1995 a 2559 GWh en 2015. (OSINERGMIN, 2016).
El aumento de consumo de energía eléctrica en el Perú ha generado cambios y muchas inversiones en este sector en los últimos 20 años, como lo indica osinergmin en sus reportes, con la entrada en operación de nuevas centrales de generación, como por ejemplo las centrales térmicas de Chilca 1 (2006), Kallpa (2007), Las Flores (2010), Santo Domingo de los Olleros (2013), Chilca (2014) y Puerto Bravo (2016).
Por el lado de las hidroeléctricas han ingresado El Platanal (2010), Huanza (2014), Macchupicchu (2015), Cheves (2015), Santa Teresa (2015) y Quitaracsa (2015), entre las de mayor capacidad instalada. (OSINERGMIN, 2016).
La producción de electricidad a nivel nacional de las centrales eléctricas se incrementado en la zona centro del Perú en los últimos 10 años, como se indica en osinergmin; en el año 2005, la participación de la zona centro en la producción nacional era 70%, el sur 17%, el norte 7% y el oriente 7%, mientras que para 2010, la participación de la zona centro era 78% y en las otras zonas se había reducido.
Para 2015, la tendencia se mantuvo, ya que la participación de la zona centro se incrementó 83% puntos porcentuales y se redujo en las zonas sur y norte del país.
(OSINERGMIN, 2016), esto se debe a la demanda de energía a nivel de las industrias centralizadas en la capital.
La Región La Libertad líder en el ranking nacional de agroindustria, a causa de las inversiones hechas por el Estado peruano con las obras civiles e hidráulicas, en el proyecto especial Chavimochic. Se le considera como la primera región productora de espárragos, pimiento del piquillo, alcachofas y arándanos. (Libertad, 2018).
Según reportes por el gobierno regional de La Libertad, las agroexportaciones pasaron de US$ 45 millones en el año 2000 a más US$ 600 millones en el 2015.
Esto se debe a los diversos climas que se tienen en el valle liberteño, que permiten la siembra y cosecha durante distintos periodos del año, permitiendo una alta producción y trayendo como consecuencia diversos beneficios a los pueblos de
3 Chao, Virú, la ciudad de Trujillo y sus distritos (Libertad, 2018), entre estas empresas se encuentra Danper Trujillo SAC como una de las principales fuentes de estas exportaciones.
La empresa Danper Trujillo S.A.C la cual es una Joint Venture de capitales peruanos y daneses con más de 20 años de experiencia exitosa en la agroindustria, con más de 6,500 colaboradores y 7,000 hectáreas cultivadas tanto en la costa norte y sur, como en la sierra central y sur del Perú (Danper, 2018). Se encarga del cultivo, producción y exportación de hortalizas finas, frutas, súper granos y productos gourmet, contando con cuatro tipos de procesos: conservas, frescos, congelados y granos secos, tiene un consumo anual de energía eléctrica de 26,000 MWH aproximadamente (Distriluz, 2018) , entre sus diversas zonas como son Trujillo, Viru, Salaverry, Chepén, Olmos y Arequipa, de aquí la necesidad de tener los consumos de energía de todas sus zonas de manera actualizada.
Actualmente la empresa Danper Trujillo SAC registra las lecturas de energía eléctrica de forma manual, con un intervalo de tiempo diario, semanal o mensual en las diferentes zonas lejanas a la planta central, esta forma de lectura no es de ayuda para la gestión de sus indicadores de energía y visualizar el estado de sus equipos en caso de una emergencia o corte de energía, este tiempo perdido en identificar el problema, o el tiempo en reportar estos acontecimiento son pérdidas económicas para la empresa por parada de producción, de sus distintos procesos y falta de riego a sus campos, estos cortes de energía o fallas en la red eléctrica causan deterioro de sus equipos electrónicos como variadores de frecuencia, arrancadores electrónicos , Ups, y Computadoras.
La empresa Danper Trujillo SAC, busca tener un monitoreo y operación de sus equipos de medición de energía, variadores de frecuencia, arrancadores electrónicos, de tal manera que pueda gestionar los consumos de energía activa, energía reactiva, potencia, voltajes, corrientes, factor de potencia, armónicos de corriente y armónicos de voltaje, así como otro parámetros que afecten la calidad de energía de sus diferentes zonas de producción y cultivo de materia prima, con la finalidad de mejorar su producción y evitar las pérdidas económicas por paradas de equipos o líneas de producción. Por tal motivo, esta investigación titulada “Diseño e
4 implementación de un sistema SCADA para gestión de energía en la empresa Danper Trujillo SAC – Trujillo - La Libertad” pretende satisfacer tal necesidad.
1.1.2. Enunciado del problema
¿Como monitorear los datos de consumo energético de los distintos procesos de la empresa Danper Trujillo SAC?
1.2. Antecedentes
Se detalla a continuación una serie de información recopilada a través de internet de proyectos anteriores relacionados con el proyecto de investigación:
(Cornejo P. A., 2011) en su tesis “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
PLATAFORMA SCADA PARA SISTEMA DE ELECTRIFICACIÓN
SUSTENTABLE EN LA LOCALIDAD DE HUATACONDO”, desarrollada por Pablo Andrés Weber Cornejo para optar al título de Ingeniero Civil Electricista.
Su objetivo es implementar una plataforma de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) aplicada a la “micro-red GeVi” del poblado de Huatacondo, que permita operar el sistema eléctrico de forma eficiente aprovechando los recursos distribuidos con que cuenta la localidad. Se propone una arquitectura de hardware basada en un sistema SCADA tradicional que incorpora elementos particulares de una micro-red, tales como medidores de consumo inteligentes y dispositivos inalámbricos especializados en el control de la demanda de los usuarios. Adicionalmente, se extiende su diseño para lograr control y monitoreo remoto desde cualquier lugar mediante el uso de internet.
Como resultado de este trabajo se obtiene el diseño e implementación de una plataforma SCADA que cumple con los requerimientos funcionales del sistema de coordinación y permite el desarrollo de una micro-red inteligente gracias al control y monitoreo de: las unidades de generación distribuida, los elementos de la red de distribución y la demanda eléctrica de los pobladores.
5 Se concluye, además que, a partir de la operación de la plataforma implementada, que la información que se logre recoger del funcionamiento de la microred, entregará nuevos antecedentes y permitirá ser un aporte para el desarrollo de la normativa técnica respecto de la conexión en baja tensión de generación distribuida.
(Tapia, Febrero, 2012) en su tesis “IMPLEMENTACIÓN DE LA SUBESTACIÓN VILCABAMBA AL SISTEMA SCADA DE LA EMPRESA ELECTRICA REGIONAL DEL SUR S.A., SEGUNDA ETAPA, LOJA, 2011”
desarrollada por Sofía Cárdenas Tapia y Paulina Moreno Gutiérrez para optar al título de ingeniero electrónico de la Universidad Politécnica Salesiana.
Como objetivos tiene la implementación de la unidad terminal remota (RTU) en la subestación de Vilcabamba para su implementación en el sistema SCADA de la EERSA.
Como conclusiones de este trabajo se tiene que la instalación y montaje de la RTU en la subestación Vilcabamba por AUTOTROL fue la base para realizar la implementación al sistema SCADA de la EERSA. Así se hicieron las pruebas desde la estación con el centro de control y viceversa para determinar el buen funcionamiento del sistema.
(Bardales, 2015) en su tesis “GESTIÓN ENERGÉTICA SOSTENIBLE DE EDIFICIOS UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE MEDIDA Y VERIFICACIÓN – ESTUDIO DE CASO” desarrollada por Katheryne Lizbeth Nuñez Bardales para optar por el título de ingeniero mecánico electricista en la Universidad Nacional de Ingeniería.
Como objetivos tienen:
• Demostrar la relevancia del consumo energético del Sector Edificación a nivel mundial y nacional.
• Investigar sobre las herramientas de Medida & Verificación y su aplicación en la gestión energética de edificios.
6 Las conclusiones de este trabajo son:
• Desde el punto de vista energético, el Perú no cuenta con una caracterización detallada de los diversos sistemas consumidores de energía al interior de los edificios.
• El crecimiento económico experimentado por el Perú, en los últimos 10 años, presenta una tendencia exponencial; y el consumo energético, uno de los pilares de la bonanza económica peruana, presenta un incremento perfectamente acoplado con el Producto Interior Bruto. Sin embargo, de acuerdo con la literatura internacional, existen evidencias de que la gestión energética es una de las herramientas que conducen a desacoplar el crecimiento económico del energético, buscando un crecimiento sostenible.
1.3. Hipótesis
El diseño e implementación de un sistema Scada Power Monitoring Express 8.2 permitirá gestionar el consumo de energía eléctrica en tiempo real de la empresa Danper Trujillo SAC – Trujillo - La Libertad.
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo General
Implementar un sistema de gestión de energía en tiempo real mediante Software SCADA Power Monitoring Express 8.2 para la empresa Danper.
1.4.2. Objetivos específicos
• Recolectar información técnica y evaluar los medidores de energía instalados en planta.
• Verificar el estado de los equipos necesarios para la integración del sistema SCADA.
• Integración de equipos y red de comunicación modbus/ethernet.
• Implementación y puesta en marcha del sistema SCADA.
7
• Análisis y muestreo de datos del sistema SCADA.
1.5. Justificación
1.5.1. Justificación Teórica
La implementación del software de energía eléctrica permitirá obtener datos de corrientes de consumo, potencias reactivas, armónicos de corriente y de tensión, flicker, calidad del voltaje, fallas en la red, así como los consumos de energía por procesos y los reportes de estos datos de manera sistémica y automático, para optimizar los procesos de mayor consumo de energía y la mala calidad de energía en la empresa Danper.
1.5.2. Justificación Económica
La energía eléctrica es una de las principales fuentes de ahorro a nivel mundial, los consumos de energía eléctrica se elevan todos los años, por lo que su precio se eleva de la misma manera, tener los datos de consumo eléctrico en tiempo real y por zonas es un paso hacia el futuro, la reducción de potencias en horas punta (18:00 a 23:00 horas) y de energía reactiva reducen las facturaciones en aproximadamente en un 20% de su costo total.
Las pérdidas económicas por no procesar materia prima por cortes de energía, por fallas de componentes electrónicos o electromecánicos, por deterioro de equipos en una empresa de alimentos como Danper ascienden a millones y pérdida de clientes potenciales a nivel nacional e internacional.
1.5.3. Justificación Ambiental
Como parte del proceso de cuidado ambiental, y consumo de energía renovable es una base para las normativas ambientales a nivel mundial, como parte del proceso de introducción hacia esos estándares internacionales, lo primero que se tiene que hacer es tener datos que estudiar y para eso es necesario recolectar esa información de todo el consumo de energía eléctrica de la empresa y sus procesos de producción según temporadas y materia prima.
8 1.5.4. Justificación Tecnológica
El presente proyecto será un paso tecnológico en la automatización, control y monitoreo, debido a que se estarán utilizando tecnologías de alto nivel, dejando atrás las tomas de lecturas manuales y errantes en algunos casos. Este proyecto será de base para la implementación de un futuro control de equipos a distancia utilizando comunicación inalámbrica u otras tecnologías de mayor alcance en la empresa Danper y extensible a otras empresas del sector.
9
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO
2.1. Energía Eléctrica
La energía eléctrica está definida como el movimiento de electrones que se trasladan por un conductor eléctrico durante un determinado periodo. La fuerza física o presión que induce este movimiento se denomina voltaje y su unidad de medida es el voltio (V), mientras que la tasa a la cual fluyen los electrones se llama intensidad de corriente, cuya unidad de medida es el amperio (A). Con el objetivo de contextualizar estos conceptos, diversos autores han establecido una analogía entre el flujo de electrones en un circuito eléctrico y el flujo de agua en una tubería.
El conductor eléctrico sería análogo a la tubería por la que fluye el agua; el voltaje puede interpretarse como la presión que empuja el agua vía la tubería; y la corriente eléctrica equivaldría a la tasa a la cual fluye el agua (expresada en litros por segundo) como se muestra en la figura 2.1 (OSINERGMIN, 2016)
• Corriente Eléctrica: La corriente eléctrica se define como el desplazamiento de electrones a través de un material conductor. El sentido de desplazamiento de los electrones es siempre desde el material cargado negativamente hacia el positivo. Este movimiento de electrones a través del circuito es lo que se llama corriente eléctrica. Su unidad es el amperio (A).
Figura 2.1 Circuito eléctrico simplificado.
(OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.1.- Diagrama de potencia eléctrica.Figura 2.2.- Circuito eléctrico simplificado.
(OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.3.- Diagrama de potencia eléctrica.
10
• Corriente Alterna: Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinusoidal.
• Potencia Eléctrica: Se define al producto de la diferencia de potencial o voltaje aplicado (V) por la intensidad de corriente (I). Siempre que el voltaje provoca movimiento de electrones, se realiza un trabajo al desplazar los electrones de un punto a otro. La rapidez con la que se realiza se denomina como (Potencia Eléctrica). Su unidad es el watio (W), que es la cantidad de coulomb de electrones que pasan por un punto por un segundo. (Cabascango, Marzo, 2013).
• Potencia Activa: Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo.
Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos.
• Potencia reactiva: Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que hacen uso del efecto de un campo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la generación del campo magnético. Esta potencia reactiva corresponde a la potencia reactiva estando 90° desfasada de la potencia activa. Ya vimos que esta potencia es expresada en volts-amperes reactivos (VAR).
• Potencia Aparente: El producto de la corriente y el voltaje es llamado potencia aparente, es también la resultante de la suma de los vectores gráficos de la potencia activa y potencia reactiva, como se muestra en la figura 2.2 (Harper, 1989).
11
• Demanda Eléctrica: La demanda eléctrica se caracteriza por registrar un comportamiento variable durante el día. Al esquema que muestra esta particularidad se le denomina curva o diagrama de carga, el cual permite la identificación de periodos de alta o baja demanda denominados horas punta y horas fuera de punta, respectivamente.
La figura 2.3 muestra los diagramas de carga y de duración durante un periodo temporal de 24 horas. La curva de carga evidencia que entre las 18 horas y las 23 horas se registró la máxima demanda del día en este sistema, mientras que la curva de duración permite conocer que alrededor de un tercio del periodo de análisis, la demanda eléctrica superó la demanda promedio histórica
Figura 2.3 Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.
(OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.53 Transformador de Corriente de núcleo abiertoFigura 2.54.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.
Fuente: (OSINERGMIN, 2016) Figura 2.2 Diagrama de potencia eléctrica.
(Harper, 1989)
Figura 2.27.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.Figura 2.28.- Diagrama de potencia eléctrica.
Fuente: (Harper, 1989)
Figura 2.29.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.
Fuente: (OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.30 Transformador de Corriente de núcleo abiertoFigura 2.31.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.Figura 2.32.- Diagrama de
potencia eléctrica.
Fuente: (Harper, 1989)
Figura 2.33.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.Figura 2.34.- Diagrama de potencia eléctrica.
Fuente: (Harper, 1989)
Figura 2.35.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.
Fuente: (OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.36 Transformador de Corriente de núcleo abiertoFigura 2.37.- Ejemplo de diagrama de carga de día de operación.
Fuente: (OSINERGMIN, 2016)
Figura 2.38 Transformador de Corriente de núcleo abierto Fuente: (ELECTRICS, 2019).
12
• Transformador de Corriente: Para la medición de altas corrientes se necesita la conexión de un transformador de corriente (CT), el cual reduce la magnitud de la corriente en el circuito de manera considerable para que estos valores sean manejables por la etapa de acondicionamiento de la señal.
Los transformadores de corriente pueden ser de un núcleo dividido (abierto) como se muestra en la figura 2.4 o núcleo solido (cerrado). Los transformadores de corriente usan la inductancia para medir la corriente, de esta forma el circuito debe pasar al menos una vez por el sensor. Cuando se instala los CTs de núcleo dividido en un circuito existente son vistos con mayores ventajas ya que pueden ser abiertos y puestos alrededor de los cables instalados sin tener que interrumpir el circuito.
• Transformador de Voltaje: Los bornes de los transformadores de medida de voltaje se caracterizan con U y V en el primario y con u y v en el secundario.
Como el aparato de medida conectado al secundario representa una carga despreciable para el transformador, podemos considerar que éste funciona prácticamente en vacío (circuito abierto). Para que las pérdidas sean las menores posibles se devanan los bobinados uno encima de otro. Sin embargo, esto implica que presenten un voltaje de cortocircuito muy pequeño, o sea que en caso de fallo (por ejemplo, cortocircuito del secundario) circularán corrientes muy intensas que podrán dañar el
Figura 2.4 Transformador de Corriente de núcleo abierto (ELECTRICS, 2019).
13 transformador. Sus datos característicos más importantes son: El voltaje nominal del primario, voltaje nominal del secundario. Los voltajes en serie entre espiras de prueba del bobinado, que indican para que voltajes están dimensionados el aislamiento del transformador.
2.2. Redes de Comunicación:
2.2.1. Redes de Comunicación Industrial:
Una red de comunicación industrial se puede definir como una red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión).
Otra definición corresponde a un sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y está constituido por protocolos capaces de gestionar estas restricciones.
Figura 2.5 Transformador de Voltaje (OSINERGMIN, 2016)
14 Entre las ventajas que se tienen al constituirse una red de comunicaciones en un ambiente industrial se tienen:
• Visualización y supervisión de todo el proceso productivo.
• Toma de datos del proceso de una manera más rápida o instantánea.
• Mejora del rendimiento general de todo el proceso.
• Posibilidad de intercambio de datos entre sectores del proceso y entre departamentos.
• Programación a distancia, sin necesidad de estar al pie de fábrica.
• Facilidad de comunicación Hombre-Máquina.
• Control de calidad, gestión y estadística.
• Cambios de adaptarse a la evolución y diversificación de los productos.
• Posibilidad de lenguajes de alto nivel facilitando integración de información.
Figura 2.6 Ejemplo de redes de comunicación industrial (CAUCA, 2016)
15 2.2.2. Niveles Jerárquicos en una Red Industrial
Dadas las características de los equipos que conforman el ambiente de las industrias, existen varios niveles de procesamiento que difieren de acuerdo con los requerimientos de los datos a procesar, constituyéndose la estructura jerárquica que los niveles que se muestra en la figura 2.7.
En los niveles superiores se tiene el nivel administrativo de la organización, en la cual se tienen computadores manejando datos en volúmenes de megabytes, pero su tiempo de respuesta en el intercambio de la información no es crítico, contándose con periodos de respuesta que van desde minutos, horas o días.
En los niveles bajos de la pirámide se encuentran los equipos de instrumentación industrial que, aunque transfieren poco volumen de datos (pocos bytes), el tiempo de respuesta esperado se encuentra en el orden de unos pocos microsegundos.
Los niveles que conforman la jerarquía de las redes industriales corresponden a:
Figura 2.7 Niveles Jerárquicos de una red industrial (CAUCA, 2016)
16
• Nivel de Gestión. Es el nivel más elevado y se encarga de integrar todos los niveles en una estructura de fábrica e incluso de múltiples fábricas. Los equipos aquí conectados suelen ser estaciones de trabajo que hacen de puente entre el proceso productivo y el área de gestión. A este nivel se emplea una red de tipo LAN (Local Area Network) o WAN (Wide Area Network).
• Nivel de Control: Nivel intermedio que enlaza y dirige las distintas zonas de trabajo con autómatas de gama alta y PC dedicados a diseño, control de calidad, programación, etc. Se suele emplear una red de tipo LAN.
• Nivel de Campo y Proceso: Integra pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores, de E/S, controladores PID, etc.) dentro de sub- redes. En este nivel se emplean los buses de campo siendo muy importante que la información sea transferida dentro de los intervalos de tiempo requeridos por el proceso industrial para así cumplir con los requerimientos de tiempo real.
• Nivel de entradas / salidas: Es el nivel más próximo al proceso, haciendo referencia a las interconexiones entre los sensores y actuadores que se encargan de realizar la adquisición de los datos del proceso.
2.2.3. Sistema de Comunicación
La comunicación es definida como un procedimiento mediante el cual se transfiere la información originada por un elemento denominado Transmisor a otro elemento o equipo denominado Receptor a través de una serie de mecanismos y elementos que hacen posible el transporte de la información sin que esta sufra alteraciones o cambios en su contenido y que permita ser interpretada con el mismo significado que fue originada.
17 Un sistema de comunicación se puede representar como el diagrama que se muestra en la figura 2.8.
• Transmisor. Es el equipo o elemento encargado de entregar y adaptar el mensaje al medio de transmisión, por tanto, recibe el nombre de Modulador si la fuente de información es Analógica y Codificador si la fuente de información es Digital. Las funciones del transmisor son:
➢ Adaptar el mensaje al Medio de Transmisión: Modular o Codificar.
➢ Colocar el mensaje de forma que sea inmune a las contaminaciones del medio de Transmisión.
➢ Multiplexar varias fuentes de Información por el mismo canal.
• Medio de Transmisión. Corresponde a la conexión eléctrica entre el Transmisor y el Receptor sin importar la distancia entre ellos, aunque siempre están presentes las contaminaciones afectando la señal, las cuales dependen del medio físico, de la frecuencia y de la distancia. Sin tener en cuenta el medio de transmisión estos se caracterizan por la Atenuación (disminución progresiva de la potencia al aumentar la distancia).
Figura 2.8 Diagrama básico de un sistema de comunicaciones.
(RUBEN, 2011)
18 Este medio de transmisión puede ser un sistema cableado (cable coaxial, cable de cobre o una fibra óptica, entre otros) o un sistema no cableado a través de ondas de radio.
• Receptor. Es el equipo o elemento que se encarga de extraer la señal deseada del canal y enviarla hacia el transductor de salida. Las funciones del receptor son: Amplificación o Regeneración de la débil señal entregada a través del medio de Transmisión. Extraer el mensaje de la señal recibida:
Demodulación o Decodificación. Los componentes típicos de un receptor son: Circuitos sintonizados, filtros, demoduladores y amplificadores.
En un sistema de comunicaciones siempre están presentes señales que afectan la señal que es transportada sobre el medio de transmisión, las cuales producen que el mensaje recibido no sea exactamente igual al transmitido.
Estas señales se denominan Contaminaciones y el objetivo es reducir su incidencia ya que son imposibles de eliminar.
A continuación, se explican los diferentes tipos de contaminaciones presentes en un medio de transmisión:
➢ Distorsión: Es la alteración de la señal debida a una respuesta imperfecta del sistema.
➢ Interferencias: Es la contaminación por señales extrañas, generalmente artificiales y de forma similar a la señal original. La interferencia puede ser Constructiva cuando las señales externas se encuentran en fase con la señal de mensaje transmitido o Destructiva si las señales están en contratase con el mensaje.
➢ Ruido: Señales aleatorias de tipo eléctrico originadas en forma natural dentro o fuera del sistema y que deterioran parcial o totalmente la información útil que se esté enviando. Este tipo de contaminación no puede ser completamente eliminada y la reducción de su incidencia sobre el
19 mensaje permite clasificar la calidad en los diferentes sistemas de comunicaciones.
2.2.4. Definiciones Importantes:
• Ancho De Banda. Rango de frecuencias requerida para propagar la información de la fuente a través del sistema, el cual debe ser lo suficientemente grande para que pasen todas las frecuencias significativas de la información.
• Capacidad De Información. Es la medida de cuanta información de la fuente puede ser Transmitida por el sistema en un periodo de tiempo dado, siendo función del Ancho de Banda (BW) y del tiempo de Transmisión:
I α BW⋅Tiempo de Transmisión.
• Retardo. Tiempo que tarda la información en viajar desde el transmisor al receptor, el cual depende del medio de transmisión y la distancia de separación entre los equipos.
Figura 2.9 Ejemplo de ancho de banda.
(Rubio, 2016)
20
• Bits por Segundo (bps) Medida de la velocidad de transmisión de datos en un canal de comunicaciones y se refiere a la capacidad de la red.
2.2.5. Clasificación y Topología de las Redes Industriales
Las redes industriales pueden ser clasificadas a partir de diferentes parámetros, a continuación, se presentan tres (3) tipos de clasificaciones.
a) De acuerdo con la Apertura de la Red Las redes pueden ser cerradas o propietarias a las cuales sólo se pueden acoplar los equipos de un determinado fabricante, aunque sus principios de funcionamiento sean muy parecidos, no se permiten la interconexión de éstos. Las redes abiertas, permiten la conexión de cualquier tipo de participante de diferentes fabricantes en la misma red, debido a que su desarrollo se realiza a partir de normas internacionales completamente conocidas por todos los fabricantes.
b) De acuerdo con su Localización De acuerdo con su localización y extensión geográfica, las redes presentan la siguiente clasificación:
➢ Red de Área Local – LAN
Las redes de área local (LAN) se componen de computadores, tarjetas de interfaz de red, medios de networking, dispositivos de control del tráfico de red y dispositivos periféricos. Las LAN hacen posible que las empresas que utilizan tecnología informática compartan de forma eficiente elementos tales como archivos e impresoras, y permiten la comunicación, por ejemplo, a través del correo electrónico. Unen entre sí: datos, comunicaciones, servidores de computador y de archivo.
21 Las redes de comunicación en la automatización pueden ser consideradas como redes LAN.
➢ Red de Área Amplia – WAN
A medida que el uso de los computadores en las empresas aumentaba, pronto resultó que las LAN ya no eran suficientes. En un sistema LAN, cada departamento, o empresa, era una especie de isla electrónica. Lo que se necesitaba era una forma de transferir información de manera eficiente y rápida de una empresa a otra.
➢ WAN Red de área extensa (WAN “World Area Network”)
La solución surgió con la creación de las redes de área amplia (WAN).
Las WAN interconectan las LAN, que a su vez proporcionaban acceso a los computadores o a los servidores de archivos ubicados en otros lugares. Como las WAN conectan redes de usuarios dentro de un área geográfica extensa, éstas permiten que las empresas se comuniquen entre sí a través de grandes distancias. Como resultado de la interconexión de los computadores, impresoras y otros dispositivos en una WAN, las empresas pudieron
Figura 2.10 Ejemplo de servidor LAN.
(Johan, 2016)
22 comunicarse entre sí, compartir información y recursos, y tener acceso a Internet.
Las WAN están diseñadas para: Operar en áreas geográficas extensas.
Permitir el acceso a través de interfaces seriales que operan a velocidades reducidas. Suministrar conectividad continua y parcial. Conectar dispositivos separados por grandes distancias, e incluso a nivel mundo.
c) De acuerdo con su tamaño
• Bus de Campo o Fieldbus Red local industrial: que conecta dispositivos de campo con equipos que soportan procesos de aplicación con necesidad de acceder a estos dispositivos. Equipos conectados: Dispositivos de campo: captadores, actuadores, Elementos HMI. Equipos que soportan procesos de aplicación:
controladores (PLC, CPU de DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI.
• Red de celda o red intermediaria: Conecta entre sí los equipos de comando y control pertenecientes a un islote de producción. Equipos conectados: controladores.
• Red de sala de comando: Transmite al operador los datos necesarios para conducir el proceso y al proceso los cambios de consigna, parámetros, etc. emitidos por el operador. Equipos conectados: PLC, DCS, Robots, CN con sistemas de supervisión.
• Red de fábrica: Interconecta todos los sectores y servicios de una fábrica: líneas de producción, almacén, control de calidad, servicios generales, ingeniería. Equipos conectados: computadoras.
• Red de larga distancia: Conecta puntos de producción con sistemas de supervisión y control. Es el núcleo de sistemas SCADA. Equipos conectados: RTU’s, PC’s, Computadoras.
23 2.2.6. Topologías de las Redes
La topología de una red de comunicación define la forma de distribución del cable que interconectará los diferentes dispositivos, teniendo en cuenta factores de:
• La distribución de los equipos a interconectar.
• El tipo de aplicaciones que se van a ejecutar.
• La inversión que se quiere hacer.
• Costos de mantenimiento y actualización de la red.
• El tráfico que va a soportar la red local.
• La capacidad de expansión: Escalabilidad.
La definición de topología puede dividirse en dos partes. La topología física, que es la disposición real de los cables (los medios) y la topología lógica, que define la forma en que los dispositivos acceden a los medios.
a) La topología física
Las topologías físicas que se utilizan comúnmente son de bus, de anillo, en estrella, en estrella extendida, jerárquica y en malla.
➢ La topología de bus utiliza un único segmento backbone (longitud del cable) al que todos los dispositivos se conectan de forma directa.
➢ La topología de anillo conecta un dispositivo con el siguiente y al último dispositivo con el primero. Esto crea un anillo físico unido por el medio de transmisión.
➢ La topología en estrella conecta todos los cables con un punto central de concentración. Por lo general, este punto es un hub o un switch.
24
➢ La topología en estrella extendida se desarrolla a partir de la topología en estrella. Esta topología conecta estrellas individuales conectando los hubs/switches. Esto permite extender la longitud y el tamaño de la red.
➢ La topología jerárquica se desarrolla de forma similar a la topología en estrella extendida, pero en lugar de conectar los hubs/switches entre sí, el sistema se conecta con un computador que controla el tráfico de la topología.
➢ La topología en malla se utiliza cuando no puede existir absolutamente ninguna interrupción en las comunicaciones, por ejemplo, en los sistemas de control de una central nuclear. De modo que, como puede observar en la figura 2.11, cada dispositivo tiene sus propias conexiones con los demás dispositivos. Esto también se refleja en el diseño de la Internet, que tiene múltiples rutas hacia cualquier ubicación. (FERNANDEZ, 2012)
b) Topología lógica
La topología lógica de una red es la forma en que los dispositivos se comunican a través del medio. Los dos tipos más comunes de topologías lógicas son broadcast y transmisión de tokens.
➢ La topología broadcast simplemente significa que cada dispositivo envía sus datos hacia todos los demás dispositivos del medio de red. Las estaciones no siguen ningún orden para utilizar la red, el orden es el primero que entra, el primero que se sirve. Esta es la forma en que funciona Ethernet.
➢ El segundo tipo es transmisión de tokens. La transmisión de tokens controla el acceso a la red mediante la transmisión de un token electrónico a cada
25 dispositivo de forma secuencial. Cuando un dispositivo recibe el token, eso significa que el dispositivo puede enviar datos a través de la red. Si el dispositivo no tiene ningún dato para enviar, transmite el token al siguiente dispositivo y el proceso se repite.
2.2.7. Protocolos de Comunicación
Un protocolo es una descripción formal de un conjunto de reglas y convenciones que gobiernan un particular aspecto de cómo los equipos en una red se comunican. Determinan el formato, la sincronización, la secuencia y el control de errores en la comunicación de datos.
Las funciones que realizan los protocolos son:
• Establecimiento y finalización de la comunicación. Indicación, aviso y acuerdo entre ambas partes del comienzo y finalización de la comunicación.
• Sincronización de la conversación. Comienzo y fin de cada bloque de información (sincronización a nivel de bloques o de tramas), de las palabras
Figura 2.11 Topologías físicas de red.
(Romero, 2007)
26 (sincronización de palabras o bytes) y momentos en que se transmiten y deben recibirse o leerse cada bit (sincronización a nivel de bit).
• Control de flujo. Indicación de la disponibilidad o no de cada uno de los participantes en la comunicación.
• Detección de errores. Posibilidad por parte del receptor de comprobar que la información recibida es correcta y libre de errores.
• Recuperación de errores. Posibilidad de recuperar aquellos errores producidos en la fase de la comunicación.
Hay que tener en cuenta ciertas consideraciones para el establecimiento y buen funcionamiento de un protocolo.
• Forma de direccionamiento.
• Comunicación: Simplex, Halfduplex, Duplex.
• Detección y corrección de errores.
• Orden de los paquetes.
• Emisor rápido no sature a un Receptor lento.
• Congestión.
• Paquetes de tamaño variable o fijo.
• Multiplexación y demultiplexación.
• Enrutamiento.
2.2.8. Modos de Transmisión y Direccionamiento de la Información
Básicamente existen cuatro modos de transmisión para los circuitos de comunicaciones, los cuales se explican a continuación:
27 a) Simplex La transmisión de información solo se puede realizar en una dirección. Se conocen como líneas sólo para recibir, solo para transmitir o de un solo sentido.
b) Half Duplex o Semiduplex La transmisión de información es posible en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo, utilizando el mismo medio.
c) Full Duplex Es posible realizar la transmisión de información en cualquier sentido simultáneamente, pero deben ser entre las mismas dos estaciones.
Presenta una velocidad menor que el semiduplex y en su uso debe tenerse en cuenta el requerimiento de ancho de banda.
Figura 2.12 Transmisión Simplex (CAUCA, 2016)
Figura 2.13 Transmisión Half Duplex (CAUCA, 2016)
Figura 2.14 Transmisión Full Duplex (CAUCA, 2016)
28 d) Full/FullHalf Duplex La transmisión de información es posible en ambas direcciones al mismo tiempo, pero no entre las mismas estaciones (es decir, una estación está transmitiendo a una segunda estación y recibiendo de una tercera estación).
Figura 2.15 Transmisión Full Half Duplex (CAUCA, 2016)
2.3. Sistema SCADA
El término SCADA es el acrónimo de “Supervisory Control and Data Acquisition” y se refiere a la combinación de telemetría y adquisición de datos.
Abarca la recolección de información a través de unidades terminales remotas (o RTU por sus siglas en inglés) transfiriéndola a una unidad central que la procesa y analiza para ser desplegada en pantalla a un operador y/o tomar acciones de control requeridas.
Al proveer la gestión en tiempo real de los datos en un proceso productivo, es que los sistemas SCADA hacen posible la implementación de paradigmas de control más eficientes, mejorar la seguridad de las plantas y reducir los costos de operación.
(Cornejo P. A., 2011).
En la actualidad, los sistemas SCADA utilizan “dispositivos electrónicos inteligentes” (o IED por sus siglas en inglés). Estos equipos, en general, son sensores con capacidades similares a la de los PLC y pueden conectarse directamente a la unidad central del SCADA. Pueden adquirir datos, comunicarse con otros dispositivos y ejecutar pequeñas rutinas de programación. Típicamente un IED cuenta con entradas y salidas análogas, entradas y salidas digitales, capacidad de procesamiento y memoria, sistema de comunicación y control PID (Cornejo P. A., 2011).
29 2.3.1. Características de un Sistema SCADA
Un sistema SCADA presenta una serie de particularidades que lo hacen muy valioso dentro del sector industrial. Son las siguientes:
Puede adquirir, procesar y almacenar un conjunto enorme de datos para utilizar la información recibida de forma continua y confiable dentro del proceso productivo de la empresa.
Los sistemas SCADA pueden representar gráficamente todo el proceso productivo para controlar de primera mano las diferentes variables y monitorizarlas mediante alarmas.
Gracias a sus características, ofrece la posibilidad de ejecutar acciones de control mediante las que se puede modificar la evolución de todo el proceso industrial.
Permite la ampliación y adaptación de todo el sistema gracias a que cuenta con una arquitectura abierta y flexible, que permite funcionar en base a las necesidades de cada cliente.
Ofrece una conectividad total con otro tipo de aplicaciones industriales y bases de datos, ya sean de origen local o estén distribuidos en redes de comunicación.
La supervisión se puede realizar en remoto, ya que mediante un sistema de pantallas los ingenieros encargados del mantenimiento y control de una serie de dispositivos pueden llevar a cabo la monitorización sin problemas.
La causa del punto anterior es la capacidad del sistema SCADA para representar gráficamente en una interfaz sencilla todos los datos que recibe en tiempo real.
Permite la explotación de los datos recabados en el día a día para mejorar la gestión de la calidad, el control estadístico y la gestión de la producción. (Martínez, 2018)
30 2.3.2. Componentes de un Sistema SCADA
Un sistema SCADA está compuesto por los siguientes elementos:
• Operador:
Persona que monitorea de forma remota la operación de una planta y ejecuta funciones de control supervisor.
• Interfaz hombre-máquina (HMI):
Es el entorno visual que brinda el sistema para que el operador se adapte al proceso desarrollado por la planta. Permite la interacción del ser humano con los medios tecnológicos implementados.
• Unidad terminal maestra (MTU):
Cuando hablamos de la Unidad Terminal Maestra nos referimos a los servidores y el software responsable para comunicarse con el equipo del campo (RTU´s, PLC´s, etc.). En estos se encuentra el software HMI corriendo para las estaciones de trabajo en el cuarto de control o en cualquier otro lado. Esta terminal ejecuta las acciones de mando (programadas) en base a los valores actuales de las variables medidas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.). También se encarga del almacenamiento y procesamiento ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
• Unidad terminal remota (RTU):
RTU es un dispositivo instalado en una posición remota que obtiene datos, los descifra en un formato y transmite los datos de nuevo a una unidad terminal maestra (MTU). La RTU también recoge la información del dispositivo principal y pone los procesos en ejecución que son dirigidos por
31 la MTU. La RTU se conecta al equipo físicamente y lee los datos de estado como abierto/cerrado desde una válvula o un intercambiador, lee las medidas como presión, flujo, voltaje o corriente y así la RTU puede enviar señales que pueden controlar los dispositivos para abrirlos, cerrarlos, intercambiar las válvulas, configurar la velocidad de una bomba, etc. (Meza, 2007)
2.3.3. Software de un Sistema SCADA
Casi la totalidad de los componentes de softwares presentes en un sistema SCADA se encuentran alojados en la MTU. Existen tres plataformas de software que se describen a continuación:
2.3.3.1. Sistema operativo:
Es el software que actúa de interfaz entre el hardware y los demás softwares de la MTU. Es el responsable de gestionar y coordinar los recursos de hardware para que se ejecuten las aplicaciones. El sistema operativo debe presentar características de estabilidad y confiabilidad que aseguren el mejor desempeño y cumplimiento de los requerimientos funcionales de la plataforma.
2.3.3.2. Software principal:
También denominado “Core del SCADA”, corresponde a un paquete de software estándar que es configurado para cada sistema particular. En general, este software es desarrollado por los fabricantes para comunicarse con sus propios dispositivos de control, y utilizan protocolos de comunicación propietarios que no son compatibles con los desarrollos de otras compañías. Esto obligaba la utilización de dispositivos y software de un solo fabricante en la implementación de una plataforma. Sin embargo, el desarrollo de sistemas “Core SCADA” de código abierto capaces de interoperar con dispositivos de distintos fabricantes, han ganado popularidad. La capacidad de implementar protocolos de comunicación estándares y propietarios, permite utilizar equipos de diferentes fabricantes en la misma implementación. (Cornejo P. A., 2011)
32 El software principal se caracteriza por implementar las siguientes cinco tareas, cuya funcionalidad se detalla a continuación:
• Entrada y salida: es la interfaz ente los sistemas de control y monitoreo, y la planta. Alarmas: gestiona las alarmas mediante el monitoreo de valores y umbrales.
• Trends: recolecta datos para el monitoreo a lo largo del tiempo.
• Reportes: genera reportes a partir de los datos de la planta. Pueden ser periódicos, activados por el Operador, o generados a partir de eventos particulares.
• Visualización: Es la tarea que gestiona los datos monitoreados por el Operador y las acciones de control solicitadas.
Para realizar las tareas descritas anteriormente, el software principal se organiza en los módulos de: Adquisición de datos, Control, Almacenamiento de datos e Interfaz hombre-máquina o HMI. (Cornejo P. A., 2011)
• Módulo de Adquisición de datos: La adquisición de datos se refiere a la recepción, análisis y procesamiento de todos los datos de planta enviados por los dispositivos remotos a la unidad central. Normalmente, los datos procesados en tiempo real se despliegan gráficamente dependiendo de la configuración. La información recibida es comparada con umbrales predefinidos, gatillando automáticamente las alarmas correspondientes cuando se superan los límites configurados. Las alarmas pueden ser identificadas por las RTU o por el Core del SCADA dependiendo de la configuración de la plataforma. La forma en que se accede a los dispositivos remotos depende de la topología de red y del protocolo de comunicaciones utilizado. Esto determina si el sistema principal controla de forma activa la red de comunicaciones, o solo actúa como un centro de información y control remoto.
33
• Módulo de control: Envía los comandos de control desde la MTU hacia los dispositivos remotos. El envío puede ser de forma automática o gatillados por el operador.
• Módulo de Almacenamiento de datos: El almacenamiento de datos depende del software, hardware y configuración utilizadas. Los datos históricos deben poder ser consultados para hacer análisis de tendencias, generar reportes y buscar fallas. Es importante considerar políticas de respaldo y almacenamiento de los datos historizados.
• Módulos de Interfaz hombre-máquina (HMI): La interfaz HMI está compuesta por dispositivos de entrada y salida para interactuar entre el Operador y el sistema de control supervisor. Normalmente se utiliza una pantalla como dispositivo de salida en donde se despliegan los datos en tiempo real. Teclado y mouse se utilizan como dispositivos de entrada. Un buen diseño de la interfaz de visualización debe contar con distintos niveles que muestren la operación de la planta en tiempo real. El primer nivel debe mostrar una visión general de la planta a controlar. El segundo nivel debe mostrar el detalle de un sector o un subproceso de la planta y solo se desplegarán las variables más importantes. Un tercer nivel debe presentar todos los detalles de cada uno de los equipos del subproceso, tales como alarmas, información de sensores, variables y comandos de control. Los gráficos deben ser lo más claro posibles, mostrando toda la información importante evitando saturar la pantalla con excesivos datos. (Cornejo P. A., 2011)
2.4. Software Power Monitoring Expert 8.2
EcoStruxure Power Monitoring Expert es una completa aplicación de monitorización y análisis especializada para soluciones de gestión energética. El software recoge y organiza los datos procedentes de los equipos de medida de la instalación y los presenta de una forma intuitiva y útil a través de la interfaz web.
34 Comparta información con colaboradores clave o con toda la compañía para informar e influir en cambios de comportamiento que puedan proporcionar ahorros.
La arquitectura abierta del software "EcoStruxure Power Monitoring Expert"
admite protocolos estándar de la industria y una amplia gama de dispositivos de Schneider Electric y de terceros. Aproveche y optimice su infraestructura existente.
Integración con otros sistemas de gestión y automatización (por ejemplo, SCADA, BMS, DCS, ERP) o servicios web. (ELECTRICS, 2019)
a) Características
• Interfaz de cliente web intuitiva y personalizable con soporte para varios idiomas
• Monitorización en tiempo real mediante librerías de pantallas definidas de fábrica para lectura de la información del dispositivo de medida.
• Informes energéticos estándar y avanzados para análisis de consumo y gestión de costes
• Soporte completo de WAGES (agua, aire comprimido, gas, electricidad y vapor) a través de herramientas como cuadros de mandos, informes y pantallas en tiempo real
• Gestión de alarmas predefinidas o personalizadas
• Registro de los datos sobre base de datos Microsoft SQL (configuración automática para dispositivos nativos)
• Totalmente compatible con la tecnología ION
• Soporta migraciones de versiones de PowerLogic ION Enterprise y System Manager Software (SMS)
35 b) Ventajas
EcoStruxure Power Monitoring Expert es una solución de software de gestión de energía completa, interoperable y escalable para satisfacer las demandas más exigentes:
• Gestionar la calidad eléctrica, disponibilidad y fiabilidad
• Optimizar el uso de su infraestructura y activos eléctricos
• Impulsar iniciativas de eficiencia de energía y mejorar el rendimiento financiero
• Reducir costes energéticos y operacionales
• También puede acceder a servicios de Schneider Electric para asistir, mantener, ampliar y actualizar su sistema Power Monitoring Expert a lo largo de toda la vida útil de la instalación. (ELECTRICS, 2019).
c) Aplicaciones
Solución paquetizada con las mejores aplicaciones de gestión y calidad de la energía disponibles de forma nativa para satisfacer las necesidades de las instalaciones más críticas.
• Análisis, alarmas y reportes de calidad de energía
• Seguimiento y presentación de informes energéticos WAGES
• Monitorización en tiempo real y generación de informes
• Secuencia de eventos y análisis de origen de causa
• Optimización de activos
• Mantenimiento proactivo de equipos eléctricos
• Asignación de costes energéticos y facturación