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CAPÍTULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
A.- ESTUDIO DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN DE LAS SUB-ESTACIONES
ELÉCTRICAS TIPO H.
La unidad de producción occidente, atendiendo a las necesidades de un continuo y
eficiente suministro de energía eléctrica en lugares poco accesibles, cuenta con un sistema
eléctrico diseñado para garantizar confiabilidad y estabilidad por recursos propios, así
como también por medio de la interconexión con el sistema eléctrico nacional (SEN).
Además, existe un sistema de transmisión que cumple con los requerimientos de carga y un
conjunto de sub-estaciones adecuadas para el tratamiento de la energía; entre ellas se
encuentran las sub-estaciones de transformación y distribución tipo H, las cuales
representan el último eslabón de la cadena en este sistema eléctrico petrolero.
Las sub-estaciones eléctricas tipo H están conformadas por un banco de
transformadores conectados bajo una configuración Delta-Delta (ideal para el balanceo de
las cargas). Su función principal es reducir la tensión con una relación entrada/salida de seis
mil novecientos (6.900) voltios a cuatrocientos ochenta (480) voltios en corriente alterna.
Igualmente, estas sub-estaciones se encargan de la distribución de la energía
requerida por las instalaciones de producción occidente de PDVSA (Pozos de producción,
las plantas y miniplantas).
Por su ubicación, estas sub-estaciones necesitan de la protección adecuada ante las
acciones de terceras personas para así reducir o evitar totalmente los hurtos en las mismas.
Para este caso en particular, la supervisión directa no es la mas conveniente, por lo que la
gerencia de automatización de PDVSA emprendió un proyecto orientado a automatizar
120 sub-estaciones localizadas en las áreas de Tía Juana, Lagunillas y Bachaquero. En un
primer momento y bajo las normas de licitaciones se seleccionó la empresa VESSING
C.A. para ejecutar el proyecto, sin embargo, luego de enfrentar varios inconvenientes a lo
largo de la ejecución, la gerencia decide abordar el problema y terminar la automatización
por recursos propios, manteniendo a la empresa VESSING C.A. como respaldo de
garantía sobre los equipos.
Este proyecto, ofrecía alternativas en el área de seguridad para así solucionar
definitivamente los inconvenientes que se generaban a consecuencia de los hurtos en las
sub-estaciones.
En la actualidad, se encuentran automatizadas sesenta (60) sub-estaciones
distribuidas de la siguiente manera: veintisiete (27) sub-estaciones en Lagunillas y treinta y
tres (33) sub-estaciones en Tía Juana.
UNIDAD TERMINAL REMOTA V94-51.
El equipo utilizado para monitorear la data procedente de campo es la unidad
terminal remota V94-51 de la empresa VESSING C.A., la cual es un sistema de
adquisición de datos por telemetría, diseñado específicamente para aplicaciones en el área
de automatización de distribución de energía eléctrica, que involucra la supervisión de
procesos a distancia.
El equipo permite obtener y procesar las señales de campo, tanto digitales como
analógicas. La lectura de los parámetros analógicos (variables de tensión o corriente) no
requiere de transductores externos, ya que se lleva a cabo directamente desde el banco de
transformadores destinados para este fin. Esta condición se conoce como transducerless
(sin transductores).
CARACTERÍSTICAS DE LA V94-51.
Entre las características mas resaltantes que presenta la unidad terminal remota (UTR
V94-51) están las siguientes:
• El sistema dispone de un microcomputador industrial (KILA) CMOS PC/XT
compatible, NEC-V40, 14.5 MHz., 256 KB RAM, Real Time Clock, 256 KB
EPROM.
• Posee una plataforma de arquitectura abierta que utiliza lenguajes estándares
comerciales (lenguaje C, sistema operativo MS-DOS) y demás herramientas disponibles
en el mercado para la realización de programas de aplicación.
• Su diseño modular permite ampliar el número de entradas analógicas y puntos digitales,
entre otros.
• El sistema proporciona protección contra transitorios en las entradas analógicas y
digitales.
• La comunicación con la estación maestra (E/M) se realiza a través de radio, asíncrono,
half duplex, con Modem incluido.
• El Protocolo de comunicación empleado es el DNP V3.00.
• La configuración de comunicaciones del sistema es punto-multipunto.
• Las señales de tensión provenientes de campo son acondicionadas directamente por las
tarjetas que comunican estas señales con el CPU.
• La alimentación del sistema proviene directamente de los circuitos de 480 VAC.
FUNCIONES DE LA V94-51.
Entre las funciones que la UTR V94-51 realiza se pueden mencionar las siguientes:
• Configuración de parámetros digitales, analógicos o combinación de estos, mediante
archivo de configuración incluido en la memoria de la tarjeta del CPU.
• Procesamiento de acumuladores o contadores, valor consigna (SET POINT) y
verificación de límites.
• Capacidad de operar bajo el esquema de remota Maestra o Esclava.
CAPACIDAD DE LA V94-51.
Entre las capacidades con que cuenta la V94-51 para sus entradas analógicas y
digitales se tienen:
EQUIPO
ENTRADAS
ANALÓGICAS
ENTRADAS DIGITALES
UTR V94-51
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COMUNICACIONES DE LA V94-51.
Las comunicaciones de la UTR V94-51 se basan en el sistema multidireccional MAS
(Multiple Address System), el cual proporciona el enlace de comunicación entre la estación
maestra y las unidades remotas. Para comunicaciones con el radio, la remota emplea el
puerto COM 2 del CPU.
Entre los equipos básicos para implementar este sistema de comunicaciones se
encuentran:
• Antena:
∗ El sistema requiere una antena omnidireccional para el radio maestro (radio
instalado en la estación maestra).
∗ Las unidades remotas requieren antenas direccionales, orientadas hacia el punto
de ubicación del radio maestro.
• Torres:
La estructura de cada sub-estación H es utilizada como soporte a la línea de
transmisión y la antena.
• Líneas de transmisión.
Está constituida por cables y conectores coaxiales de bajas pérdidas, instalados entre
la antena y el transmisor de radio.
• Radio multidireccional maestra MDS 2100.
Actúa como interfaz con la unidad maestra, transmite y recibe datos hacia los radios
transmisores ubicados en las remotas. Posee módulos sintetizados de transmisión y
recepción, e igualmente capacidad de diagnóstico remoto.
Entre sus aplicaciones está la supervisión de alarmas, la automatización de
distribución, el sistema de telemetría SCADA, los campos de producción de petróleo/gas y
las comunicaciones multidireccionales.
Está equipado con transmisores, receptores, fuente de alimentación y batería en
configuración redundante, tiene una potencia de salida en el puerto de la antena de 5 Watts,
su alimentación es de 12, 24, 48, y/o 120 VDC. Posee además tierra flotante (positiva o
negativa), con panel frontal con leds indicando el estado de operación y alarmas,
entrada/salida a cuatro hilos para modulación analógica estándar (50-9600 bps con
Modem externo) y capacidad de operación para canales estándar de 12,5 KHz y 25 KHz.
• Radio multidireccional MDS 2310A.
Actúa como interfaz con la UTR. Recibe y trasmite datos hacia el radio maestro
(MDS 2100). Se caracteriza por poseer un transmisor totalmente sintetizado, por ser
programable para cualquier canal con esparcimiento de frecuencia de 6,25 KHz, todas sus
opciones de interfaz y RF están en el mismo contenido, es un encapsulado metálico
compacto, el control de frecuencia es altamente estable y proporciona un sólido
desempeño en canal, tiene una baja corriente de drenaje y potencia estable de transmisión
para aplicaciones con alimentación solar y batería.
El módulo de hardware cubre todas las frecuencias MAS en el rango comprendido
entre 914 MHz y 960 MHz, es programable en pasos de 6,25 KHz en el rango total de
frecuencias MAS (excluyendo el reemplazo de componentes), opera en canales de 12,5
MHz y 25 MHz, tiene despliegues de leds para el estado del Modem y del radio, posee un
receptor con alto grado de eficiencia y la potencia de transmisión es estable.
ALIMENTACIÓN DE LA V94-51.
El módulo de alimentación de la unidad terminal remota está constituido por los
siguientes elementos:
• Fuente conmutada de alimentación:
∗ Marca Mean Well.
∗ Módulo MW-S-150-15.
∗ La tensión de entrada está entre 90 y 130 VAC.
∗ La potencia es de 150 Watts.
∗ La salida es de 15 VDC y 10 AMP.
• Batería de Niquel-Cadmio:
∗ Marca Power-Sonic.
∗ Modelo PS-1220
∗ Tensión normal de 12 V.
∗ Capacidad de 2.0 Ah
• Fusible:
∗ Borne porta fusible.
∗ Fusible GEDISA de 2A y 500 V.
• Transformadores:
∗ Marca ARC.
∗ 480 V/110 V, 75 VA.
∗ 120 V/24 V, 10 VA.
• Módulo Power Source Card (PSC):
∗ Fabricado por C.D.C.
∗ Rango de entrada entre 12 y 15 VDC.
∗ Rango de salida entre 5 y +12 VDC.
CONTENEDOR DE LA V94-51.
El contenedor de la UTR es un gabinete NEMA 4x, color negro. Este gabinete posee
las siguientes dimensiones:
∗ Altura de 540 mm.
∗ Ancho de 455 mm.
∗ Profundidad de 270 mm.
El acceso al gabinete es frontal, a través de una puerta con tornillos de seguridad
McGard (con buje especial), que asegura el resguardo del contenido. Está provisto de
platinas fijas utilizadas para proporcionar el anclaje o soporte lateral.
HARDWARE DE LA V94-51. Entre los elementos del sistema que integran la UTR se encuentran los siguientes
módulos:
• Tarjeta KS-1 CPU (manufacturado por KILA).
• Backplane de 3 Slots (manufacturado por KILA).
• Módulo “Power Source Card” (PSC) (manufacturado por C.D.C.).
• Módulo “Analog and Digital ISA 12” (ADISA12) (manufacturado por C.D.C.).
• Módulo “Field Interface H” (FIH) (manufacturado por C.D.C.).
• Radio MDS 2310A.
• Transformador ARC para alimentación.
• Banco de transformadores ARC para entradas analógicas.
• Fuente conmutada de alimentación MEAN WELL.
• Fusible de protección (2A, 500V).
• Borneras apilables para interposición.
• Banco de baterías PS-1220.
ANÁLISIS DE OPERACIÓN DE LA V94-51.
La unidad terminal remota posee interfaces periféricos para el manejo de las entradas
analógicas y digitales, a ellas se conectan sub-sistemas externos para la interacción del
equipo. Los sub-sistemas son los siguientes:
• SUB-SISTEMAS DE DIGITALES O STATUS.
El sub-sistemas de digitales tiene como función realizar la lectura desde campo, de
los valores digitales (status) de interruptores o protecciones, entre otros. Esta lectura es
realizada por el procesador en grupo de ocho (8) bits.
Está conformado por el módulo “Analog and Digital ISA 12” (ADISA12) y por una
sección del módulo “Field Interface H” (FIH).
El sub-sistema adquiere datos de 8 entradas aisladas ópticamente, con contactos
mojados a 15 VDC (600 V de aislamiento); al cerrar el circuito de cada canal digital
cambia el valor lógico (1 ó 0) indicando una condición de alarma. Las señales digitales son
generadas por los óptoacopladores del módulo FIH donde son enviados hacia el módulo
ADISA12.
• SUB-SISTEMAS DE ANALÓGICOS.
Tiene como función realizar la lectura de los valores analógicos procedentes
de campo, directamente desde los circuitos ubicados en la estructura de la sub-estación
eléctrica donde se instala la remota.
Los elementos que conforman este sub-sistema son los siguientes:
∗ Banco de Transformadores ARC.
15 transformadores para ingreso de señales analógicas.
•• Entrada de 480 VAC. •• Salida de 4,8 V. •• Relación de transformación de 100:1. •• Potencia de 5 VA.
1 transformador para medición de falla a tierra.
•• Entrada de 120 VAC. •• Salida de 24 VAC. •• Relación de transformación de 5:1. •• Potencia de 10 VA.
∗ Módulo “Field Interface H” (FIH).
∗ Una sección del módulo “Analog and Digital ISA 12” (ADISA12).
El sub-sistema de analógicos opera de la siguiente manera:
♦ Las señales analógicas a supervisar ingresan al sistema directamente desde las barras
ubicadas en los gabinetes que alojan los breakers en las sub-estaciones. Se entiende por
circuito la toma de energía luego de los breakers y fusibles en una sub-estación. En la
distribución del cableado para la medición de tensión, una tríada se toma antes de los
circuitos, para medición de tensiones y falla a tierra; el primer circuito se conecta a la
segunda tríada, el segundo circuito se conecta a la tercera tríada, y así sucesivamente
hasta un máximo de cuatro (4) circuitos.
♦ Este tendido ingresa al gabinete de la remota a través del cableado entubado y prensa-
estopas ubicados en la base del gabinete. El tendido es realizado punto a punto entre las
barras y la bornera apilable GEDISA (B0115118). Estas señales son enviadas al banco
de transformadores para proporcionar aislamiento galvánico y escalamiento de 100:1.
♦ La señal empleada para medición de impedancia de falla a tierra, procede de la fase A
de las barras de 480 V, breakers aguas arriba, ingresando al sistema a través de las
borneras apilables, donde luego es enviada al módulo FIH.
♦ El módulo “Field Interface H” (FIH) posee una capacidad máxima de 15 canales
analógicos de tensión y un canal de inyección DC para medición de impedancia de falla
a tierra. Este módulo realiza el acondicionamiento de las señales analógicas y las ordena
en formato de cable plano de 26 hilos, a fin de posibilitar su lectura por el módulo
“Analog and Digital ISA 12” (ADISA12).
♦ Seguidamente, las señales analógicas son enviadas al módulo ADISA12. El sub-sistema
analógico emplea sólo una sección de este módulo (etapa de muestreo y retención),
constituido principalmente por un multiplexor analógico MPC506 y un conversor A/D
MAX197.
Previo a la lectura de un valor analógico, se selecciona el canal correspondiente a
través del multiplexor. La sincronización para el muestreo proviene de la periodicidad de
ejecución del CPU, lo cual garantiza simultaneidad de las muestras tomadas en todos los
canales con inmunidad a ruido inducido en lazos cerrados por cables externos.
Inmediatamente se lee la palabra correspondiente a la señal seleccionada, proceso en el
cual se realiza una “doble lectura” de la siguiente manera: se leen los 8 bits menos
significativos, se incrementa la dirección asignada al conversor A/D y se leen los 4 bits
más significativos, los bits restantes permanecen en cero. La etapa del convertidor A/D
posee un tiempo de conversión de 3 mseg por canal y una resolución de 12 bits.
♦ La salida del módulo ADISA12 está constituida por una palabra de 12 bits por canal
analógico, donde se indica el valor digital de la conversión. Una vez que el valor digital
correspondiente a la señal requerida (una por una, después de la conversión) ingresa al
bus de datos, el CPU puede realizar su lectura a través del backplane. Cada conversión
se ordena cada 0,1 seg.
La operación del módulo de medición de impedancia de falla tierra se describe de la
siguiente manera:
♦ La medición se realiza al censar el retorno de voltaje, obtenido como producto de la
inyección de + 24 VDC y -24 VDC a las fases. Este retorno es producido únicamente
por la presencia de una resistencia mensurable a tierra, cuyo valor por defecto es
producido por la resistencia de aislamiento de las fases (sistema delta) con respecto a
tierra.
♦ Cuando el módulo de medición realiza la inyección de las dos tensiones, almacena (en
forma analógica) el valor de retorno de ambas inyecciones, obteniendo el “módulo” del
valor de voltaje correspondiente a la resistencia de falla.
♦ Seguidamente, la unidad terminal remota efectúa la conversión de los valores de voltaje
obtenidos, para determinar la resistencia de falla equivalente.
• SUB-SISTEMAS DE COMUNICACIONES.
Se encarga de establecer la comunicación entre la unidad terminal remota V94-51 y
la Estación Maestra. Se constituye por los siguientes elementos:
∗ Antena.
∗ Radio MDS 2310A.
∗ Tarjeta CPU KILA KS-1, puerto serial COM 2.
El sub-sistema de comunicaciones opera de la siguiente manera:
♦ La antena recibe el mensaje transmitido por la estación maestra, y la envía al radio MDS
2310A vía cable Heliax.
♦ El mensaje aceptado es empaquetado en grupos de 10 bits, con la finalidad de
transmitirlos al puerto serial del CPU de la remota.
♦ El software residente en el CPU examina el mensaje recibido de acuerdo con el
protocolo de comunicaciones.
♦ El CPU verifica la longitud del mensaje que el algoritmo CRC (Cyclic Redundancy
Check) este correcto y la coincidencia de la dirección remota V94-51 contenida en el
mensaje recibido con la dirección asignada al equipo. En caso de no ser la misma,
determina si se trata de un mensaje dirigido a otra remota. En cualquiera de los casos se
lleva estadística.
♦ En caso de que el mensaje esté dirigido a la remota V94-51 en específico, el CPU
determina el tipo de función requerida por la estación maestra: envío de datos digitales,
envío de datos analógicos, etc.
♦ El CPU procesa la requisición, habilitando el sub-sistema de analógicos o de digitales,
de acuerdo con el tipo de función solicitada por la estación maestra.
♦ El CPU envía los datos resultantes de la función realizada por la V94-51 a la estación
maestra, colocando el mensaje en el bus de transmisión de acuerdo con el protocolo de
comunicaciones DNP V3.0.
♦ El mensaje es recibido por el radio MDS y enviado posteriormente a la estación maestra
a través de la antena.
• SUB-SISTEMA DE ALIMENTACIÓN.
Proporciona las tensiones de alimentación requerida por los componentes
electrónicos de la UTR V94-51. Está constituido por los siguientes elementos:
∗ Borneras apilables (acceso del cableado de campo).
∗ Transformadores ARC 480 V / 120 V, 75 VA.
∗ Transformadores ARC 120 V / 24 V, 10 VA.
∗ Fuente conmutada de alimentación MEAN WELL (MW-5-150-15).
∗ Banco de baterías (Ni-Cd) Power Sonic Ps1220.
∗ Fusible GEDISA 2A, 500 V.
∗ Módulo “Power Source Card” (PSC).
El sub-sistema de alimentación opera según se describe a continuación:
♦ La tensión de la línea (480 VAC) ingresa al equipo a través de la bornera apilable,
desde donde se conduce al transformador ARC (480 V / 120 V).
♦ La tensión de 120 V ingresa al transformador 120 V / 24 V, desde donde se conduce al
módulo FIH.
♦ Desde la salida del transformador (480 V / 120 V) la tensión de línea 120 V se lleva a la
bornera de la fuente MEAN WELL (AC input).
♦ La fuente entrega una tensión de + 15 VCD, la cual es conducida hacia el módulo
“Power Source Card” (PSC).
♦ El módulo PSC controla el suministro de alimentación, seleccionando entre la
fuente MEAN WELL y el banco de baterías (en caso de ausencia de tensión
procedente de campo).
♦ La tensión DC seleccionada proporciona la alimentación a las distintas secciones del
equipo, + 5 VDC (generados por el módulo PSC) utilizados para alimentar la lógica
digital del equipo, contenida en las tarjetas CPU KS-1 y ADISA12. + 15 VDC, para
generar tensiones auxiliares en el módulo FIH y alimentar el módulo ADISA12. + 15
VDC aislados (600 VDC de aislamiento) para los componentes electrónicos asociados
a contactos digitales procedentes de campo (contactos mojados a +15 VDC respecto a
tierra de la sub-estación).
SOFTWARE DE LA V94-51.
El software de la unidad terminal remota V94-51 está constituida por un módulo o
programa principal y varios módulos lógicos independientes.
♦ PROGRAMA PRINCIPAL.
El módulo o programa principal consta de las siguientes rutinas:
∗ Inicialización: Esta rutina tiene la función de asignar un estado fijo inicial a los parámetros
globales de la UTR (puntos de entrada/salida).
∗ Set Up: Se encarga de leer tanto la configuración de la dirección DNP de la UTR,
ubicada en la memoria EEPROM de la tarjeta ADISA12, como los parámetros de
operación de la remota.
∗ Set Up Tles: Realiza la lectura de la base de datos con la configuración de los puntos
analógicos transducerless (sin transductores). La base de datos de canales analógicos
está ubicada en el archivo CONFIG.DAT. Este archivo contiene los canales analógicos
como voltaje rms AC, rms DC y resistencia de falla a tierra. Éste se ubica en memoria
EEPROM y sólo es posible almacenarlo en la UTR a través de un programa de
memorias EPROM genérico.
∗ RTK (Real Time Kernel): Esta rutina administra la ejecución de las tareas realizadas por
los distintos módulos lógicos. La RTK es un sistema multitarea (multi Threaded), es
decir, permite tener muchas funciones o tareas que se ejecutan ocurrentemente,
compartiendo todas ellas el mismo segmento de datos (data segment). El sistema
multitarea es preemptivo, lo que significa, que el tiempo del CPU es proporcionado a la
tarea de mayor prioridad. Además el sistema multitarea está desarrollado para la
ejecución de tareas en ambiente de tiempo real (real time), lo que significa que las de
menos prioridad sólo reciben tiempo del CPU si aquellas tareas que poseen mayor
prioridad están inactivas.
En resumen, esta rutina persigue el objetivo de posibilitar la ejecución de todas las
tareas, turnando el tiempo del CPU de la manera más eficiente posible, esto es respetando
la prioridad de cada una de ellas.
♦ MÓDULOS LÓGICOS.
Las distintas tareas son realizadas por los siguientes módulos independientes:
∗ Módulo Fast Tick: Es un módulo de alta prioridad, utilizado para la lectura de los puntos
digitales SOE (Secuencia de Eventos) cada 1 mseg. Él se configura a 1000 ticks por
segundo, es decir un tick por milisegundo, lo cual asegura la rapidez de este módulo.
Los puntos SOE leídos se almacenan en un buffer de eventos en RAM, colocándole a
cada punto los siguientes elementos: un campo de estado y el tag (etiqueta) de la hora y
fecha en milisegundos, contados a partir del primero de enero de 1970 a la hora
0:00:00:00 p.m.. Posteriormente se hace un divisor de ticks por ocho, a fin de llevar el
tick del sistema a 125 ticks/seg., para que pueda ser utilizado por las demás tareas de
Kernel.
El módulo Fast Tick utiliza dos tareas de la rutina RTK para llevar a cabo sus
funciones, la rutina de digitales, la cual se encarga de transferir la información del buffer
de eventos al buffer de datos para ser transmitida al SCADA, y el secmain, que se
encarga de manejar y mantener actualizado el buffer de eventos.
∗ Módulo de comunicaciones DNP (Distributed Network Protocol): El DNP es un
protocolo estándar, cuyo diseño se basa en tres (3) capas del modelo OSI de siete (7)
capas. La capa física (physical layer) define la interfaz a utilizar (RS232 ó RS5485), la
capa de enlace de datos (data link layer) define el formato del mensaje y la capa de
aplicaciones (application) que define la funcionalidad.
La selección de este protocolo obedece a que no requiere transductores, posee
intervalos de tiempo menores para pruebas, mantenimiento y entrenamiento;
adicionalmente presenta facilidad para expansión.
El protocolo DNP ofrece reportes sin solicitud, puede configurarse tanto Upload
como Download, su comunicación es balanceada, presenta comunicaciones entre
dispositivos del mismo nivel (peer to peer), tiene independencia de objetos de datos,
independencia del medio de comunicación, puede transmitir archivos y configuración,
direcciona hasta 65.000 dispositivos, posee sincronismo en tiempo y niveles de
prioridad de datos.
La capa física actúa como manejador (driver) de comunicaciones
(COMM2TASK) con el SCADA (unidad terminal maestra) a través del puerto serial
COM2 del CPU. Se activa por interrupciones del puerto serial. La comunicación es
serial, punto a punto, half duplex, a cuatro (4) hilos y 9.600 bps. Se realizan a través de
radios microondas (MDS) con modulación FSK, con portadoras a 900 MHz. Utiliza las
tareas de la rutina RTK: Serial Trans (transmisión serial) y Comm Err (manejo de los
errores de comunicaciones en los bytes recibidos).
La capa de enlace (módulo de protocolo) se encarga de sincronizar las
comunicaciones entre el SCADA y la UTR. Establece las comunicaciones de forma
automática, basándose en el parámetro de dirección destino. A su vez, se encarga de
convertir o empacar los datos de usuario en tramas bajo formato DNP para ser
transmitidos a través de la capa física. Adicionalmente, obtiene las tramas provenientes
de la capa física, convirtiéndolas en datos de usuario.
Se encarga del manejo de errores en las tramas de comunicación, verificación de
CRC (Cyclic Redundancy Check) de 16 bits de las tramas, en todos sus puntos,
validación de la dirección de destino y verificación del origen de las tramas (de una
estación primaria o secundaria).
La capa de aplicación se encarga de atender los requerimientos de SCADA,
discriminando entre los tipos de datos que puedan solicitarse a la UTR. Todos los datos
se manejan sobre la base de objetos, estos pueden ser digitales estáticos, que realizan
scannings de integridad de todos los puntos digitales de la UTR en un instante de tiempo;
digitales tipo eventos (SOE) para reportar todos los puntos SOE que cambiaron su
estado; analógicos estáticos similares a los digitales estáticos, sólo que reporta puntos
analógicos y colocación de la hora y fecha interna de la UTR.
∗ Módulo Tick Task: Este módulo representa el administrador del timer del sistema, es
decir, es el cronómetro utilizado por cada una de las tareas. El tick del sistema se
configura a 125 ticks por segundo, que asegura el paralelismo de las tareas del sistema.
∗ Módulos de analógicos: Este módulo se encarga de realizar el barrido de los canales de
datos analógicos (16 canales máximo en el caso de estar una sola tarjeta ADISA12
instalada, o bien 32 canales en el caso de dos tarjetas ADISA12 instaladas),
almacenándolos en memoria y enviándolos posteriormente al módulo de comunicaciones
DNP. Se activa periódicamente cada 125 mseg., inicia el proceso de conversión en la
tarjeta ADISA12 activando el multiplexor analógico que permite la selección de cada
uno de los 16 canales de datos analógicos. La salida de esta tarjeta corresponde a una
palabra de 12 bits proveniente del conversor A/D, la cual es transferida al CPU en dos
lecturas de 8 bits.
En este módulo se encuentra la rutina SAMPLE que realiza el muestreo de las
señales analógicas provenientes de los módulos físicos de aislamiento y digitalizadas con
la tarjeta ADISA12. El valor estándar configurado por Hardware y Software de la
remota V94-51, es de 16 canales analógicos. Esto significa que cada 125 mseg. se
obtiene una muestra de la señal periódica sinusoidal de cada uno de los canales
analógicos, hasta llenar un buffer en memoria RAM de 128 muestras. Las muestras
obtenidas son de 12 bits por lo que las cuentas digitales se encuentran entre 0 y 4095.
Estas cuentas deben procesarse para obtener los valores RMS.
Se utiliza igualmente en el módulo, la rutina SIGNAL PROCESSOR que se
encarga del procesamiento de los buffers de muestras para la obtención de los canales
calculados (lógicos) analógicos. Se utilizan las rutinas de SIMPSON RMS para el
cálculo de voltaje y corriente. Esta rutina requiere de cálculos avanzados de integrales y
sumatorias. Se utilizan filtros cuadráticos y de promedio a fin de suavizar los resultados
obtenidos. Los resultados de estas operaciones se almacena en registros de analógicos,
ubicados en memoria RAM del CPU KILA KS-1, que son utilizados para reportar las
variaciones al SCADA y a la cónsola de la UTR. La banda muerta (dead band) se
configura en 3 % de full escala de los analógicos (4096 cuentas para los canales de
tensión y 32768 cuentas para la impedancia de falla).
Los valores calculados se presentan en cuentas digitales. Para ser llevados a
unidades de ingeniería, deben multiplicarse por los respectivos valores de escalamiento.
Los reportes de analógicos al SCADA se hacen en cuentas de 12 bits para tensiones y
16 bits para impedancias, siendo el tope de la escala diferente para cada uno.
∗ Módulo de medición de impedancia: Se encarga de la obtención del valor de la
impedancia detectada, en caso de ocurrencia de una falla a tierra. El módulo hace uso
del Hardware para inyección DC al sistema.
∗ Módulo de digitales SOE: Se encarga del barrido de los puntos digitales SOE, así como
también la detección de los eventos y su almacenamiento en memoria (buffer). Con estos
datos se construyen los mensajes de status de digitales SOE, eventos y números de
eventos. Es activado por el módulo Fast Tick.
∗ Módulo Command (CMD): Administra la cónsola del sistema. Desde ella se pueden
desplegar en la pantalla del PC o Laptop, el estado interno de UTR. Se puede obtener
información de los puntos analógicos (en cuentas digitales y en unidades de ingeniería),
de los puntos digitales (en forma estática), de la UTR (número de tarjetas configuradas,
dirección física de UTR, del SCADA) y se pueden llevar estadísticas de las
comunicaciones de la UTR con el SCADA (UTR como estación primaria y UTR como
estación secundaria).
♦ INTERACCIÓN ENTRE LOS MÓDULOS LÓGICOS.
La estación maestra (SCADA) se comunica con la unidad terminal remota vía radio a
través de la capa física, solicitándole información acerca de las señales monitoreadas en
campo. La finalidad de las comunicaciones consiste en procesar esta requisición, obtener
los datos y transmitir la respuesta de la UTR en un mensaje codificado bajo el protocolo
establecido.
Una vez que la requisición ha ingresado a la UTR, la capa de enlace genera una
estructura de datos que será leída por la capa de aplicación. Después de procesar los datos
requeridos por el SCADA, la capa de aplicación escribe su respuesta de forma tal que esa
información se transmite hacia el SCADA mediante la capa física.
Para el caso de lectura de analógicos, el módulo respectivo lee los datos de las
entradas analógicas de la tarjeta ADISA12 (que convierte los datos analógicos en formato
digital de 12 bits) y los almacena en un buffer, en el que se encuentran las muestras de
todos los canales de analógicos de la remota. Este mismo módulo realiza la lectura del
buffer, los procesa y escribe en memoria, actualizando constantemente el valor de cada uno
de ellos.
Para cuando la lectura es de digitales, el módulo de digitales SOE genera y mantiene
constantemente actualizada la base de datos contenida en una estructura de memoria
destinada para tal fin; esta información deberá ser leída y enviada por la capa de aplicación.
TARJETA ADISA12.
La tarjeta ADISA12 (Analog and Digital ISA 12), manufacturada por CDC
(Corporación Dominicana de Control), es un módulo de adquisición de datos procedentes
del módulo FIH (Fiel Interface H), para su posterior envío al CPU del equipo.
Posee una sección para la conversión analógico digital, para digitalizar los valores
analógicos procedentes de campo (vía módulo FIH).
La tarjeta posee una capacidad para 23 entradas analógicas de voltaje y 14 entradas
digitales.
Está provista de una sección de watchdog timer para supervisión del sistema y de una
memoria EEPROM para almacenamiento de la configuración del equipo.
Se alimenta con las tensiones de + 15 VDC y 5 VDC, procedente de la tarjeta PSC
(Power Source Card), a través del bus ISA.
COMPONENTES DE LA ADISA12.
Los dispositivos electrónicos y eléctricos que componen la tarjeta ADISA12 se
agrupan según un conjunto de bloques.
♦ BLOQUE DE SELECCIÓN.
∗ 6 condensadores de 0,1 mF, 50 V (con referencias C2, C7, C10, C20, C22 y C23).
∗ 1 Sip de resistencia de 10 KΩ (con referencia RP1).
∗ 2 resistencias de 1 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R35 y R36).
∗ 2 buffers tri-state bidireccionales 74HC245 (con referencia U2 y U3).
∗ 1 decodificador 3:8 74HC138 (con referencia U4).
∗ 1 comparador de magnitud 8 bits 74HC688 (con referencia U5).
∗ 1 compuerta OR 74HC32 (con referencia U6).
∗ 1 compuerta NOR 74HC02 (con referencia U13).
∗ 11 jumpers de 2 pines (con referencias W1, W2, W3, W4, W5, W9, W10, W11,
W12, W13 y W14).
∗ 1 transistor bipolar NPN 2N3904 (con referencia Q4).
♦ BLOQUE DE ANALÓGICOS.
∗ 1 condensador de 100 pF, 100 V (con referencia C1).
∗ 1 condensador de 100 mF, 50 V (con referencia C2).
∗ 10 condensadores de 0,1 mF, 50 V (con referencias C11, C13, C14, C15, C16, C18,
C19, C25, C26 y C28).
∗ 2 condensadores de 4,7 mF, 50 V (con referencias C21 y C24).
∗ 1 condensador de 1 mF, 50 V (con referencia C29).
∗ 1 diodo zener 1N4733, 5.1 V, 1 W (con referencia D1).
∗ 1 regulador de precisión TL431CLP (con referencia D2).
∗ 1 diodo 1N4148 (con referencia D4).
∗ 1 transistor bipolar NPN TIP29AGE, 60 V, 1A (con referencia Q1).
∗ 1 transistor bipolar NPN 2N3904 (con referencia Q2).
∗ 1 resistencia de 120 Ω, ½ W, 5 % (con referencia R1).
∗ 17 resistencia de 1 KΩ, ¼ W, 1 % (con referencias R2, R3, R7 a R21).
∗ 1 resistencia de 680 Ω, ¼ W, 5 % (con referencia R4).
∗ 2 resistencias de 1 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R31 y R33).
∗ 8 resistencias de 110 KΩ, ¼ W, 1% (con referencias R22 a R29).
∗ 1 resistencia de 470 K Ω, ¼ W, 5 % (con referencia R32).
∗ 1 resistencia de 10Ω , ¼ W, 5 % (con referencia RGND).
∗ 1 convertidor A/D MAX197 (con referencia U1).
∗ 1 multiplexor analógico 16:1 MPC506AP (con referencia U8).
∗ 1 regulador de voltaje LM78L05ACZ, 5 V, 100 mA (con referencia U12).
∗ 4 jumper de 3 pines (con referencias J8, W6, W7 y W8).
∗ 1 conector tipo header de 26 pines (con referencia P1).
∗ 1 amplificador operacional cuádruple LM324 (con referencia U14).
♦ BLOQUE DE DIGITALES.
∗ 2 sips de resistencias de 10 KΩ (con referencias RP2 y RP3).
∗ 2 buffers tri-state bidireccionales 74HC245 (con referencias U7 y U17).
∗ 2 buffers tri-state 754HC273 (con referencias U10 y U11).
∗ 1 conector tipo header de 26 pines (con referencia P2).
∗ 1 resistencia de 1 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencia R5).
∗ 1 led (con referencia D3).
∗ 4 condensadores de 0,1 mF, 50 V (con referencia C5, C6, C7 y C9).
♦ BLOQUE DE WATCHDOG..
∗ 1 condensador de 1 nF, 100 V (con referencia C27).
∗ 2 condensadores de 0,1 mF (con referencias C4 y C8).
∗ 1 diodo 1N4148 (con referencia D5).
∗ 1 transistor bipolar NPN 2N3904 (con referencia Q39).
∗ 2 resistencias de 1 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R30 y R34).
∗ 1 resistencia de 10 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencia R6).
∗ 1 micromonitor chip DS1232 (con referencia U15).
∗ 1 flip flop dual J-K 74HC74 (con referencia U16).
∗ 5 jumpers de 3 pines (con referencias J3, J4, J5, J6 y J7).
∗ 1 conector tipo header de 2 pines (con referencia JP1).
♦ BLOQUE DE EEPROM.
∗ 1 EEPROM serial (con referencia U9).
∗ 1 condensador de 0,1 mF, 50 V (con referencia C12).
ANÁLISIS DE OPERACIÓN DE LA ADISA12.
Para la descripción de como opera la tarjeta Analog and Digital ISA 12 (ADISA12),
es necesario agrupar los procesos según el siguiente conjunto de bloques.
♦ BLOQUE DE SELECCIÓN.
La selección de la tarjeta se asigna a través de los jumpers W9 a W14. La
decodificación de la dirección es realizada por el comparador U5, al leer los datos enviados
por el CPU a través del bus de direcciones.
Los dispositivos U2, U3, U4, Q4 y U6 son utilizados para direccionamiento,
habilitación y manejo de las distintas secciones de la tarjeta.
♦ BLOQUE DE ANALÓGICOS.
∗ Etapa de entrada: está constituida por un conjunto de resistencias (R7 a R29)
conectadas a la “tierra de referencia” (GNDF), lo cual garantiza que el nivel de tensión
de los canales analógicos se mantenga dentro del rango adecuado para la operación del
bloque de conversión.
Adicionalmente, para las resistencias R22 hasta R29 el nodo de tierra es
configurable, a la “tierra real” (GNDA) o a la “tierra de referencia”, a través de los
jumpers W6 y W7.
∗ Voltaje de Offset: la circuitería asociada con los analógicos puede configurarse para
lectura, usando o no una fuente negativa. La configuración implementada no emplea la
fuente negativa, razón por la cual se suma el voltaje de offset (+ 4.096 V) a los canales
analógicos bajo supervisión.
El voltaje de offset es obtenido a partir de una referencia estable generada por el
conversor U1 (pin 26, señal REF4096). El driver conformado por U14C, U14D, D1 y
Q1 permite incrementar la capacidad de inyección de corriente de esta señal.
∗ Selección de canal: la selección de todos los canales analógicos se realiza a través del
multiplexor de 16 canales (U8), efectuando la selección mediante las señales MUXA0,
MUXA1, MUXA2, MUXA3. La señal de salida (MUX OUT) se envía a un circuito
de “atrapa picos”, implementado con U14A y U14B. Este circuito permite obtener el
valor pico máximo de la señal analógica y generar una tensión DC equivalente, a fin de
posibilitar una lectura estable, independientemente de la frecuencia de muestreo.
Finalmente, la señal CH-MUX es leída por el canal CH0 del conversor analógico/digital
(U1).
∗ Digitalización: el dispositivo U1 realiza la conversión a digital de la señal CH-MUX. El
mecanismo de conversión es configurable por software, para lo cual se realizan
escrituras en el conversor (a través de sus líneas de datos) de secuencias específicas
para la forma de conversión deseada. Cada vez que el CPU solicita la conversión de un
dato, deben enviarse todos los parámetros de configuración.
La configuración para conversión implementada, genera un dato válido al cabo de
3 mseg.; en ese instante, la línea -INT de conversor es habilitada, informando al CPU
que finalizó la conversión y el dato es válido. Posteriormente el CPU procede a realizar
la lectura de la salida del conversor A/D, obteniendo el valor digital del canal
seleccionado.
Adicionalmente, el conversor digitaliza otras señales para su auto calibración, tal
como la señal proveniente del regulador D2 (la cual constituye una referencia externa de
+5 VDC).
♦ BLOQUE DE DIGITALES.
La lectura de las señales digitales se realiza mediante U7 y U17, los cuales son
habilitados por U6C y U6B (respectivamente). Al realizar la lectura de U7 se obtienen los
canales digitales D16-0 a D16-7; U17 permite leer los canales digitales D16-8 a D16-13
(no implementados) y otras líneas utilizadas por la tarjeta ADISA12 (1RQ,
EEPROM_D0).
Los componentes U6A y U6D habilitan los dispositivos U10 y U11, permitiendo
realizar operaciones de escritura en las señales digitales. La escritura en U10 permite
modificar el valor a algunas señales propias de la tarjeta (MUXA0, MUXA1, MUXA2,
MUXA3, EEPROM_CS, EEPROM_CLK, EEPROM_D1) y controlar el encendido del
led D3 (utilizado para indicar actividad en el CPU), mientras que al escribir en U11 es
posible modificar el valor de los digitales que se envían al conector P2.
♦ BLOQUE DE WATCHDOG.
Se basa en la operación del micromonitor chip DS1232 (U15) el cual realiza dos
funciones fundamentales: supervisión de la tensión de alimentación del CPU y watchdog
timer.
El DS1232 detecta condiciones de operación fuera de tolerancia para la fuente de
alimentación del CPU y protege al sistema sobre una falla de alimentación. Las señales RST
y -RST (del dispositivo U15) pasan a estado activo, una vez que la tensión de alimentación
cae por debajo de un nivel preestablecido, definido por la entrada TOL. En la tarjeta es
posible configurar esta señal a través del jumper J4.
CONEXIÓN
NIVEL
J 4
TOL = GND
Vcc < 4,75 V
1 - 2
TOL = Vcc
Vcc < 4,5 V
2 - 3
La función de watchdog timer forza la señal - RST (reset, nivel activo bajo, pin
6 de U15) a estado activo cuando la señal - ST (strobe, nivel activo bajo) no es estimulada
durante un período de tiempo determinado (time out), el cual se establece a través de la
entrada TD (time delay set). En la tarjeta es posible configurar este valor a través del
jumper J5.
CONEXIÓN
TIEM OUT
J 5
TD = GND
150 mseg.
1 - 2
TD = FLOAT
600 mseg.
NC
TD = Vcc
1200 mseg.
2 - 3
La función de supervisión o watchdog timer es realizada por el bloque conformado
por U15, U13D, U16A y U16B.
U16A permite suprimir la acción del watchdog durante el proceso de inicio del
CPU.
♦ BLOQUE DE EEPROM.
La tarjeta posee una EEPROM serial (U9), manejada a través de las líneas
EEPROM_CS (selección), o EEPROM_CLK (reloj), EEPROM_DI (data input) y
EEPROM_D0 (data output). Estas señales son enviadas por el CPU a través de los puntos
digitales U10 (escritura) y U17 (lectura).
Este dispositivo es utilizado para almacenamiento de direcciones asignadas al equipo,
factores de set-point y factores de calibración.
TARJETA FIH.
La tarjeta FIH (Field Interface H), manufacturada por C.D.C. (Corporación
Dominicana de Control), es una interfaz de campo que actúa como filtro de línea para las
señales analógicas. Dispone de capacidad para ordenar los puntos digitales y analógicos
procedentes de campo (previamente escalados a través del banco de transformadores), en
un formato de cable plano de 26 hilos.
Proporciona aislamiento óptico para las entradas digitales, separando las tierras del
sistema de la conexión a tierra de campo.
Los canales analógicos poseen protección contra picos de tensión a través de
varistores.
La tarjeta FIH sirve de acople de impedancia para la tarjeta conversora
analógico/digital.
COMPONENTES DE LA FIH.
Los dispositivos eléctricos y electrónicos que componen la tarjeta FIH se
agrupan según un conjunto de bloques.
♦ BLOQUE ANALÓGICO.
∗ 2 conectores MTA de 0,1”, 16 pines (con referencias IN1 e IN2).
∗ 1 conector tipo header de 26 pines (con referencia P2).
∗ 15 resistencias de 1 KΩ, ¼ W, 1 % (con referencias R20 a R34).
∗ 16 varistores ERZ-V05D180 (18V) (con referencias D11 a D26).
♦ BLOQUE DIGITAL.
∗ 8 resistencias de 1,2 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R12 a R19).
∗ 8 diodos 1N4007 (con referencias D1 a D8).
∗ 2 óptoacopladores cuádruples PS2505-4NEC (con referencias ISO1 e ISO2).
∗ 2 conectores MTA 0,1”, 8 pines (con referencias IN3 e IN4).
∗ 1 conector tipo header de 26 pines (con referencia P1).
♦ BLOQUE DE MEDICIÓN.
∗ 2 condensadores de 0,1 mF, 50 V (con referencias C10 y C12).
∗ 2 condensadores de 1 mF, 100 V (con referencias C13 y C14).
∗ 2 condensadores de 2,2 mF (con referencias C15 y C16).
∗ 1 resistencia de 10 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencia R17).
∗ 2 resistencias de 100 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R18 y R19).
∗ 1 resistencia de 100 KΩ, 10 W, 1 % (con referencia R21).
∗ 1 amplificador operacional LM324 (con referencia U6D).
♦ BLOQUE DE MUESTREO.
∗ 3 condensadores de 10 mF, 16 V (con referencias C2, C5 y C6).
∗ 1 condensador de 0,01 mF, 50 V (con referencia C3).
∗ 2 condensadores de 0,1 mF, 50 V (con referencias C4 y C9),
∗ 2 diodos 1N4148 (con referencias D8 y D9).
∗ 2 resistencias de 10 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R5 y R11).
∗ 1 resistencia de 5,1 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencia R4).
∗ 4 resistencias de 24 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R6, R7, R8 y R13).
∗ 2 resistencias de 47 KΩ, ¼ W, 5 % (con referencias R12 y R16).
∗ 3 amplificadores operacionales LM324 (con referencia U6A, U6B y U6C).
ANÁLISIS DE OPERACIÓN DE LA FIH.
Para la descripción de como opera la tarjeta Field Interface H (FIH), es necesario
agrupar los procesos según el siguiente conjunto de bloques.
♦ BLOQUE DE OPERACIÓN.
La tarjeta recibe quince (15) entradas analógicas procedentes del banco de
transformadores. Se proporciona el acople necesario con la tarjeta conversora A/D a
través de las resistencias R20 a R34, desde donde se envían las señales hacia la tarjeta
conversora, vía el conector P2.
♦ BLOQUE DIGITAL.
Cuando se presenta una señal de campo en nivel lógico alto, la corriente a través de
las resistencias en la etapa de entrada es regulada, de forma tal que el transistor del
acoplador óptico pasa a operar en la región de saturación; se obtiene entonces un nivel
lógico bajo en el colector.
Cuando se presenta una señal de campo en nivel lógico bajo, el transistor del
acoplador óptico pasa a la región de corte, obteniéndose un nivel lógico alto en el colector.
Las ocho (8) salidas digitales procedentes de los acopladores ópticos van a través
del header P1 hacia la tarjeta ADISA12.
♦ BLOQUE DE MEDICIÓN. La etapa de entrada consta de un filtro de segundo orden, con frecuencia de
corte de 1 Hz y atenuación X10. La salida VDC es una medida del divisor de tensión DC
ocasionada por la existencia de impedancia de falla.
♦ BLOQUE DE MUESTREO.
La señal VDC procedente del bloque de medición es almacenada temporalmente
como SH_1 en el dispositivo U3, bajo el control de la señal SMPL1 procedente de U5.
Seguidamente, se invierte la polaridad de la señal inyectada en el bloque de medición
(U5, RET), obteniéndose un nuevo valor para VDC. Este nuevo valor de VDC ingresa
conjuntamente con la señal SH_1 en el amplificador operacional U6C, en configuración
“diferenciador”.
La señal de salida de U6C (UDIF) es muestreada por U2, bajo el control de la señal
SMPL2, obteniéndose SH_2. La señal SH_2 pasa a través del dispositivo U6B (buffer)
para obtener VOUT1. Esta señal se encuentra en el rango comprendido de 0 a 8 voltios,
representando los valores máximos y mínimos, respectivamente, de la impedancia de falla
(32 MΩ y 0Ω).
El bloque conformado por el dispositivo U6A y las resistencias R5, R6, R7 y R11 en
configuración diferenciador, le resta cinco voltios (5 V) a la señal VOUT1 y la amplifica 2.4
veces, para obtener una señal de 7,2 voltios máximos (VOUT2). La finalidad de este
bloque es la de aumentar la resolución de la medición para resistencias de menor valor
empleando los doce (12) bits del conversor para medir el rango de 0Ω a 70 KΩ.
El voltaje negativo necesario para la operación de este bloque (-9 V) es obtenido a
través del dispositivo U1 en una configuración típica de ”bomba de corriente”.
2.- ESTUDIO Y PLANTEAMIENTO DE LAS POSIBLES MEJORAS AL
SISTEMA DE SUPERVISION.
Si bien es cierto que el sistema de supervisión actualmente instalado en las sub-
estaciones eléctricas tipo H posee numerosas alternativas en el área de seguridad, también
es cierto que se han detectado deficiencias en el mismo.
VOUT2 IMPEDANCIA DE FALLA
0 V 70 KΩ
7,2 V 0 Ω
Para el inicio del estudio acerca de las deficiencias del sistema de supervisión de las
sub-estaciones era necesario establecer una muestra de las sesenta sub-estaciones
automatizadas.
La selección de las sub-estaciones en las cuales se realizó la evaluación del sistema
de supervisión, se llevó a cabo en conjunto con el departamento de servicios eléctricos de
PDVSA, quien a través de un formato de interrupciones eléctricas en niveles de baja
tensión llevan registros bien documentados de las mismas, lo que permitió determinar cuales
sub-estaciones automatizadas habían sido objeto de la acción de terceras personas
(hurtos).
Para el estudio, se tomó el período comprendido entre el quince (15) de febrero y el
quince (15) de marzo de este año, encontrándose que tanto en el área de Tía Juana, en las
sub-estaciones H6-9, C7-5 y E8-B ; como en el área de Lagunillas, en las sub-estaciones
R4-B, 07-4 y S6-0, se cometieron hurtos.
Es importante destacar que las acciones ejecutadas por terceros parecieran seguir un
patrón, tener conocimiento acerca de la existencia del sistema de supervisión, su
funcionamiento y por ende, como evitarlo.
El análisis de los hurtos en las sub-estaciones condujo la investigación a determinar
las debilidades del sistema de supervisión, las cuales se mencionan a continuación :
∗ En la fase inicial de la ejecución del proyecto, el banco de transformadores destinado
para la lectura de señales analógicas de campo se encontraba situado dentro del
contenedor de la V94-51. Al poner a prueba el sistema se determinó que el espacio
físico destinado para dichos transformadores no era el adecuado, presentándose arcos
entre los primarios de los mismos debido a los altos voltajes (480 voltios) que se
manejaban.
Según recomendaciones del departamento de ingeniería de detalles, este banco
de transformadores debía situarse en un nuevo NEMA externo a la remota, que
cumpliera con las normas eléctricas necesarias para su correcto funcionamiento. La
gerencia de automatización acepta la sugerencia e instala un nuevo contenedor GIC
(Gabinete Interfaz de Campo) para los transformadores.
Entre los dispositivos de seguridad con los que cuenta el sistema de supervisión,
se encuentra un microinterruptor de contacto instalado en la puerta del contenedor de la
remota.
Para el nuevo gabinete de interfaz de campo no se previó la instalación de uno de
estos interruptores de contacto en su puerta, hecho que permite el acceso al mismo sin
dificultad, ya que la cerradura que éste posee no representa seguridad alguna.
Igualmente, en la evaluación de las sub-estaciones, se encontró que en algunos
casos el cuerpo de baterías, específicamente el compartimiento que alberga los fusibles,
es violentado, y sin necesidad de desenergizar la sub-estación estos fusibles son
hurtados. Dicho compartimiento está protegido únicamente por tornillos convencionales,
que no ofrecen ninguna garantía ante la acción de terceras personas.
La unidad terminal remota está en la capacidad de detectar el hurto en la sub-
estación, pero de manera tardía, ya que no es sino hasta el momento en que el fusible se
extrae del cuerpo de baterías y el circuito presenta ausencia de voltaje que la V94-51 lo
detecta enviando la señal al SCADA.
∗ Como se ha mencionado anteriormente, las sub-estaciones eléctricas tipo H cumplen
con la finalidad de alimentar los pozos de producción para así garantizar su
funcionamiento continuo. Es lógico entonces pensar, que cualquier esfuerzo por
mantener la sub-estación en condiciones normales, está orientado a garantizar las metas
del departamento de producción.
Entre los hurtos mas frecuentes que se llevan a cabo en el sistema eléctrico
petrolero, se encuentran los siguientes: bajantes de pozos (cable armado), tramos de
líneas de transmisión, transformadores, fusibles, entre otros.
La observación del entorno de la sub-estación ratificó que el sistema de
supervisión controla de manera eficiente lo relacionado con la alta tensión que se maneja
en ella, ya que se ha evitado el hurto de los transformadores reductores (6,9 KV a 480
V) en aquellas que se encuentran automatizadas. De igual manera, se detecta
inmediatamente a través de los transformadores de baja tensión si la sub-estación o
algún circuito de la misma es desenergizado.
Una sub-estación automatizada está en la capacidad de determinar ausencia de
voltaje, esto traduce cortes de las líneas de transmisión de alto voltaje (ausencia de 6,9
KV), corte de las entradas de los transformadores de reducción y corte de las líneas de
transmisión de baja tensión (480 V).
Sin embargo, se ha detectado que ante la presencia del sistema de supervisión, las
acciones de terceras personas se orientan directamente hacia los pozos de producción.
Una característica importante, que hasta el momento no había sido tomada en
cuenta, es el corte de los bajantes (cable armado) que alimentan directamente los pozos
de producción, hecho que invalida cualquier acción del sistema de supervisión, ya que
éste sólo supervisa los niveles de alta y baja tensión en el entorno de la sub-estación, la
cual para el momento del corte del bajante se encuentra en condiciones normales de
funcionamiento, permitiendo que terceras personas puedan cometer hurtos en los pozos
de producción sin ser detectados.
∗ Una de las deficiencias que se encontró no sólo en las sub-estaciones que fueron
hurtadas, sino que de manera generalizada, es que el CPU de la unidad terminal remota
en muchas ocasiones queda bloqueado (colgado) y la única manera de inicializar el
sistema es trasladarse hasta el sitio y resetear manualmente la remota.
Una vez realizado el estudio acerca de las deficiencias del sistema de supervisión, del
entorno de las sub-estaciones y de la manera en que se cometieron los hurtos, pueden ser
formuladas las siguientes mejoras para optimizar el monitoreo :
∗ Para garantizar que el sistema de supervisión tendrá el control de la aperturas de
gabinetes en campo (contenedor de la remota, gabinete de interfaz de campo y cuerpo
de baterías), deben instalarse microinterruptores conectados en serie con el ya existente,
hecho este que permitiría detectar la presencia de intrusos antes de que se realice alguna
interrupción de la sub-estación, ofreciendo valiosos minutos para que el departamento
encargado de la seguridad (CECON) movilice personal hasta el sitio.
∗ La unidad terminal remota V94-51, está en la capacidad de procesar señales analógicas
que pueden ser tensiones o corrientes, sin necesidad de cambios substanciales en el
sistema. Por tanto, es necesario incluir en los parámetros que la remota supervisa,
señales que indiquen disminución o aumento de carga para así determinar la acción de
terceras personas en los pozos asociados a la sub-estación, incluso cuando las
condiciones de funcionamiento de ésta sean totalmente normales.
∗ Implementar, a través de la electrónica existente en la remota, el autodiagnóstico del
estado del CPU, de manera de poder reinicializar automáticamente el sistema.
3.- IDENTIFICACION DE LAS NUEVAS VARIABLES Y DE LOS
DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN.
Dentro de las mejoras propuestas, existen algunas que no introducen cambios
en el funcionamiento del sistema de supervisión, y otras que dentro del mismo esquema de
lectura de las señales analógicas del sistema, requieren sólo de adaptación y un transductor.
A continuación se describen las mejoras propuestas.
• Mejora # 1: consiste en la conexión de microinterruptores en la puerta del gabinete de
interfaz de campo y en las puertas de los compartimientos de fusibles del cuerpo de
baterías.
Para realizar esta conexión es recomendable utilizar cable AWG # 20 y
microinterruptores de lógica normalmente cerrada, de manera que al abrir una puerta
(cualquiera de ellas), se cierre el contacto cambiando el estado del indicador digital
número 17.
Figura 19. Despliegue de digitales del laptop. Fuente : Manual VESSING V94-51.
La conexión actual se muestra a continuación :
ESTADOS DIGITALES tríadas por circuitos fases de la barra
D008 - D001 : 1 1 1 1 1 1 1 1 alarma D008 - D001 : 1 1 1 1 1 1 1 1 impedancia a tierra D008 - D001 : 1 1 1 1 1 1 1 1 o normal sobre 50 Kohm D008 - D001 : 1 1 1 1 1 1 1 1 digitales físicos interruptor puerta
Presione < x > para salir de digitales
COMM v3.3 < press F1 for help com 1 : 38400 N81 Echo Off CR
Interruptor de la puerta
In_dig_1
FIH
Figura 20. Diagrama de conexión de señales digitales. Fuente : diseño de los autores.
La conexión sugerida se muestra en la siguiente figura:
Figura 21. Diagrama de conexión mejorado.
Fuente: diseño de los autores. La implantación de estos microinterruptores es muy sencilla ya que no infiere
cambios en la unidad terminal remota. Al estar conectados todos en serie, el sistema
mantiene una única señal digital para este monitoreo.
IN_DIG_1
FIH
GIC
CUERPO DE BATERÍAS REMOTA
• Mejora # 2: uno de los problemas más preocupantes para la empresa es que el sistema
no puede supervisar los hechos que se suceden en el entorno de la sub-estación
relacionados con la baja tensión que alimenta los pozos.
En el momento en que los bajantes (cable armado) son cortados, la alimentación a
los pozos se suspende mientras que la sub-estación sigue en normalidad para efectos del
sistema de supervisión.
El primer paso de la investigación consistió en determinar de que manera la
unidad terminal remota podría monitorear si uno o más pozos eran interrumpidos.
La sub-estaciones eléctricas tipo H, poseen transformadores de reducción con
una potencia de acuerdo a la carga que deba alimentar (número de pozos asociados),
de manera que realizando un estudio de cargas se puede determinar lo que consumen los
motores de los pozos de producción, para así cuantificar el global de la sub-estación y
luego tabular estos datos para su posterior manejo al momento de determinar hurtos o
anomalías en los procesos.
Un primer estudio de cargas se realizó en la sub-estación H6-9 de Tía Juana,
midiendo la carga que consumían los motores de los pozos asociados y la carga total de
la sub-estación. La tabla siguiente muestra los resultados obtenidos.
ESTUDIO DE CARGAS DE LA SUB-ESTACIÓN H6-9
POZOS CARGA POZOS CARGA
ASOCIADOS CTO 1
CONSUMIDA ASOCIADOS CTO 2
CONSUMIDA
1029 22 A 894 21 A
847 23 A 895 21 A
1217 19 A 896 22 A
1141 20 A 944 19 A
676 20 A 945 20 A
946 21 A
TOTALES
5 POZOS 104 A 6 POZOS 124 A
CARGA TOTAL DE LA SUB-ESTACIÓN
SEGÚN LOS POZOS MEDIDA
228 A 230 A
Los pozos de producción se alimentan con 440 voltios trifásicos, cada motor
especifica la corriente que consume en relación a los caballos de fuerza (HP) con los que
trabaja, por lo que de acuerdo con el siguiente circuito se tiene que:
Figura 22. Alimentación de motores.
M1 M2 M3 M4 M5 Sub-estación
480 V trifásico
Fuente : diseño de los autores.
La corriente total suministrada por la sub-estación obedece a la suma de las
corrientes consumidas por los motores de los pozos de producción.
Según este planteamiento la nueva variable a supervisar en la sub-estación H es la
corriente. Ahora bien, la distribución de los pozos en las sub-estaciones es por circuitos,
donde cada circuito tiene un número fijo de pozos y en los cuales por la configuración
delta-delta de los transformadores la carga es balanceada. Este hecho permite sensar
sólo una fase en cada circuito.
Para los fines de esta investigación, a pesar de ser un sistema trifásico, se medirá
solamente una corriente por circuito debido a que no se realizarán cálculos de potencia
sino únicamente se determinará cambios en la carga de la sub-estación, lo que significará
la ocurrencia de problemas a nivel de los pozos de producción.
Una vez determinada la nueva variable de trabajo, se procedió a instalar un banco
de pruebas en el laboratorio de protecciones eléctricas Lagunillas de PDVSA, en el cual
se realizó el montaje de una unidad terminal remota conectada a un laptop de
mantenimiento que permitía ver el desarrollo de las pruebas en pantalla.
En primer lugar, según información del departamento de servicios eléctricos
(despacho) ubicado en OFIPET, se asumió que el valor máximo de carga que se podía
encontrar en una sub-estación estaba entre doscientos cincuenta (250) y doscientos
ochenta (280) Amperios. Este rango permitió comenzar con la selección del dispositivo
electromagnético de medición que sería instalado en los circuitos del cuerpo de baterías.
Este tipo de dispositivo, es usado comúnmente en la industria para otras
aplicaciones, de los varios modelos existentes en los depósitos del laboratorio se
seleccionó el toroide marca ARTECHE, tipo ICX-1/100, que ofrecía una salida con
una relación de 300/5 amperios, trabaja con 60 Hz y cuenta con tamaño adecuado para
su instalación dentro del cuerpo de baterías.
En segundo lugar, luego de seleccionar el dispositivo de medición con rango de
salida entre 0 y 5 Amperios, era necesario para introducir la señal en la unidad terminal
remota convertirlas en valores más pequeños (miliAmperios) a través de un transductor
de precisión, que permitiera llevarlas directamente a las tarjetas electrónicas de la remota
(cuyo intervalo de trabajo está entre 4 y 20 mA).
Se seleccionó el transductor marca RIS (Rochester Instruments Systems INC)
modelo CCC-1B cuya entrada recibe de 0 a 5 Amperios, proporcionando una salida de
4 a 20 mA. Esta información, debidamente cargada en la base de datos del SCADA
según la tabulación realizada en el estudio de cargas preliminar de las sub-estaciones, se
presentará al usuario tanto en forma analógica como en cuentas digitales.
Se utilizó para alimentar los circuitos de la remota, una tríada de 220 VAC. Una
vez iniciado este proceso se conectó el laptop para verificar la conexión con la remota.
La figura muestra la conexión de la alimentación de la remota en la primera tríada de los
transformadores del GIC con los fusibles, lo que inicializa el sistema.
Figura 23. Alimentación de la remota.
Fuente : diseño de los autores. Una vez conectada la remota se puede observar en la pantalla del laptop lo
siguiente:
3 2 1
1.400 KOHM
1ra Tríada
Entrada de 480 de campo
Fusibles
Bornera
RFALLA 32767 KOHM CH-01-02 224.00 VrmsAC 1904 Ctas CH-02-03 221.00 VrmsAC 1878 Ctas CH-03-01 219.00 VrmsAC 1861 Ctas CH-04-05 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-05-06 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-06-04 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-07-08 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-08-09 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-09-07 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-10-11 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-11-12 00.00 VrmsAC 02 Ctas CH-12-10 00.00 VrmsAC 02 Ctas
Impedancia a tierra
Figura 24. Despliegue de analógicos del laptop. Fuente: Manual VESSING V94-51.
Posteriormente se procedió a simular una conexión de la sub-estación H con los
pozos asociados para verificar la lectura del dispositivo y la conversión del traductor.
Se asumió una sub-estación de dos circuitos, más el de alimentación, con una
carga que simulaba motores, tres (3) por cada circuito. Al alimentar las tríadas se
establecen los valores correctos en el computador en los canales correspondientes. La
primera tríada conforma el circuito fuente, la segunda el circuito número uno y la tercera
el número dos.
M
M
M
M
UTR
Tríadas por circuitos
transductor
toroide
Cto 1 Cto 2
Figura 25. Conexión del montaje en laboratorio. Fuente: diseño de los autores.
Las simulaciones de los motores se llevó a cabo por medio de tres resistencias
conectadas en delta-delta. La carga consumida en cada circuito se refleja en la unidad
terminal remota a través de cuentas digitales. Las interrupciones que pueden efectuarse
en esta conexión, son en primer lugar el corte del bajante del pozo, lo que
automáticamente corta la alimentación, por contener este cable armado las tres líneas de
transmisión.
Figura 26. Corte del bajante de un pozo. Fuente: diseño de los autores.
En segundo lugar, puede ser cortada una línea de transmisión lo que afectaría las
corrientes de esa línea en todos los motores asociados a ese circuito, la cual aumentaría
Corte del bajante
o cable armado
M
M M
Laptop
considerablemente, ya que por faltar una fase en la alimentación, los motores
consumirían mas carga disparando los fusibles de la sub-estación.
Figura 27. Corte de la línea de transmisión. Fuente: diseño de los autores.
En cualquiera de los casos la carga total de la sub-estación cambia,
proporcionando al operador la información a través del SCADA, que convierte las
cuentas digitales en valores de ingeniería permitiendo así comparar con los valores
almacenados en la base de datos y mostrar las alarmas respectivas.
La mejora planteada, se orientó según las expectativas de la empresa, en algo
sumamente sencillo que permitiera monitorear las señales de baja tensión a un costo
moderado y que además se adaptara al espacio físico del que se disponía. El dispositivo
para medir corriente seleccionado, puede ser colocado en el interior del compartimiento
de fusibles del cuerpo de batería, mientras que el transductor de corriente puede ser
instalado en el gabinete de interfaz de campo. El cableado respectivo puede ser
Corte de una línea de
transmisión
M
M
realizado a través de las tuberías existentes y los cambios en la remota no son de mayor
envergadura.
• Mejora # 3: consiste en habilitar una herramienta que posee la tarjeta ADISA12, como
lo es el watchdog timer. Para llevar a cabo esta implementación es necesario conectar
las tarjetas CPU y ADISA12 a través de los jumpers destinados para tal fin,
modificando la memoria EEPROM del CPU para establecer la comunicación entre ellas
y el tiempo de reinicialización del sistema en caso de que se cuelgue. Una vez realizados
estos cambios, la tarjeta ADISA12 supervisará la actividad en el CPU, y en caso de
funcionamiento para así resetear la unidad terminal remota, estableciendo nuevamente
las comunicaciones con la estación maestra.
4.- ADECUACIÓN DEL SOFTWARE EXISTENTE.
Los cambios que se necesitan para llevar a cabo las mejoras del sistema de
supervisión de las sub-estaciones eléctricas tipo H no requieren de cambios significativos en
el software del sistema.
La implementación de los microinterruptores de las puertas de los gabinetes de
campo no requiere de cambios por estar conectados en serie con el existente en la puerta
del contenedor de la unidad terminal remota, para el cual la UTR lo reconoce como una
entrada digital.
La medición de corriente en la sub-estación implica pequeños cambios a nivel de los
programas del Laptop de mantenimiento y del SCADA. En el laptop de mantenimiento es
necesario realizar una modificación en el archivo CONFIG.PRO o configurador de
analógicos, en el cual cambiará la presentación de los canales de reserva, en los que no
aparecerá la información como voltaje rms sino como Amperios y cuentas digitales.
El segundo cambio a realizar es en el SCADA, en el cual es necesario grabar en la
base de datos la información del estudio de cargas tabulado, habilitar las alarmas según su
prioridad y programar los cambios de las cuentas digitales a unidades de ingeniería para una
mejor comprensión de las mismas.
E.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
Según Williams R.I. (1992, p.3) supervisar un área cualquiera de la industria, resulta
muy difícil por algunas razones como, dificultad de acceso del personal si el área involucra
largas distancias, climas inclementes, terrenos inaccesibles, entre otras. Por esto se hace
necesario un sistema de supervisión que provea monitoreo continuo de las facilidades y un
significado de control operacional de estas desde un centro de control.
Los sistemas de supervisión según Molero y Ruiz (1997, p. 40) realizan las siguientes
funciones:
• Obtener periódicamente los datos provenientes de campo y procesarlos, pudiendo
efectuar cálculos y tratamientos especiales de ésta.
• Controlar remotamente los dispositivos supervisados por el sistema.
• Presentar alarmas al operador, construyendo el mensaje, categorizando la alarma y
presentándola a través del medio adecuado.
Los planteamientos anteriormente especificados, permitieron el conocimiento
primario para realizar el análisis del sistema de supervisión de las sub-estaciones eléctricas
tipo H, evaluando y detectando las fallas para así proponer las mejoras necesarias para
optimizarlo.
Siguiendo el modelo de la pirámide de automatización de PDVSA (1997), las
mejoras propuestas al final de la investigación, cumple con todos los niveles establecidos en
la misma, por lo siguiente:
En las mejoras propuestas, se presentan microinterruptores, dispositivos de medición
y transductores totalmente compatibles con los equipos de control y adquisición de datos
ubicados en campo.
Para la optimización del sistema de supervisión de las sub-estaciones eléctricas tipo
H se propuso la medición de una nueva variable como lo es la corriente, la supervisión de la
apertura de gabinetes y del CPU de la unidad terminal remota.