Modernización del Control del Sistema de Limpieza de las rejillas de la Toma de Carga de la Central Hidroeléctrica Agoyán

Modernization of the Control of the cleaning system of the load-taking grids of the Agoyan hydroelectric power plant

DOI:https://doi.org/10.26910/issn.2528-8083vol3issJIEE2018.2018pp10-16p

Klever Aldaz

Escuela Politécnica Nacional, Ecuador.

aldasklevereduardo@gmail.com

Fecha de recepción: 29 de Noviembre de 2018 — Fecha de aceptación: 11 de marzo de 2019

Ingeniero en Electrónica y Control.


Resumen

En este trabajo se presenta el estudio previo y el diseño de la modernización del control del sistema de limpieza de las rejillas de la toma de carga de la Central Hidroeléctrica Agoyán. Este sistema permite mantener libre el ingreso de agua hacia las turbinas, y está conformado por un pórtico móvil (14;65 Tn) y un sistema de detección de obstrucciones. Para el control y monitoreo del sistema de limpieza de las rejillas se implementó una topología de control centralizada constituida por dos autómatas y un panel táctil conectados a través de una red WLAN.

Palabras Claves Hidroeléctricas, HMI, PLC, Redes Inalámbricas, Instrumentación, Sistemas de Control.

Abstract

This paper presents the previous study and design of the modernization of the control of the cleaning system of the grids of the load taking of the hydroelectric power plant Agoyan. This system allows to keep the water ingress free to the turbines, and is formed by a movable gantry (14; 65 Tn) and an obstruction detection system. A centralized control topology consisting of two automata and a touch panel connected via a WLAN network was implemented for the control and monitoring of the grid cleaning system.

Keywords Hydro, HMI, PLC, Wireless networks, Instrumentation,Control systems.

INTRODUCCIÓN

La Central Hidroeléctrica Agoyán (CHA) se encuentra en funcionamiento desde el año de 1987, está localizada en la provincia de Tungurahua a 180 Km al Sureste de Quito, cerca de la ciudad de Baños (TRASINCA-CONSULT, 2017). La CHA aprovecha el caudal del río Pastaza para mover dos turbinas tipo Francis con una potencia total de 156 MW y un caudal máximo turbinado de 60 m /s por unidad, aportando al sistema nacional interconectado un promedio anual de 998 GWh de energía. El voltaje de generación es 13,8 KV, el cual es elevado a 138 KV por medio de transformadores de potencia para luego ser enviado por dos líneas de transmisión a la Subestación Baños, y por ende al Sistema Nacional Interconectado (CELEC, 2016). 3

El sistema de limpieza de las rejas de la represa de Hidroagoyán también funciona desde el año 1987 y contaba con tecnología de punta de la época. Cuando se inició este trabajo, el sistema se encontraba funcionado al 30% de su capacidad debido a que los mandos electrónicos de control presentan fallas debido a las condiciones climáticas adversas.

Además, los modos de operación automático y semiautomático no estaban habilitados. Este sistema es de alta importancia porque el agua que pasa por la represa Agoyán, y por este sistema, no solo alimenta a las turbinas de Hidroagoyán sino también a las de la Central San Francisco. Conjuntamente, estas centrales hidroeléctricas aportan un 11% de la energía del Sistema Nacional Interconectado (CELEC, 2016). Por tanto, la modernización del sistema de limpieza de rejillas era prioritaria para garantizar el buen funcionamiento de las centrales hidroeléctricas mencionadas y la producción de energía eléctrica en el país.

En el presente trabajo se presenta la modernización del sistema de control de limpieza de las rejillas de la toma de carga de la CHA, este sistema es el encargado de mantener las rejillas de protección sin obstrucciones para el libre paso de agua en la toma de carga de la represa. El sistema de limpieza de las rejillas está constituido por dos subsistemas: el pórtico limpia rejas y el sistema de detección de obstrucciones en las rejas. El primero se encarga de recoger los materiales extraños adheridos en las rejas, mientras que el segundo se encarga de la detección oportuna de obstrucciones y sobreflujo.

Este documento se encuentra organizado de la siguiente manera: en la Sección se describe el funcionamiento del sistema antes de la modernización y las características principales que deberá cumplir el diseño. En las secciones y se describe el diseño del control del sistema. Finalmente, en la sección se presentan pruebas y resultados del sistema implementado.

ESTUDIO PREVIO

La toma de carga de la CHA está formada por tres rejas (Figura 1), cada una posee un conjunto de ocho aberturas denominadas paños que impiden el ingreso de basura u objetos grandes, que podrían ocasionar daños en los equipos de generación ubicados en casa de máquinas. Para evitar una excesiva acumulación de basuras en las rejas se cuenta con un sistema de limpieza, este sistema tiene una parte móvil y otra fija. La parte móvil del sistema limpieza de las rejillas se conoce como pórtico limpia rejas, mientras que la parte fija del sistema de limpieza de las rejillas se denomina sistema de detección de obstrucciones en las rejas. Cabe señalar que el pórtico limpia rejas opera diariamente para garantizar el libre flujo de agua hacia las turbinas de la CHA.

Figura 1. Pórtico Limpia rejas y Toma de carga de la Central Agoyán (fotografía tomada en un lavado de embalse).

Pórtico limpia rejas

El pórtico limpia rejas (Figura 2) es una estructura metálica (14;65 Tn) que se desplaza a lo largo de la toma de carga, sobre unos rieles y realiza la limpieza en las rejas. Este está provisto de un bastidor con un panel de uñas que remueve troncos, maleza, cuerpos de animales y otros objetos grandes adheridos en las rejas, además está compuesto por dos vigas inferiores y cuatro patas, todas de sección tipo cajón; en su parte superior se dispone de una plataforma donde se alojan los motores eléctricos y los mecanismos de izaje para su funcionamiento. El pórtico también está equipado con lámparas reflectoras para iluminar la zona de trabajo.

La operación del pórtico se la realiza con los siguientes componentes:

  1. Un sistema de traslación
  2. Una rampa móvil para maniobrar el carro
  3. Un carro limpia rejas para recoger la basura
  4. Una cabina de comando

La operación del pórtico limpia rejas se controla por medio de un tablero de control que tiene varias opciones: modo

Figura 2. Partes del Pórtico limpia rejas de la toma de carga de la central Agoyán

manual, modo semiautomático y modo automático. En modo manual el operador activa manualmente los mecanismos del pórtico, mientras que en modo semiautomático la limpieza de las rejas se realiza a una sección de cuatro rejas mediante un botón disponible en el tablero de control. En la operación automática del pórtico se realiza la limpieza de una sección de ocho paños (una reja) en las cuales se detecta que existen basuras acumuladas, esta funcionalidad se activa a través de una orden de operación del sistema de detección de obstrucciones en las rejas. Para el efecto se dispone de un sistema de cañerías mediante el cual se envía aire comprimido a ambos lados de la rejilla, y mediante sensores de presión se establece un diferencial que indica una “pérdida de carga”, esto activa el modo de operación automático del pórtico.

Originalmente, el pórtico limpia rejas solo funcionaba en modo manual; el modo semiautomático y automático del sistema no se encontraban operativos debido a: 1) las condiciones de los sensores inductivos para el posicionamiento del pórtico, los cuales no pudieron reemplazarse al ser obsoletos, y 2) el sistema de detección de obstrucciones estaba deshabilitado debido a que los componentes electrónicos con los que opera este sistema estaban deteriorados por las condiciones climáticas.

Sistema de detección de obstrucciones en las rejas

Este sistema se encuentra instalado en el sector de las rejas de la bocatoma (Figura 1), y permite detectar obstrucciones en las rejas o sobreflujo en el túnel de carga mediante la medición de presión diferencial. La presión diferencial, medida usando el método de burbujeo (Solé, 2012), debe variar dentro de un rango determinado, de otro modo emite señales de rejas obstruidas o sobreflujo. Para este fin se compara la presión aguas arriba de y aguas abajo de la reja. En el caso de rejas semiobstruidas la presión aguas abajo de la reja, debe ser 20% menor a la presión aguas arriba de la reja; mientras en el caso de rejas obstruidas la presión aguas abajo de la reja, debe ser 40% menor a la presión aguas arriba de la misma. En la Figura 3 se indica el diagrama de bloques del sistema de detección de obstrucciones en las rejas. El sistema de detección de obstrucciones en las rejas se encontraba fuera de servicio debido a que las tarjetas electrónicas

Figura 3. Diagrama de bloques del sistema de detección de obstrucciones en las rejas.

con las que operaban los sensores de presión presentaban fallas por deterioro propio del tiempo de servicio. Estas no pudieron ser reemplazadas debido a que ya no existen el mercado.

Con el fin de contar un sistema completamente funcional y moderno, no solo se analizó el funcionamiento que debe tener este sistema, sino que también se realizó entrevistas al personal encargado del manejo de este para definir las prestaciones y requerimientos del equipamiento a incorporar en el nuevo control del sistema. Para el pórtico limpia rejas, se propuso diseñar un nuevo sistema de mando y control para 3 modos de operación (manual, semiautomático y automático), incorporando equipos y dispositivos de tecnología actual. Un PLC constituirá la unidad central de control y un panel táctil ubicado en la cabina de mando permitirá la operación del pórtico.

Para el sistema de detección de obstrucciones, se propuso reemplazar las tarjetas electrónicas por un sistema constituido por un PLC y sensores para la medición de presión diferencial, lo cual permitirá la detección de una obstrucción en las rejas.

Las señales de reja obstruida y sobre flujo se enviarán al PLC del pórtico limpia rejas, para su visualización en un Interfaz Hombre-Máquina (IHM). Este sistema mantendrá comunicación constante con el sistema de control del pórtico limpia rejas, con la finalidad de compartir datos que permitan mejorar la limpieza de las rejas. Además, el sistema de detección de obstrucciones funcionará independientemente al pórtico limpia rejas, para que en caso de falla, el pórtico limpia rejas pueda funcionar en modo de operación manual y semiautomático.

DISEÑO DEL CONTROL DEL SISTEMA DE LIMPIEZA DE LAS REJILLAS

Este trabajo se enfoca en la modernización del control del sistema de limpieza de las rejas de la toma de carga de la CHA. Una vez estudiado el estado actual del sistema (Sección ), se propone que el sistema cuente con lo siguiente:

En la Figura 4 se muestra el diagrama de bloques con el cual se cubrió todos los requerimientos propuestos para la modernización.

Figura 4. Diagrama de bloques del pórtico limpia rejas y del sistema de verificación de obstrucciones.

El sistema como un todo funciona de la siguiente manera:

Pórtico Limpia Rejas

Para el control de este subsistema se utilizará un PLC, que de acuerdo a las variables del proceso deberá contar con al menos 24 entradas digitales, 16 salidas digitales y una entrada analógica para el control de posición del carro limpia rejas. En las tablas 1 y 2 se detallan el uso de cada una de las entradas y salidas de acuerdo a las necesidades del sistema. Considerando esto, y la disponibilidad de equipos en las bodegas de la CHA, se escogió el PLC S7 1200 CPU 1214C AC/DC/Rly de la familia Simatic (SIEMENS, 2017b); entre las características principales que ofrece se destacan las siguientes:

Sistema de detección de obstrucciones en las rejas

Para el control de este subsistema se utilizará un PLC que cuente con un mínimo de 6 entradas digitales, 6 entradas analógicas y 8 salidas digitales. En las tablas 3, 4 y 5 se detallan el uso de cada una de las entradas y salidas de acuerdo a las necesidades del sistema. Considerando esto, y la disponibilidad de equipos en las bodegas de la CHA, se escogió el PLC S7 1200 CPU 1212C DC/DC/Rly (SIEMENS, 2017a); entre las principales características de este equipo se enumeran las siguientes:

Para la elección de los sensores de presión, se determinó la presión hidrostática ejercida por la columna del líquido en el embalse, usando la ecuación (1).

P=&*g*h;                    (1)

siendo:

P: Presión hidrostática.

&:Densidad del fluido.

g: Aceleración de la gravedad.

h: Altura de la superficie del fluido.

Con la altura en el umbral de las rejas 14 m TRASINCACONSULT (2017), densidad del agua y la gravedad ( = 1000Kg/m 3 (Solé, 2012)), se tiene que la presión hidrostática en estas condiciones es 19;89 psi. Por este motivo y considerando los equipos disponibles en las bodegas la CHA, se eligió el sensor de presión P220 de Siemens, el cual tiene un rango de medición de 0 a 150 psi. ; g = 9;8m=s 2

Proceso de limpieza de un paño

La Figura 5 muestra el diagrama de flujo para la activación se- cuencial de los mecanismos para la limpieza de una reja. Este proceso se realiza en cada una de las tres funcionalidades del pórtico limpia rejas (manual, semiautomático y automático). La traslación y correcta ubicación del pórtico frente a un paño se efectúa mediante el uso de 5 sensores inductivos (SIEMENS, 2017c) de proximidad que pasan sobre 12 zonas de detección. En la Figura 7 se muestra el panel de sensores inductivos y las zonas de detección. Las zonas de detección son placas metálicas codificadas que se encuentran sobre la loza de la bocatoma (Figuras 6 y 7). Al pasar sobre ellas, los sensores generan un valor binario que es interpretado por el PLC del sistema.

DISEÑO DE LA RED DE COMUNICACIÓN

El nuevo sistema de control cuenta con varios elementos que se encuentran enlazados en una red de área local wireless (WLAN), se considera este tipo de red puesto que los equipos están ubicados en un perímetro menor a 100m y que el PLC del pórtico limpia rejas se mueve con este. La Figura 8 muestra los equipos que constituyen la red LAN. En esta red el PLC del sistema de detección de obstrucciones funciona como servidor, mientras que el PLC del pórtico limpia rejas y la HMI TP 1500 Comfort actúan como clientes. Para establecer la conexión entre los dispositivos estos deben encontrarse en la misma red. A cada equipo se le asigna una dirección IP y una máscara de subred. Las direcciones IP dependen del tipo de red, en este caso se va a diseñar una red LAN, por lo que las IP deben estar en el mismo rango de

Figura 5. Diagrama de flujo para la activación secuencial de los mecanismos para la limpieza de una reja.

Figura 6. Panel se sensores inductivos y las zonas de detección.

red con el fin de que el equipo terminal acceda a cada uno de los dispositivos que conforman la LAN. De esta manera, se establece la asignación de direcciones IP, como se indica en la Tabla VI.

Interfaz Humano Maquina (IHM)

La IHM permite al operador monitorear y controlar un proceso ya sea de una manera local o remota. Para el desarrollo del proyecto se utiliz´o la pantalla TP1500 Comfort de Siemens ?. A efectos de facilitar el manejo de la IHM, el diseño de las pantallas se realizó tomando ciertos requisitos solicitados por el personal encargado, y otros que permiten al operador

Figura 7. Zona de detección de los sensores inductivos, para los paños 1,5 y 8.

Figura 8. Red LAN del nuevo sistema de control del sistema de limpieza de las rejillas.

una fácil adaptación a esta tecnología. Las características principales para la interfaz son:

La estructura de la IHM, se conforma de varias pantallas, las cuales presentan distintas opciones para el control y monitoreo del proceso, en la Figura 9 se presenta la estructura del funcionamiento de la interfaz.

Figura 9. Estrutura de la HMI del Pórtico limpia rejas.

PRUEBAS Y RESULTADOS

A continuación, se presentan los resultados de las pruebas de funcionamiento del control implementado (manual, semiautomático y automático), y se analiza la información obtenida. En la Tabla 8 se muestran los resultados de la operación manual del Pórtico limpia rejas.

En las siguientes tablas se indican los resultados para modo de funcionamiento automático y semiautomático 1 .

Interfaz Humano Máquina (IHM)

La interfaz implementada en WinCC mediante la cual se puede controlar el pórtico limpia rejas en forma manual, semiautomática y automática se muestra en las siguientes figuras.

En la Tabla 9, OBS y SO corresponde a reja obstruida y reja semiobstruida respectivamente.

En la Figura 10, se observa la IHM para el control manual del pórtico limpia rejas, en ella se encuentran los botones de accionamiento de cada mecanismo del sistema.

Figura 10. Interfaz de usuario para el control manual del Pórtico limpia rejas.

En la Fig. 11, se observa la IHM para el control semiautomático del pórtico limpia rejas, en ella se encuentran los botones para el inicio de operación semiautomática.

Figura 11. Interfaz de usuario para el control semiautomático del Pórtico limpia rejas.

En la Figura 12, se observa la IHM para el control automático del pórtico limpia rejas, en ella se encuentran el estado de las rejas y los botones para el inicio de operación automática.

Figura 12. Interfaz de usuario para el control automático del Pórtico limpia rejas.

CONCLUSIONES

En este artículo se estudio el funcionamiento de un sistema de limpieza de las rejillas de una bocatoma de una represa, la factibilidad de su modernización y su posterior diseño para la Central Hidroléctrica Agoyán. El sistema está constituido por el pórtico limpia rejas y el sistema de detección de obstrucciones en las rejas conectados a una red WLAN.

El pórtico limpia rejas se encarga de recoger los materiales extraños adheridos en las rejas, mientras que el sistema de detección de obstrucciones en las rejas envía las señales de rejas obstruidas para la operación automática del mismo. Para la operación del pórtico limpia rejas se cuenta con un panel táctil ubicado en la cabina del pórtico, que permite operar al mismo en tres modos: manual, semiautomático y automático. El sistema de detección de obstrucciones en las rejas está constituido por un PLC y sensores para la medición de presi ón aguas arriba y presión aguas abajo de la reja, los cuales permiten la detección de una obstrucción en las rejas.

El sistema diseñado permite aprovechar los equipos mecánicos que aún eran funcionales en el sistema a la vez que moderniza el control del mismo, y permite no solo una comunicación entre los subsistemas, sino que debido a los equipos utilizados se puede a futuro conectarlo al Sistema Digital de Supervisión y Control (SDSC) de la Central Agoyán. Se debe notar que la modernización de un sistema que forma parte de la infraestructura de la generación eléctrica del país, permite que este a largo plazo tenga una mayor confiabilidad debido al decremento de paros forzados para mantenimiento correctivo.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue realizado con la colaboración del personal técnico la Central Hidroeléctrica Agoyán.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CELEC (2016). Informe de rendición de cuentas 2016. Technical report.

SIEMENS (2017a). Hoja de datos CPU 6ES7212-1HE310XB0. Technical report.

SIEMENS (2017b). Hoja de datos CPU 6ES7214-1BG400XB0. Technical report.

SIEMENS (2017c). Hoja de datos TP 1500 Comfort 6AV2124-0QC02-0AX0.Technical report.

Solé, A. C. (2012). Instrumentación industrial. Marcombo. TRASINCA-CONSULT (2017). Informe final central hidro- eléctrica agoyán. Technical report.