Abstract. Introducción. Artículo técnico

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1 Sistema de monitoreo en línea del suministro, almacenamiento y consumo de combustibles en la Subdirección de Energéticos de la Comisión Federal de Electricidad José Alfredo Sánchez López 1, Rafael Mata Almanza 1, Eduardo Islas Pérez 1, Héctor Ulloa Montoya 2, Francisco Noé García 2 y Agustín Quintero Reyes 1 Abstract A technological platform is presented to supervise operating data related to fuel administration in several regions of the country managed by the Fuel Procurement Division (SDE by its Spanish acronym) of the National Electrical Utility in Mexico (CFE by its Spanish acronym). With this platform SDE aims to monitor in a centralized way from a SCADA system, the supply of fuel to all power plants in Mexico, including shippers and dealers of fuel around the country. SDE directors and operators can accomplish opportune decision making supported by reports and supervising on-line variables related to provisioning, storage and consumption, as well as quality of fuel. The platform includes components known as protocol converters used for incorporating signals from other systems and instruments from different manufacturers to the SCADA. Besides, the SCADA system contains a data transfer system to publish values of signals in web services in order to provide interoperability to the system and make data be available from any remote node in the CFE network. Introducción El sector energético es un pilar muy importante en el desarrollo económico de un país. Es una parte medular en el desarrollo de otros sectores, tales como el eléctrico, el petroquímico, el transporte y la industria en general. En México, la expansión constante y la modernización que ha tenido el sector energético, ha permitido generar una oferta sólida y diversificada de los diferentes energéticos que existen dentro del país (carbón, gas natural, combustóleo y diésel). Adicionalmente, este sector contribuye con recursos públicos importantes para la satisfacción de las necesidades sociales y de infraestructura de México. 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas, División de Tecnologías Habilitadoras 2 Comisión Federal de Electricidad, Dirección de Operación, El sistema SCADA permite el monitoreo continuo de los parámetros operativos del gas natural en las diferentes estaciones de compresión y puntos de entrega de suministro de gas natural que requieren las centrales generadoras de energía eléctrica, para cumplir con los requerimientos establecidos por el CENACE. Subdirección de Energéticos 145

2 Boletín IIE octubre-diciembre-2013 Artículo técnico La Comisión Federal de Electricidad (CFE) es la entidad del sector público encargada de planificar la expansión del sistema eléctrico nacional, para cubrir el crecimiento de la demanda del servicio de energía eléctrica que requiere el país en condiciones de cantidad, calidad y precio, con la adecuada diversificación de fuentes de energía, cumpliendo con los objetivos y misión en el corto y mediano plazo. Como una estrategia para la mejora de los procesos operativos, la Subdirección de Energéticos (SDE) de la CFE adquirió un Sistema de Adquisición de Datos y Control Supervisorio (SCADA), con el objetivo inicial de realizar tareas de monitoreo de flujos y calidad del gas suministrado a las centrales de generación de energía eléctrica propias y también a los productores externos de energía. Actualmente, el sistema SCADA permite el monitoreo continuo de los parámetros operativos del gas natural en las diferentes estaciones de compresión y puntos de entrega de suministro de gas natural que requieren las centrales generadoras de energía eléctrica, para cumplir con los requerimientos establecidos por el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) de la CFE. La SDE tiene planeado incorporar el monitoreo de otros combustibles al sistema SCADA en el corto plazo. Para incrementar la cobertura de las tareas de monitoreo de la información que se genera en el sistema SCADA, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) llevó a cabo la incorporación de un sistema basado en tecnología web para monitorear datos de combustibles en las diferentes regiones del país. La incorporación de este sistema se llevó a cabo con base en la puesta en operación de un mecanismo de transferencia de datos de sistemas SCADA a servicios web. A medida que el monitoreo de otros combustibles sea incorporado a este sistema, serán integrados simultáneamente al sistema de monitoreo web. La SDE tiene considerado monitorear de manera centralizada en el sistema SCADA, los suministros a todas las centrales de generación, incluyendo señales de transportistas y distribuidores de combustibles en el país y para ello, el IIE está proporcionando los servicios para instalar y poner en operación aplicaciones conocidas como convertidores de protocolos, los cuales permiten comunicarse con otros sistemas e incorporar los datos al sistema SCADA de la SDE. El monitoreo en línea de diferentes variables operativas relacionadas con el suministro, almacenamiento y consumo de combustibles permite la toma de decisiones oportuna por parte del personal directivo de la SDE. Trabajos relacionados Con la evolución y avance de la tecnología relacionada con el desarrollo de sistemas de control distribuido y sistemas de supervisión de procesos, con el uso de tecnologías estándares de comunicación para la interoperabilidad de los datos (OPC) y con el desarrollo de servicios web (Sánchez y Espinosa, 2010) se ha logrado que las empresas de manufactura y las compañías involucradas en los diferentes sectores productivos estén sustituyendo gradualmente aplicaciones de control, supervisión y monitoreo que se ejecutan localmente por aplicaciones más dinámicas y que estén disponibles para consulta en cualquier lugar con acceso a internet. Un ejemplo de este tipo de aplicaciones es el control de celdas de manufactura presentado por Ming Tsai y Jemas Lin (Tsai y Lin, 2005), donde describen un sistema de control de manufactura distribuido basado en web, con mecanismos cooperativos y uso de CNP (Contract Net Protocol), que es un protocolo de comunicación y repartición de tareas para sistemas multiagentes. El sistema selecciona un plan de procesos específicos, ubica recursos, asigna instrucciones de procesamiento, monitorea el progreso de las actividades, lleva a cabo la detección de errores y procedimientos de recuperación y emite reportes basados en el estado de las variables y los datos. En Magalhaes et al, 2010 se presenta un sistema de apoyo en la toma de decisiones basado en web, para la administración y configuración de los procesos operativos de una empresa. Con el apoyo del sistema se entregan los resultados obtenidos en diferentes formatos (gráficas de Gantt, archivos en formato XML o PDF, etc.) dependiendo del uso que se le vaya a dar: toma de decisiones, integración con otros datos y/o entrega de reportes. En este artículo se presenta la plataforma de monitoreo en línea para el suministro, almacenamiento y consumo de combustibles en la SDE de la CFE y se resalta el desarrollo de un sistema basado en el uso de la tecnología OPC (www.opcfundation.org) y de los servicios web como parte de los servicios de apoyo que el IIE brinda a la SDE en la operación del sistema SCADA. Plataforma de monitoreo en línea En la figura 1 se muestra la plataforma de monitoreo en línea de la SDE, donde se puede observar la interacción entre el sistema SCADA y el sistema de monitoreo web para la supervisión de las variables operativas de los combustibles, por parte del personal operativo y directivo de la SDE. Descripción de los sistemas para el monitoreo en línea Sistema SCADA Es un conjunto de dispositivos de hardware, sistema operativo y aplicaciones de software que permiten la 146

3 configuración de hardware específico para establecer la comunicación entre controladores, autómatas programables, dispositivos electrónicos inteligentes, etc. Utilizando infraestructura de comunicaciones y por medio de protocolos de tipo industrial, los sistemas SCADA pueden establecer intercambio de datos entre los diferentes componentes que lo integran, para llevar a cabo la automatización del monitoreo y supervisión de procesos. También permiten entre otras funciones: el monitoreo de datos en tiempo real, la supervisión y gestión de alarmas, la conversión de unidades, el almacenamiento histórico, el control de procesos, la generación de reportes y la administración del uso del sistema. Los componentes se pueden agrupar en los siguientes módulos: dispositivo de adquisición de datos, equipo de procesamiento, equipo de almacenamiento y equipo relacionado con la interfaz hombre-máquina. En la figura 2 se muestran la arquitectura y los componentes del sistema SCADA de la Subdirección de Energéticos de la CFE. Figura 1. Plataforma de monitoreo en línea de la Subdirección de Energéticos de la CFE. Figura 2. Arquitectura del sistema SCADA de la Subdirección de Energéticos de la CFE. 147

4 Boletín IIE octubre-diciembre-2013 Artículo técnico Monitoreo web El sistema de monitoreo web de la Subdirección de Energéticos de la CFE permite mostrar a través de aplicaciones web, datos operativos del suministro, almacenamiento y consumo de los combustibles y los valores de las variables relacionadas con la calidad de los energéticos que están siendo suministrados a las plantas de generación (CFE, 2012). El sistema también permite el acceso a información del sistema SCADA a través de representaciones gráficas (figura 3). En esta aplicación, la interfaz gráfica presenta las opciones de navegación a través de una representación geográfica del país, dividido en diferentes regiones que corresponden a diferentes Subgerencias Regionales de la SDE. Un medio alterno de acceso a los diferentes desplegados de información es a través de un menú organizado también en Subgerencias Regionales. La SDE está integrada por las Subgerencias Regionales de Energéticos (SRE) Centro, Sureste, Norte, Noroeste y Occidente. Cada una de ellas está organizada por sectores. La estructura jerárquica, definida en tres niveles: subgerencia regional, sector y estaciones de medición está configurada en el sistema de monitoreo web para facilitar el acceso a la información y a la navegación dentro del sistema. Además se cuenta con la funcionalidad de mostrar desplegados web que combinan información de manera tabular de diferentes estaciones, incluso pertenecientes a diferentes sectores o regiones, agrupados como resúmenes. En la figura 4 se muestra un resumen de consumo de la energía instantánea y el volumen de los días previos de los sectores Poza Rica, Madero y Veracruz de la Gerencia Regional de Energéticos Sureste. Dentro de cada sector se muestra la información del consumo por estación, la energía instantánea y el volumen de días previos de cada una de las estaciones pertenecientes a cada sector. Figura 3. Desplegado principal del sistema de monitoreo web de la SDE. El sistema muestra información detallada de las condiciones de operación y de la calidad del gas Figura 4. Subgerencia Regional de Energéticos Sureste. 148

5 natural de las estaciones de medición. Para las condiciones de operación se despliega información relacionada con el flujo, la presión, la energía y el volumen de la estación seleccionada. Algunas de las variables relacionadas con las condiciones de operación del flujo de gas natural que están siendo monitoreadas son: el flujo instantáneo, la energía y el volumen, y se monitorean entre otros: el metano, nitrógeno, etano, propano, el poder calorífico y la humedad, que son parámetros relacionados con el monitoreo de la calidad del gas natural suministrado a cada una de las estaciones de medición. Convertidores de protocolos Son aplicaciones que permiten a la SDE incorporar señales de otros sistemas o instrumentos al sistema SCADA y tienen la característica de obtener datos de un protocolo en particular tal como Modbus, PI, versiones anteriores de OPC (1.0), etc., y dejarlos disponibles en el protocolo compatible con el sistema SCADA. Adicionalmente permite tener un puente de seguridad, para evitar la conexión de otros sistemas externos a la red de la CFE. La figura 5 muestra el diagrama de componentes de los convertidores de protocolos desarrollados para la SDE. Se establece un enlace dedicado con los sistemas o instrumentos a integrar con el sistema SCADA utilizando diversos medios de comunicación, que puede ser satelital, fibra óptica (FO) e incluso web. El convertidor utiliza un componente identificado como adquisición de datos para obtener datos del sistema o instrumento. El valor de las variables se deposita en un servidor de datos bajo un protocolo compatible con el sistema SCADA (OPC 2.0). Finalmente, el sistema SCADA realiza una consulta al servidor de datos para incorporar las señales al monitoreo en línea de la SDE. Transferencia de datos de sistemas SCADA a servicios web Para aumentar el alcance de las tareas de monitoreo de la información que se genera en el sistema SCADA se llevó a cabo la incorporación de un sistema basado en tecnología web para monitorear Figura 5. Diagrama de componentes del convertidor de protocolos. datos de combustibles en las diferentes regiones del país. La integración de este sistema se realizó con base en la puesta en operación de un mecanismo de transferencia de datos de sistemas SCADA a servicios web. El sistema SCADA cuenta con un servidor de datos con el protocolo de comunicación OPC 2.0 (figura 6). El mecanismo de transferencia de datos de dicho sistema a servicios web contiene un bloque de adquisición de datos (interfaz OPC) para obtener datos del servidor OPC del sistema SCADA. Estos datos adquiridos son publicados en servicios web, los cuales proporcionan la funcionalidad para que otras aplicaciones tengan acceso a los datos del sistema SCADA en una forma independiente de la plataforma de hardware y software. Esta característica ha proporcionado interoperabilidad al sistema SCADA, ya que deja disponibles los datos del mismo en interfaces estándares, utilizando el protocolo SOAP de servicios web. Envío de mensajes Debido a que los servicios web proporcionan información de las variables en línea del sistema SCADA, se han puesto en operación aplicaciones que analizan y diagnostican posibles fallas en la veracidad de los datos adquiridos y en los mecanismos de comunicación del sistema. Adicionalmente se elaboran informes que adquieren datos de los servicios web y se envían automáticamente a través de correo electrónico al personal involucrado en la toma de decisiones. En la figura 7 se muestra el diagrama a bloques de las aplicaciones de envío de mensajes. El bloque de lectura de datos en línea adquiere valores de señales utilizando los servicios web. Los datos son analizados en el bloque de procesamiento utilizando algoritmos para diagnosticar fallas en la comunicación o veracidad de los datos adquiridos. Este bloque también se utiliza para generar de manera automática, informes y reportes con información relevante y oportuna para la toma de decisiones. Para el envío de los mensajes se instaló un servicio de correo electrónico. La ventaja de este mecanismo de envío de información del SCADA es que los destinatarios reciben la información oportuna, independientemente si se encuentran o no dentro de las instalaciones de la CFE. 149

6 Boletín IIE octubre-diciembre-2013 Artículo técnico Antes de contar con el SCADA, las operaciones de seguimiento del suministro de gas natural se llevaban a cabo a través de diversos formatos no normalizados, situación que por la naturaleza del proceso, su importancia y tendencia de crecimiento representaba un riesgo, repetición de trabajos, presencia de errores, disminución de la integridad y confiabilidad de la información del proceso. Una característica importante del sistema SCADA es el uso de protocolos ampliamente reconocidos por la industria tales como OPC y MODBUS (estándares de facto). Esta característica ha facilitado la incorporación de señales de nuevas estaciones de medición y otros combustibles. A través del protocolo OPC fue posible extraer datos del sistema SCADA, para dejarlos disponibles en aplicaciones web que son fácilmente accesibles dentro de la red de la CFE. Esto ha logrado ampliar el alcance del monitoreo en línea de variables de dicho sistema. Figura 6. Mecanismo de transferencia de datos de sistemas SCADA a servicios web. Figura 7. Mecanismo para el envío de mensajes. Resultados Actualmente, el sistema SCADA de la SDE provee la capacidad de contar con información precisa y en tiempo real, del suministro de gas natural a las centrales generadoras de energía eléctrica, lo que permite una rápida toma de decisiones sin depender de información procesada por terceros. Adicionalmente permite contar con un sistema integral, centralizado y confiable de recolección, presentación y tratamiento de toda la información relacionada con el manejo de gas natural y en un futuro de todos los energéticos de las centrales generadoras de energía eléctrica. En la parte operativa, el SCADA provee la capacidad de supervisar en tiempo real la entrega de gas natural a las centrales generadoras, lo que permite saber si existe una falta o exceso de suministro. También permite supervisar a distancia y en tiempo real, pruebas de transporte en gasoductos nuevos. Además provee la capacidad de monitorear presiones en puntos importantes, lo que permite predecir estados de alerta crítica y tomar medidas preventivas que aseguren la operación del Sistema Eléctrico Nacional. Adicionalmente valida las condiciones operativas del suministro de gas natural, tales como flujo, energía, presión y temperatura de entrega. Se monitorea en tiempo real la calidad del gas para prevenir daños a equipos de generación, en caso de que la calidad se encuentre fuera de norma, de tal manera que, si los valores de ciertos componentes como el ácido sulfhídrico son altos, es posible reducir el riesgo de dañar por corrosión el equipo de generación, al tomar oportunamente una decisión para suministrar el combustible. Conclusiones Con el apoyo de la infraestructura de monitoreo, la Subdirección de Energéticos de la CFE lleva a cabo la supervisión en línea del suministro, almacenamiento, consumo y calidad de los combustibles utilizados. El monitoreo se realiza en diferentes niveles operativos, desde operadores en el cuarto de supervisión del SCADA, hasta los niveles directivos involucrados en la toma de decisiones relacionadas con la administración de los energéticos de la CFE, 150

7 independientemente de su ubicación física, a través del acceso a la información y los datos operativos utilizando navegadores web, así como el envío de mensajes de correo electrónico. Adicionalmente, la Gerencia de Gestión Integral de Procesos (www.iie.org.mx/automatiza) del IIE continúa proporcionando los servicios de apoyo a la SDE, personalizando y desarrollando los convertidores de protocolos que facilitan la integración de nuevas estaciones de monitoreo y de nuevos combustibles al sistema SCADA. Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo en el desarrollo de este trabajo a Francisco de la Parra, Subdirector de la SDE; Enrique Morfín Heras, Gerente de Gas Natural, y a Miguel López, Subgerente de Gas de Importación. Referencias Sánchez A. y Espinosa A. Supervisión de Procesos en la palma de tu mano, Boletín IIE, vol. 34, Núm. 2, Abr-Jun 2010, pp Tsai M. y Lin J. Web-based distributed manufacturing control systems. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 25, Núm. 5-6, March 2005, pp Magalhães R., Varela L. y Carmo-Silva S. Web-based Decision Support System for Industrial Operations Management, Institutul de Cercetara-Dezvoltare Pentru Mecatronica si Tehnical Masurarii (INCDTM), 2010, [en línea]. Recuperado de Comisión Federal de Electricidad. Manual de usuario del sistema de monitoreo SCADA-Web, abril 2012, reporte interno. OPC fundation, [en línea]. Recuperado de Alonso G., Casati F., Kuno H. y Machiraju V. Web services concepts, architectures and applications, Springer Verlag, Berlín, Gerencia de Supervisión de Procesos 2009, [en línea]. Recuperado de JOSÉ ALFREDO SÁNCHEZ LÓPEZ Maestro en Ciencias de la Computación por The University of Edinburgh. Ingeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Orizaba. Ingresó al IIE en 1994, donde ha trabajado en el área de desarrollo de sistemas de supervisión de procesos. Actualmente dirige proyectos de apoyo a la operación del sistema SCADA de la SDE de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). RAFAEL MATA ALMANZA Licenciado en Informática por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) en Ingresó al IIE en Su área de investigación es el desarrollo de sistemas de adquisición de datos en tiempo real y sistemas SCADA. De izquierda a derecha: Eduardo Islas Pérez, Rafael Mata Almanza, Agustín Quintero Reyes y José Alfredo Sánchez López. EDUARDO ISLAS PÉREZ Maestro en Ciencias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Facultad de Física de la Universidad Veracruzana y el Laboratorio de Informática Avanzada en el año Realizó una estancia en la Universidad de Auburn en Alabama para el desarrollo de su tesis de maestría en el año Ingeniero Industrial en Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Pachuca en Labora en el IIE desde AGUSTÍN QUINTERO REYES Maestro en Ciencias de la Electrónica, especialidad en Control por el CENIDET en Ingeniero Electrónico en Instrumentación por el Instituto Tecnológico de Ciudad Guzmán en Ingresó al IIE en 1990, donde ha trabajado principalmente en el área de desarrollo e integración de sistemas. Ha dirigido proyectos de consultoría, especificación, diseño, desarrollo y/o evaluación de sistemas para la automatización de procesos industriales y de negocio. 151

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