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TRABAJO FINAL DE GRADO
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
SUPERVISIÓN, CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO
DE GENERACIÓN DE ENERGÍA
Volumen I
Memoria
Autor: David Albert Rodríguez Gallardo Director: Javier Francisco Gámiz Caro Convocatoria: Octubre 2018
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
i
Resum
Avui dia no es concep que cap procés industrial no estigui automatitzat i menys en un on es generi
energia elèctrica ja que la eficiència energètica es molt important. Per això, el control i la supervisió
sobre la planta son crucials per el bon funcionament i gestió d’aquesta.
En el present projecte es descriu el disseny per a la supervisió, control i simulació per a un procés de
generació d’energia elèctrica. Aquest procés es basa en una central elèctrica de Biomassa, la qual
utilitza combustible orgànic, anomenat Biomassa. Aquest combustible es pot obtenir en multitud de
formes, i es crema en una caldera per produir vapor d’aigua. Amb aquest vapor sobreescalfat, fen-li
passar per unes turbines, aconseguim la producció d’energia elèctrica. Després aquest es condensa i
torna al seu estat líquid per tornar a repetir el procés.
Per a l’automatització d’aquest procés s’ha utilitzat com a sistema de control un programa de PLC
(Controlador Lògic Programable) del fabricant Allen-Bradley i Rockwell Automation i per a la supervisió,
un sistema SCADA (Supervisió, Control i Adquisició de Dades) de la marca Wonderware InTouch. El
comportament de la planta s’ha simulat a través d’un programa embegut dins del propi PLC.
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Resumen
Hoy en día no se concibe que ningún proceso industrial no esté automatizado y menos en uno dónde
se genera energía eléctrica ya que la eficiencia energética es muy importante. Por ello, el control y la
supervisión sobre la planta son cruciales para un buen funcionamiento y gestión de ésta.
En el presente proyecto se describe el diseño para la supervisión, control y simulación para un proceso
de generación de energía eléctrica. Dicho proceso se basa en una central eléctrica de Biomasa, la cual
utiliza combustible orgánico, llamado Biomasa. Este combustible se puede obtener en multitud de
formas, y se quema en una caldera para producir vapor de agua. Con este vapor sobrecalentado,
haciéndolo pasar por unas turbinas, conseguimos la producción de energía eléctrica. Después éste se
condensa y vuelve a su estado líquido para repetir el proceso.
Para la automatización de este proceso se ha utilizado como sistema de control un programa de PLC
(Controlador Lógico Programable) del fabricante Allen-Bradley y Rockwell Automation y para la
supervisión, un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) de la marca Wonderware
InTouch. El comportamiento de la planta se ha simulado a través de un programa embebido dentro
del propio PLC.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Abstract
Nowadays, it not conceived that any industrial process is not automated and less in one in which
electricity is generated since energy efficiency is very important. Therefore, the control and supervision
of the plant is crucial for a good operation and management of the same.
In the present project it is described the design for the supervision, control and simulation for an
electric power generation process. Such process is based on a Biomass power plant, which uses organic
fuel, called Biomass. This fuel can be obtained in a many of ways, and it is burned in a boiler to produce
water vapor. With this superheated steam, passing it through turbines, we achieve the electrical
energy production. Then it is condensed and it returns to its liquid state to repeat the process.
For the automation of this process it has been used, a PLC program (Programmable Logic Controller)
by the manufacturer Allen-Bradley and Rockwell Automation as a control system and for the
supervision, a SCADA system (Supervision, Control and Data Acquisition) of the brand Wonderware
InTouch. The behavior of the plant has been simulated through an embedded program inside the PLC
itself.
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Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Agradecimientos
Agradecer a mi familia y amigos el apoyo y los ánimos para seguir adelante con el Grado y el proyecto.
También al director de este proyecto, Javier Francisco Gámiz Caro, por la ayuda prestada en la
realización de este proyecto.
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Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Glosario SICI: Sistemes d’Informació i Comunicació Industrial ISA: Integració de Sistemes Automàtics SCADA: Supervision Control and Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) HMI: Human Machine Interface (Interfaz Humano-Maquina) PLC: Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable)
P&ID: Piping and Instrumentation Diagram (Diagrama de tuberías e instrumentación) PID: Controlador Proporcional, Integral y Derivativo GRAFCET: Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition (Gráfico Funcional de Control Etapa-Transición) Tag: Etiqueta con la que se identifican las variables TIT: Transmisor Indicador de Temperatura PIT: Transmisor Indicador de Presión LIT: Transmisor Indicador de Nivel FCV: Válvula de Control de flujo CC: Compresor Centrífugo V: Válvula Todo/Nada BC: Bomba Centrífuga T: Turbina G: Generador
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Índice
RESUM ______________________________________________________________ I
RESUMEN __________________________________________________________ II
ABSTRACT __________________________________________________________ III
AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ V
GLOSARIO _________________________________________________________ VII
1. PREFACIO _____________________________________________________ 11
1.2. Origen del trabajo .................................................................................................. 11
1.3. Requisitos previos .................................................................................................. 11
2. INTRODUCCIÓN ________________________________________________ 12
2.1. Objetivos del trabajo .............................................................................................. 12
2.1.1. Objetivos secundarios .......................................................................................... 12
2.2. Motivación ............................................................................................................. 13
2.3. Justificación ............................................................................................................ 13
2.4. Alcance del trabajo ................................................................................................ 14
2.5. Antecedentes ......................................................................................................... 14
2.6. Estructura de la Memoria ...................................................................................... 15
3. ANÁLISIS DEL PROBLEMA ________________________________________ 16
3.1. Descripción del Proceso a Automatizar ................................................................. 16
3.1.1. Fases del proceso a Automatizar ......................................................................... 16
3.1.2. Química del Proceso ............................................................................................. 19
3.1.3. Modelo del Proceso .............................................................................................. 26
3.2. Sistema de Control ................................................................................................. 27
3.2.1. Equipos ................................................................................................................. 28
3.2.2. Fases del Proceso ................................................................................................. 30
3.2.3. Lazos de Control ................................................................................................... 33
3.3. Requisitos Funcionales ........................................................................................... 34
3.4. Requisitos de Diseño .............................................................................................. 35
3.5. Metodología de Desarrollo .................................................................................... 36
3.6. Planificación de las tareas ...................................................................................... 36
3.7. Recursos ................................................................................................................. 39
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN _______________________ 40
4.1. Arquitectura del Sistema de Control ..................................................................... 40
4.1.1. Hardware del Sistema .......................................................................................... 40
4.1.2. Software del Sistema ............................................................................................ 40
4.1.3. Vista Global de las Comunicaciones ..................................................................... 40
4.1.4. Comunicaciones SCADA-Controlador-Proceso .................................................... 44
4.2. Simulación del Proceso .......................................................................................... 46
4.2.1. Bloques del Sistema.............................................................................................. 46
4.2.2. Estructura de Simulación ...................................................................................... 47
4.2.3. Diseño del Código embebido ............................................................................... 49
4.3. Descomposición del Problema de Control ............................................................ 52
4.4. Codificación de los Elementos y Sistemas ............................................................. 52
4.5. Definición del fichero de Intercambio Controlador-Scada ................................... 53
4.6. Programa del Controlador ..................................................................................... 64
4.6.1. Estructura del Programa....................................................................................... 64
4.6.2. Definición de los Tipos de Datos .......................................................................... 65
4.6.3. Lógica de Control de los Elementos ..................................................................... 67
4.6.4. Lógica de Control de los Sistemas ........................................................................ 72
4.6.5. Secuencia de Control ............................................................................................ 73
4.6.6. Regulaciones PID .................................................................................................. 75
4.7. Programa del Software SCADA .............................................................................. 78
4.7.1. Árbol de Navegación ............................................................................................ 78
4.7.2. Definición de los Tipos de Datos .......................................................................... 79
4.7.3. Diseño de las Pantallas de la Aplicación ............................................................... 81
4.7.4. Diseño de los Comandos ...................................................................................... 89
4.7.5. Scripts ................................................................................................................... 92
4.7.6. Diseño de la Interfaz de Alarmas del Sistema ...................................................... 94
4.7.7. Gestión de Usuarios ............................................................................................. 95
4.7.8. Gráficos históricos y tendencias ........................................................................... 99
5. PRUEBAS Y RESULTADOS ________________________________________ 101
5.1. Diseño de las pruebas de Entradas y Salidas físicas ............................................ 101
5.2. Diseño de las pruebas de Funcionalidad ............................................................. 101
5.3. Diseño de las pruebas entre Controlador y SCADA ............................................. 102
6. NORMATIVA __________________________________________________ 103
6.1. Codificación e Identificación ................................................................................ 103
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6.2. Implementación del Programa del PLC ............................................................... 103
6.3. Programación del SCADA ..................................................................................... 103
7. ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL ______________________________ 104
CONCLUSIONES ____________________________________________________ 105
ANÁLISIS ECONÓMICO ______________________________________________ 106
Desglose de los costes ................................................................................................... 106
8. BIBLIOGRAFÍA _________________________________________________ 107
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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1. Prefacio
1.2. Origen del trabajo
El proyecto surgió de una intención de hacer un TFG (Trabajo Final de Grado) sobre automática. Me
puse en contacto con el director de este proyecto para explicarle mis intenciones pero sin nada claro.
Después de la reunión salió un tema, automatizar una planta de generación de energía eléctrica
renovable. El director me advirtió de la complejidad de este tipo de plantas de generación de energía.
Pero al final, de entre todas las posibles opciones me decanté por la de automatizar una planta de
biomasa, descartando las demás por demasiado complejas para un proyecto de una persona y
pudiendo adaptar el proyecto elegido a estas necesidades.
1.3. Requisitos previos
Los requisitos previos a la realización de este proyecto han sido los conocimientos adquiridos en el
transcurso de la carrera sobre programación en ladder para PLC (Controlador Lógico Programable) y
en especial en la asignatura optativa “Integració de Sistemes Automàtics” (ISA) y los conocimientos en
sistemas SCADA adquiridos en la asignatura obligatoria “Sistemes d’Informació i Comunicació
Industrial” (SICI). El resto de conocimientos sobre el funcionamiento de las plantas de generación de
energía eléctrica y en especial las basadas en la combustión de biomasa se han conseguido con la
búsqueda de información en diversos soportes, haciendo que esta búsqueda sea una parte importante
para la realización de este proyecto.
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2. Introducción
En este apartado se introduce los objetivos de desarrollo marcados, la motivación por la cual se eligió
y su justificación. También se expone el alcance del trabajo, los antecedentes y la estructura de esta
memoria.
2.1. Objetivos del trabajo
El objetivo general de este TFG (Trabajo Final de Grado) es plasmar todos los conocimientos
acumulados a lo largo de estos años cursando el Grado de Ingeniería Electrónica y Automática en un
proyecto de automatización lo más aproximado a uno que se pudiera hacer en la vida real en
cualquiera ingeniería de procesos automáticos industriales.
En concreto para este proyecto, se simulará el control y la supervisión de una planta de generación de
energía eléctrica mediante la combustión de biomasa. La simulación del control y el comportamiento
de la planta se harán programando mediante lenguaje Ladder (escalera). Esta programación se
realizará embebida dentro del PLC.
La supervisión se conseguirá diseñando un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de
Datos) desde donde se pueda controlar los elementos y el funcionamiento del sistema de la planta y
obtener información de todos estos.
Para conseguir que la programación del PLC y el sistema SCADA funcione como en una planta real se
tendrá que generar una conexión de manera virtual con un software específico para ello.
2.1.1. Objetivos secundarios
La búsqueda de información sobre la generación de energía eléctrica a través de Biomasa. Esta
información es muy importante porque es donde se aprenderá el comportamiento de los elementos y
los sistemas que conformarán la planta. Por este motivo, es muy importante saber encontrar fuentes
fiables de donde sacar dicha información.
Otro objetivo secundario sería dar respuesta a la empresa que quisiera aprovechar para ahorrar en su
consumo eléctrico ayudándola a automatizar el proceso de la generación de energía mediante la
combustión de biomasa. Sobretodo aquella que genere un subproducto o residuo orgánico que pueda
utilizarlo dándole valor como combustible y autoabasteciéndose, beneficiarse de la generación de
energía.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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2.2. Motivación
La principal motivación por la cual he decido hacer este TFG es el gran interés en todo lo relacionado
con la electrónica y la automática. Por eso ya en su día decidí cursar el Grado en Ingeniería Electrónica
y Automática. A lo largo de todo el grado he visto cosas muy interesantes pero no ha sido hasta llegar
a la especialización dentro del grado donde en asignaturas como “Sistemes d’Informació i Comunicació
Industrial” (SICI) o “Integració de Sistemes Automàtics” (ISA), donde se profundiza en la programación
en PLC y sistemas SCADA a nivel industrial, me han hecho decantarme por la automática y tomar la
decisión de realizar el TFG sobre este tema.
Otra motivación es mi gran pasión por las energías renovables. Un tema que cada vez va adquiriendo
más relevancia, la importancia de su aplicación como fuente de generación de energía en sus diversas
formas, ya sea solar, eólica o en este caso Biomasa.
Pude cursar la asignatura “Canvi Climàtic: Ciència, Energia, Economia, Política i Futur” donde
detallaban la problemática del cambio climático, las emisiones de CO2 y la relación con el estilo de vida
actual de los países desarrollados y algunos en desarrollo, la importancia de la economía y la política
para encontrar soluciones. El futuro está en la implantación de este tipo de renovables como fuente
principal de obtener energía u otras que están por encontrar un funcionamiento viable, como la
energía de fusión, para conseguir una reducción en las emisiones de efecto invernadero.
2.3. Justificación
Dadas mis motivaciones sobre los ámbitos de la automatización y las energías renovables tenía claro
que quería buscar un tema para realizar el TFG en el que pudiese juntar esos dos temas.
La automatización es una manera de aumentar la productividad siendo más eficiente y ahorrando
gastos en el sector de la industria. Es una manera de trabajar que ya está consolidada y cada vez abarca
más sectores, una apuesta de futuro. Como la producción de energía eléctrica mediante métodos
renovables. La unión de estos dos ámbitos asegura que este TFG sea actual y basado en tecnologías
que son y serán el futuro próximo de la industria.
A la hora de la elección del trabajo, me basé en todo lo descrito anteriormente y buscando un proceso
que se pudiese automatizar en el ámbito de las renovables encontré el de una central de generación
de energía eléctrica a través de biomasa, donde existen elementos de control bien diferenciados, un
sistema de varias etapas y un proceso por el cual se crea energía. Adaptándolo a las necesidades del
TFG, con la ayuda del director de proyecto, fue la elección a realizar.
Memoria
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2.4. Alcance del trabajo
El alcance de este trabajo consiste en cumplir los objetivos propuestos en el apartado anterior. Para
ello lo primero es tener claro el proceso a automatizar buscando la mayor información para tener una
idea sobre la química del proceso. Una vez hecho esto, realizar un diagrama PI&D donde se
identifiquen los lazos de control, las diferentes partes del proceso y la interacción entre los diferentes
dispositivos.
Para poder simular el comportamiento de la planta se programa la lógica del proceso lo más parecido
a la realidad posible. Esta programación se realiza en lenguaje ladder en un PLC, donde se implementa
las acciones y los estados de los dispositivos y también las etapas de los procesos que intervienen en
la planta.
La configuración de la comunicación entre la programación del PLC y la del sistema SCADA se realiza a
través del estándar de comunicación de Microsoft DDE (Dynamic Data Exchange).
Por último, se realiza la aplicación SCADA que respetando la normativa, cumpla las necesidades de
gestión de la planta. Incluyendo ventanas de control individual de los dispositivos, sinóptico del
proceso, control del proceso, etc.
2.5. Antecedentes
Desde la antigüedad la biomasa, en forma de troncos, ramas o arbustos fueron los primeros
combustibles que sirvieron para calentar al hombre, cocinar alimentos, ahuyentar a los animales o
iluminar su camino. Desde entonces esa dependencia a la biomasa ha durado hasta la mitad del siglo
XIX cuando fue sustituida por el carbón y más tarde por el petróleo.
Muchas de aquellas formas de uso se abandonaron en beneficio de los llamados combustibles
convencionales, energías fósiles, por falta de rendimiento o menores costes de producción. Pero los
tiempos han cambiado y la necesidad de la autosuficiencia, los objetivos de reducción de emisiones y
los elevados costes de estos combustibles convencionales hacen que la vuelta a la utilización de la
biomasa sea una necesidad. También, gracias a la tecnología, han hecho de la biomasa un combustible
con un rendimiento comparable a la de combustibles convencionales y que en determinadas
aplicaciones sea una alternativa gracias a su rentabilidad económica.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
15
Estos avances en tecnología, en especial en la automatización de procesos, que facilita el control,
posibilita el modulado de la potencia generada en función de la demanda y la supervisión de cualquier
elemento de la planta hacen que cada vez sea más eficiente la utilización de este tipo de energías.
La situación actual, centrándonos en España, y con los planes de reducción de emisiones de gases de
efecto invernadero, la producción de energía renovable, y en especial por parte de la biomasa, ha ido
en aumento, aunque no tanto como para cumplir los límites de emisiones impuestos desde la Unión
Europea.
Este tipo de energía se utiliza tanto en aplicaciones eléctricas como en térmicas, siendo esta última la
más utilizada. En el ámbito doméstico la proliferación de estufas y calderas para la producción de calor
y ACS (Agua Caliente Sanitaria) poco a poco se va imponiendo. Pero es a nivel industrial donde ésta
energía se está sacando más partido. Utilizando residuos forestales o agrícolas, la industria es capaz
gracias a plantas de biomasa generar tanto electricidad como calor, pudiendo utilizarlos en sus propios
procesos productivos. De esta manera se consigue un ahorro energético considerable, reduciendo las
emisiones y los costes por la compra de combustibles convencionales.
2.6. Estructura de la Memoria
Siguiendo la plantilla de los trabajos de automática que facilita el director del TFG y adaptándola a la
que nos ofrece la Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), la estructura de esta memoria se divide
en 7 grandes apartados.
1. Prefacio: se trata de explicar el origen del trabajo y los requisitos necesarios para poder
hacerlo.
2. Introducción: donde se pone en situación los aspectos generales del contenido del trabajo, los
objetivos y la motivación por el cual se realiza.
3. Análisis del problema: se explica el proceso y sus partes para conocer su funcionamiento.
4. Diseño e Implementación de la Solución: se expone la solución adoptada al problema descrito
en el apartado anterior
5. Pruebas y Resultados: se describe las pruebas realizadas para verificar el correcto
funcionamiento de la solución adoptada.
6. Normativa: se exponen las normativas seguidas para la realización de este trabajo.
7. Conclusiones: donde se explica las conclusiones obtenidas en la realización de este trabajo.
8. Bibliografía: donde se detalla la documentación consultada la realización del trabajo.
Memoria
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3. Análisis del Problema
En este tercer apartado se realiza el análisis del problema, donde se describe el proceso a automatizar
y se exponen las características del mismo. También se explican los procesos físico-químicos que
intervienen. Además, se describe el sistema de control, los equipos, las fases y lazos de control.
También se incluye los requisitos funcionales necesarios para un buen funcionamiento del proceso a
automatizar.
3.1. Descripción del Proceso a Automatizar
La planta a automatizar en este trabajo, como ya se ha dicho anteriormente, es una planta de
generación de energía eléctrica que utiliza biomasa como combustible. A continuación, se enumeran
las 6 etapas de este proceso y se describen cada una de ellas.
3.1.1. Fases del proceso a Automatizar
3.1.1.1. Dosificación del combustible y el comburente
Para que la combustión se produzca se necesita hacer llegar el combustible, la biomasa, y el
comburente, el aire, a la cámara de combustión en la caldera. La biomasa se hace llegar hasta la cámara
dentro de la caldera, desde los depósitos donde se almacenan, a través de una dosificadora. El aire se
almacena en un compresor, donde se le da presión, y también se hace llegar a la caldera por una
dosificadora. Estas dosificadoras son unas válvulas de control de flujo que hacen posible la regulación
de las cantidades que se introducen en la caldera para obtener las condiciones óptimas de temperatura
y exceso de aire para una buena combustión en la caldera.
3.1.1.2. La combustión
Para poder obtener una buena combustión se necesita un exceso de aire suficiente para que todo el
combustible se queme y se pueda aprovechar toda su energía. De esta forma también se evita la
emisión de demasiados inquemados (partículas sólidas en suspensión). Su acumulación en la caldera
podría provocar una mala combustión, dañar la caldera o contaminar con su emisión a la atmosfera.
Con la combustión de la biomasa en la caldera se consigue aumentar la temperatura del interior que
hace calentar el agua que entra desde un tanque y transformarla en vapor sobrecalentado que es el
que hará mover las turbinas. El agua que proviene del tanque, donde se almacena, pasa primero por
una zona de la caldera llamada economizador. En esta zona se utilizan los gases de la combustión para
precalentar el agua antes de pasarla al interior de la caldera y así se optimiza el proceso.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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3.1.1.3. Eliminación de los residuos
En la combustión se generan residuos que deben ser eliminados. Estos residuos son los gases y las
cenizas resultantes de la combustión. Los gases son filtrados previamente a la expulsión por una
chimenea para evitar la contaminación del aire. Las cenizas se depositan en un cenicero, que se
encuentra debajo de la caldera, a través de una válvula de paso. Estas cenizas pueden ser reutilizadas
posteriormente para otros usos, por ejemplo como fertilizante, por estar compuestos por elementos
como el fósforo o el potasio.
3.1.1.4. Turbina de vapor
Cuando el vapor adquiere una temperatura de unos 400 °C, se le denomina vapor sobrecalentado y es
entonces cuando está preparado para ser llevado a la turbina de vapor. El vapor pasa a través de una
válvula de control de flujo para regular el caudal de éste hacia la turbina. Este vapor es dirigido hacia
unas toberas que reducen su presión y aumentan su velocidad. Este flujo hacen mover los álabes de la
turbina y ésta comienza a girar transformando su energía en energía mecánica. Un generador acoplado
al eje de la turbina transforma esa energía mecánica en energía eléctrica.
3.1.1.5. Generación de energía
La energía eléctrica producida por el generador pasa por un transformador para aumentar su tensión.
El transformador que está conectado a la red eléctrica introduce esa energía a la red. Otra opción es
que esta energía sea aprovechada por el propio proceso industrial.
3.1.1.6. Recuperación del agua
El vapor al salir de la turbina pasa por un condensador. En este condensador el vapor pierde
temperatura hasta condensarse y volver al estado líquido. La pérdida de temperatura se consigue
gracias a que el condensador está conectado a una torre de refrigeración donde se introduce agua fría
proveniente de alguna fuente de agua, ya sea un río o lago. Después esta agua se lleva a un tanque
donde se almacena para que el proceso pueda volver a empezar.
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Figura 3.1. Diagrama de Tuberías e Instrumentación (PI&D) de la planta de biomasa
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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3.1.2. Química del Proceso
A continuación se describen los procesos químicos y termodinámicos que hacen posible la obtención
de energía eléctrica a través de la combustión de biomasa.
3.1.2.1. Triángulo o tetraedro del fuego
El estudio de la dinámica del fuego y de su extinción se puede representar de forma intuitiva
empleando un triángulo o tetraedro del fuego. Una forma habitual de describir el proceso de
combustión. Con este triángulo se intenta representar que sin la unión de tres elementos la
combustión no se puede dar.
Figura 3.2. Triángulo del fuego (ASOCIACION DEPORTIVA Y CULTURAL de Bomberos de Navarra s.f.)
Estos tres elementos son:
- Combustible: es cualquier sustancia capaz de arder o sufrir una rápida oxidación en
determinadas condiciones.
- Comburente: es el elemento que en presencia de combustible puede arder u oxidar a éste en
una combustión. Normalmente este elemento es el oxígeno. El oxígeno está presente en el
aire con una concentración aproximada de un 21%. Por eso el aire es el comburente más
utilizado en procesos de combustión.
- Energía de activación: es la energía (calor) que es necesario aportar para que el combustible
y el comburente reaccionen. Por lo tanto es la energía que inicia el proceso de combustión.
Esta energía proviene de un foco de ignición desde el exterior.
La humedad, la temperatura ambiente, la forma de apilado, etc…, son factores que junto con las
características del combustible hace que los parámetros de esta energía de activación varíe.
Memoria
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La energía generada por la reacción se disipa de varias formas, energía térmica en forma de calor o
llamas y esta energía disipada a su vez es la que permite que la reacción continúe. Esta energía que
permite que la reacción continúe también se le llama reacción en cadena y permite la
retroalimentación de la reacción sin necesidad de una energía de activación.
3.1.2.2. Poder calorífico de los diferentes tipos de biomasa
La Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), utiliza la definición de la Es-
pecificación Técnica Europea CEN/TS 14588 para catalogar la “biomasa” como “todo material de origen
biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un
proceso de mineralización”. Esta definición engloba un gran grupo de materiales de orígenes diversos
y con características muy diferentes.
Figura 3.3. Orígenes de la biomasa (Instituto para la diversificación y ahorro de la energía s.f.)
Esta diversidad, tanto de recursos como de aplicaciones, es la principal característica de la biomasa.
Esta variedad permite utilizar la biomasa para diversos usos. Estos usos pueden ser tanto domésticos
como industriales. A nivel doméstico, para calefacción y producción de agua caliente sanitaria (ACS). A
nivel industrial, para procesos térmicos, como el secado, la producción de agua caliente o vapor; y
también para la producción de energía eléctrica.
Esta heterogeneidad de la biomasa junto con su contenido energético puede llegar a substituir a
combustibles fósiles en procesos industriales. Esto implica que la demanda energética de los procesos
industriales puede ser cubierta en gran medida con biomasa.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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El nivel de energía contenido en la biomasa se mide a través de su poder calorífico. El poder calorífico
se define como la cantidad de energía por unidad de masa que un combustible desprende al quemarse,
y se suele expresar en kcal/kg. Existen dos tipos:
- Poder calorífico superior (PCS): Es el calor generado por unidad de combustible
cuando el agua en forma de vapor se condensa y se convierte en líquido.
- Poder calorífico inferior (PCI): Es el calor generado por unidad de combustible cuando en los
humos de combustión está presente el agua en forma de vapor. Una parte de este calor se
utiliza para evaporar el agua, por lo que no es aprovechada por la caldera.
Gracias a la ecuación de Dulong, se puede obtener una buena aproximación del poder calorífico
superior. Sabiendo los porcentajes de los elementos químicos previo análisis de la muestra de biomasa:
carbono, hidrogeno, oxígeno y azufre.
Una vez calculado el PCS, si se conoce el porcentaje de humedad del combustible, podemos calcular el
PCI con la siguiente ecuación.
La tabla siguiente recoge el poder calorífico inferior (PCI) para distintos contenidos de humedad de los
recursos de biomasa más habituales. Para otros porcentajes de humedad, que afectan directamente a
dicho PCI, se puede aplicar un factor de corrección aproximado como se indica en la figura 3.3.
𝑷𝑪𝑺 = 𝟖𝟏𝟎𝟎 · %𝑪 + 𝟑𝟒𝟎𝟎𝟎 · (%𝑯 −
%𝑶𝟖
) + 𝟐𝟓𝟎𝟎 · %𝑺
𝟏𝟎𝟎
(Eq. 3.1)
𝑷𝑪𝑰 = 𝑷𝑪𝑺 − 𝟓𝟔𝟎 %𝑯𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅
𝟏𝟎𝟎
(Eq. 3.2)
Memoria
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Figura 3.4. Factor de corrección en función de la humedad (Instituto para la diversificación y ahorro
de la energía s.f.)
Tabla 1. Poderes caloríficos de biomasa. (Instituto para la diversificación y ahorro de la energía s.f.)
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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3.1.2.3. Combustión de la biomasa
La combustión es una reacción oxidante, donde un material (combustible) es el elemento oxidado por
el comburente, normalmente el oxígeno del aire. Para que se produzca la combustión es necesario una
energía de activación que es la que inicia la reacción. También es necesario que se pongan en contacto
una cantidad de combustible y comburente en una relación adecuada.
En función de estas proporciones nos encontramos con varios tipos de combustión:
- Combustión completa: es aquella en la cual se produce la oxidación completa de todo el
combustible.
- Combustible exacta o estequiométrica: se produce con la combustión completa pero se
realiza con la cantidad exacta de oxígeno para oxidar completamente el combustible. Con esta
combustión al consumirse completamente tanto el combustible como el comburente, los
gases resultantes no contienen ninguna de estas sustancias.
- Combustión incompleta: se produce cuando no se oxidan todos los componentes del
combustible. Suele ser por falta de comburente. Esto provoca la aparición de inquemados,
donde destaca el monóxido de carbono (CO) por su peligrosidad.
Para que se produzca la combustión es necesario que se alcance unos niveles de temperatura que
desencadene una serie de fenómenos que se pueden diferenciar en varias fases:
- Evaporación: desecación de la biomasa y eliminación del agua en forma de vapor. A partir de
los 150 °C
- Volatilización: descomposición de los compuestos volátiles de la biomasa. Proceso que ocurre
a partir de los 200-250 °C.
- Inflamación: los elementos volátiles de la etapa anterior se inflaman y provoca una
gasificación de la biomasa. Este proceso ocurre a partir de 300-500 °C hasta unos 1300 °C.
- Carbonización: ocurre a temperaturas elevadas cuando los procesos de gasificación han
acabado y solo quedan las cenizas.
Memoria
24
Figura 3.5. Fases del proceso de combustión (LA ENERGÍA DE LA BIOMASA 1999)
3.1.2.4. Exceso de aire en la combustión
El coeficiente de exceso de aire es la relación entre el volumen de aire y la cantidad de combustible.
Esta relación se representa mediante un número adimensional λ, este valor puede ser:
- λ =1: Aire en proporción estequiométrica.
- λ <1: Defecto de aire, la mezcla es rica en combustible y la combustión resulta incompleta.
- λ >1: Exceso de aire, la mezcla es pobre pero la combustión completa.
Un defecto en la cantidad de oxígeno en la mezcla con el combustible impide que la combustión sea
completa, lo cual provoca inquemados indeseados, porque perjudica al equipo y a la combustión, y
monóxido de carbono, un gas altamente contaminante que obligaría a la instalación de sistemas para
reducir esas emisiones.
Por todo ello y por lo que se muestra en la siguiente figura 3.5 se necesita un coeficiente superior al 1
para obtener una combustión completa. Para que un coeficiente excesivo no implique una disminución
en la temperatura de la llama dentro de la caldera y un tiempo de combustión más lento, el coeficiente
estará entre 1.2 y 1.4 aproximadamente. Este rango de exceso de aire es el ideal para la combustión
de combustibles sólidos como es la biomasa.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
25
Figura 3.6. Diagrama de la combustión (Be sure. Testo Academia online s.f.)
3.1.2.5. Ciclo Rankine
El ciclo rankine es un ciclo de potencia típico de un proceso termodinámico de una central térmica de
vapor. Tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo. Utiliza un fluido, normalmente agua, que
evapora y condensa alternativamente.
Figura 3.7. Diagrama de Ciclo Rankine (Plantas de Biomasa s.f.)
Memoria
26
- Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una
bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo
hasta el valor de presión en la caldera.
- Proceso 2-3: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.
En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de
saturación o ebullición, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor. Este vapor
sobrecalentado es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo.
- Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la
caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera
potencia en el eje de la misma.
- Proceso 4-1: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el
circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido
saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de
carga.
Figura 3.8. Gráficas T-S y p-v de un Ciclo Rankine (Ciclo Rankine s.f.)
3.1.3. Modelo del Proceso
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
27
3.2. Sistema de Control
En este apartado se explica cómo se realiza el proceso de control de la planta en cada uno de sus
estados. Se describe como se codifica los elementos que forman parte del sistema para que resulte
fácil su comprensión. También se muestran las etapas del proceso de control y qué elementos se
accionan en cada una de las etapas y se señalan qué lazos de control existen donde podremos controlar
ciertas variables para el proceso funcione como deseamos.
El sistema de control de esta planta de biomasa consta de dos modos/estados de trabajo, manual y
automático, cuatro estados, en servicio o fuera de servicio, en marcha o en paro. Todos estos estados
son incompatibles entre sí, por ejemplo, si el sistema está en manual solo podrá estar en manual, si se
pasa al estado automático dejará de estar en manual, y así con todos los demás estados.
A continuación se describen las implicaciones de estar en cada uno de los estados.
- Manual: la planta estará en este estado nada más encenderla. En este estado se puede
controlar de forma individual cada elemento. Los elementos se pueden poner en servicio o
fuera de servicio y las alarmas saltarán si se produce las condiciones y se podrá resetearlas si
esas condiciones dejan de cumplirse. Si queremos poner en marcha o abrir algún elemento en
este estado tendrá que estar en servicio y sin alarmas para que se pueda ejecutar esa orden.
- Automático: en este estado se podrá iniciar la secuencia que pone en marcha el sistema. Para
ello todos los elementos tendrán que estar en este estado y previamente poner todos los
sistemas en servicio (armar el sistema), además que no hayan alarmas. Una vez se cumplan
estos requisitos y se pulsa Reset, los Grafcets se inicializarán. Con los grafcets inicializados si se
pulsa Marcha el proceso dará comienzo.
- En Servicio: este estado es en el cual un elemento del sistema está habilitado. Si el sistema
está en estado Manual, se podrán controlar los elementos individualmente. Si está en
automático, estará preparado para seguir la secuencia para poner en marcha el sistema.
- Fuera de Servicio: en caso de que el sistema esté en Manual, los elementos se encontrarán en
este estado si tienen alguna alarma, en este caso hasta que no se solucione dicha alarma y no
se vuelva a poner en servicio el elemento no estará habilitado. También se puede poner fuera
de servicio un elemento dándole la orden. En caso de que el sistema esté en automático, el
sistema pasará a estar fuera de servicio cuando salte alguna alarma o no esté en servicio.
Memoria
28
- En Marcha: si el sistema está en manual, este estado se refiere al estado en marcha de un
elemento a nivel individual. Si está en automático, la secuencia del Grafcet control está activa.
Para que esté en este estado no tiene que estar en Paro ni alarmas y sin alarmas.
- En Paro: este estado solo se da cuando el proceso de parada está activo, solo se da este estado
cuando el sistema está en automático.
3.2.1. Equipos
En los proyectos de automática es muy importante que la codificación de los elementos del sistema
siga un criterio claro y lógico. Esta estructura de codificación y su etiquetado en todos los elementos
es muy útil para tareas de mantenimiento y control. También que se mantenga este criterio a lo largo
de todo el proyecto ayuda a la comprensión de este. Por eso trasladar esta estructura de codificación
al sistema SCADA facilita su entendimiento.
Siguiendo la codificación de otros proyectos de automática realizados en la carrera y en especial en la
asignatura “Integración de sistemes automàtics” (ISA), la codificación de los elementos utilizada en
este proyecto se muestra en la siguiente tabla.
Elemento Codificación
BOMBA CENTRÍFUGA BC
COMPRESOR CENTRÍFUGO (SOPLADOR) CCO
VENTILADOR EXTRACTOR FAN
VÁLVULA REGULADORA FCV
GENERADOR G
TRANSMISOR INDICADOR DE NIVEL LIT
TRANSMISOR INDICADOR DE OXÍGENO OIT
TRANSMISOR INDICADOR DE PRESIÓN PIT
TURBINA T
TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA TIT
VÁLVULA TODO/NADA V
CAUDALIMETRO FIT
A la hora de realizar la codificación del sistema se ha optado únicamente por poner el elemento más
el número que lo identifica separados por un guion bajo. Se descartó poner el código del proceso por
no haber suficientes como para identificarlos.
Tabla 3. Codificación de los elementos del sistema Tabla 2. Codificación de los elementos del sistema
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
29
Un ejemplo de la codificación utilizada es la siguiente:
FCV_01
Figura 3.9. Ejemplo de codificación de un elemento
A continuación se muestra una tabla con los distintos elementos del sistema:
Listado de Elementos
Ítem Tag
elemento Tipo de
elemento Descripción
1 BC_01 M BOMBA CENTRÍFUGA DE COMBUSTIBLE AUXILIAR
2 BC_02 M BOMBA CENTRÍFUGA CONDESADOS
3 BC_03 M BOMBA CENTRÍFUGA AGUA
4 BC_04 M BOMBA CENTRÍFUGA REFRIGERACIÓN
5 CC_01 CCO COMPRESOR CENTRÍFUGO (SOPLADOR)
6 FAN_01 M VENTILADOR EXTRACTOR DE HUMOS
7 FCV_01 FCV VÁLVULA REGULADORA DE COMBUSTIBLE (BIOMASA)
8 FCV_02 FCV VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL DE AIRE
9 FCV_03 FCV VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL VAPOR
10 FIT_01 IT CAUDALIMETRO BIOMASA A CALDERA
11 FIT_02 IT CAUDALIMETRO AIRE A CALDERA
12 FIT_03 IT CAUDALIMETRO VAPOR CALDERA A TURBINA
13 FIT_04 IT CAUDALIMETRO AGUA CONDESADOR A TANQUE
14 FIT_05 IT CAUDALIMETRO AGUA TANQUE A CALDERA
15 FIT_06 IT CAUDALIMETRO COMBUSTIBLE AUXILIAR A CALDERA
16 G_01 G GENERADOR
17 LIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE NIVEL DE AGUA EN TANQUE
18 OIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE OXÍGENO
19 PIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE PRESIÓN DEL VAPOR
20 T_01 T TURBINA VAPOR
21 TIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA CALDERA
22 TIT_02 IT TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA VAPOR
23 V_01 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL COMBUSTIBLE AUXILIAR
24 V_02 V VÁLVULA TODO/NADA BY PASS
25 V_03 V VÁLVULA TODO/NADA REFRIGERACIÓN
26 V_04 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL CONDESADOS
27 V_05 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL AGUA
28 V_06 V VÁLVULA TODO/NADA EXPULSIÓN DE CENIZA
Código del elemento Número del equipo
Tabla 3. Listado de elementos del sistema
Memoria
30
3.2.2. Fases del Proceso
En todo proyecto de automática es muy importante realizar un GRAFCET donde se puede observar el
funcionamiento del proceso. Este proceso se divide en etapas donde se ejecutan las acciones y entre
etapa y etapa, las transiciones, las condiciones de continuidad para el desarrollo del proceso. Estos
Grafcets funcionan en estado automático, el sistema esté armado, no haya alarmas, se hayan
inicializado con un Reset y se pulse el botón de Marcha. Si se produce una alarma o algún elemento
entra en fuera de servicio el sistema entraría en el proceso de parada.
En las siguientes figuras se muestran los Grafcets del sistema, uno de todo el proceso, otro del proceso
detallado hasta la generación de energía y otro del proceso de parada.
Figura 3.10. Grafcet del sistema
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
31
Figura 3.11. Grafcet del sistema de puesta en marcha detallado
Memoria
32
Figura 3.12. Grafcet del sistema del proceso de parada
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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3.2.3. Lazos de Control
Para el buen funcionamiento del proceso de la planta es necesario el control de ciertas variables del
proceso. Este control se realiza mediante los llamados lazos de control o “loops”. Estos lazos de control
se realizan a través de las válvulas reguladoras de flujo que se encuentran en el sistema.
A lo largo del proceso se necesitan tres lazos de control para la regulación de la temperatura y el exceso
de aire de la caldera, y también la potencia eléctrica generada. Todos estos lazos de control se regulan
a través de un PID que generan un lazo de control entre la variable a controlar y la variable de control.
El PID mide la variable de salida y actúa en consecuencia desde la variable de control en función del
valor deseado en la salida o consigna.
- Lazo de control para la regulación de la temperatura en la caldera:
Este lazo controla la entrada de biomasa a la caldera para su combustión. Se controla
regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_01. Con este control podremos
hacer variar la temperatura en la caldera y se puede visualizar con el sensor de temperatura
TIT_01. Cuanta más biomasa haya en la caldera más calor se genera.
- Lazo de control para la regulación del exceso de aire en la caldera:
Este lazo controla la entrada del aire a la caldera para crear una buena condición de
combustión. Se controla regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_02. Con
este control podremos variar el exceso de aire en la caldera y se puede visualizar con el sensor
de oxígeno OIT_01. Este exceso de aire se calcula en base a la cantidad de biomasa en la
caldera. Siempre tendrá que haber una relación superior a 1:1 entre el aire y la biomasa que
estén en ese momento en la caldera.
- Lazo de control para la regulación de la potencia eléctrica generada:
Este lazo controla el paso de vapor a la turbina para la generación de electricidad a través del
generador. Se controla regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_03. Con este
control podremos hacer variar la energía eléctrica generada desde el generador G_01. Cuanto
más flujo de vapor pase por la turbina más energía se genera.
Memoria
34
3.3. Requisitos Funcionales
A continuación se exponen los requisitos funcionales del programa de PLC necesarios para un buen
funcionamiento del sistema.
Especificación de requisitos funcionales Requisito Descripción
RQF01 Al iniciar el programa, el sistema estará en Manual y con los elementos fuera de servicio.
RQF02 En servicio y fuera de servicio de un elemento dependerá de una orden directa desde el SCADA. Independientemente de la orden del SCADA un elemento en alarma estará siempre en alarma.
RQF03 La Marcha de un elemento en Manual será posible desde el SCADA siempre y cuando esté en servicio y sin alarmas.
RQF04 Las alarmas que se gestionaran en el PLC son todas las que pueda mostrar un elemento.
RQF05 Con el reset del elemento se desenclavarán las alarmas que ya no estén activas.
RQF06 Las FCV darán alarma de posición si en 35 s los caudalimetros no marcan el caudal equivalente a la apertura de la válvula.
RQF07 Las válvulas ON/OFF darán alarma de posición si 10 s después de darle una orden de abrir o cerrar no llegan al final de carrera correspondiente.
RQF08 El compresor de aire dará alarma si dada la orden de Oil o Cool no da el OK o si se da la orden de Cool antes de que esté el OK del Oil o si se pulsa Start antes de que los sistemas de Oil y Cool estén OK.
RQF09 Para que el sistema funcione en Automático, todos los elementos deben estar en Automático
RQF10 Para que el sistema pueda ponerse en Automático todos los elementos deben estar en servicio
RQF11 Para poder iniciar la secuencia en Automático será necesario hacer un RESET al sistema
RQF12 El sistema entrará en proceso de parada si se pulsa el botón de Paro y el sistema en Automático y en Servicio
RQF13 El rango de valores de apertura de la FCV_01 será: 20-60%
RQF14 El rango de valores de apertura de la FCV_02 será: 20-80%
RQF15 El rango de valores de apertura de la FCV_03 será: 20-100%
RQF16 El rango óptimo de exceso de aire será: 1,2-1,4%
RQF17 El sistema de combustible auxiliar pre-calentará la caldera a 300 °C
RQF18 Durante el pre-calentamiento la consigna de exceso de aire será 1,8 %
RQF19 El valor de consiga óptima de exceso de aire será 1,3 %
RQF20 El valor de consiga óptima de temperatura en la caldera será 1300 °C
RQF21 El valor de consigna óptima de energía será de 3MW
Tabla 4. Requisitos funcionales
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
35
3.4. Requisitos de Diseño
Estos son requisitos no funcionales, requisitos sobre el espacio de posibles soluciones. Son requisitos
más referidos al HMI del sistema SCADA.
Especificación de requisitos de diseño Requisito Descripción
RQD01 Desde el SCADA será posible la selección de los modos de funcionamiento Manual y Automático del sistema, y por lo tanto, de todos los elementos
RQD02 Habrá una ventana principal donde se visualice todos los elementos que conforman el sistema
RQD03 Desde la pantalla principal se podrá acceder mediante botones o flechas de navegación a las pantallas de control, alarmas y gráfico histórico
RQD04
La pantalla de control se visualizará los estados del sistema. Estarán los botones de control del sistema, como Manual/Automático, Marcha/Paro o Reset, etc… Introducción de consignas, visualización de datos de cada subproceso y acceso a esas pantallas. También se podrá visualizar las alarmas y en qué estado de la secuencia se encuentra
RQD05 la pantalla de alarmas donde se podrán visualizar las alarmas de los elementos y su reconocimiento
RQD06 La pantalla de gráficos donde se graficarán, mediante un histórico, los datos más importantes del proceso
RQD07 En las ventanas de los subprocesos habrá un pequeño esquema de ese proceso y gráficas en tiempo real de las señales importantes que intervienen. También se podrá navegar a través de flechas entre los diferentes subprocesos
RQD08 Haciendo clic sobre los elementos del sistema se podrá acceder a una ventana (Pop-up) desde la cual se podrá controlar ese elemento
RQD09 Todas las pantallas dispondrán de un marco superior y otro inferior. En el superior se podrá visualizar la fecha, la hora y el título de esa ventana. En el inferior los botones y flechas de navegación
RQD10 Habrá un botón donde se explique el funcionamiento del proceso y otro donde se identifique al autor
RQD11 Se crearán dos niveles de usuarios: Administrador y Operario. El primero tendrá acceso al control del sistema y a la gestión de usuarios. El segundo solo podrá visualizar el sistema.
RQD12 Todos los equipos/elementos tendrán elementos gráficos que identifiquen su estado o modo de trabajo
RQD13 El color verde indicará que el elemento está en marcha, el rojo que está en alarma y un triángulo amarillo que está fuera de servicio
RQD14 El diseño de cada elemento del SCADA dejará claro de que se trata
RQD15 Los tags utilizados tendrán relación con el PLC para facilitar su identificación
Tabla 5. Requisitos de diseño
Memoria
36
RQD16 La navegación entre las diferentes pantallas de la aplicación será fácil e intuitiva
RQD17 Los scripts de la aplicación estarán comentados para facilitar el entendimiento de su función
3.5. Metodología de Desarrollo
Para el correcto desarrollo de este proyecto y el cumplimiento de todos los objetivos marcados se ha
seguido una metodología de trabajo que es la siguiente:
1. Estudio previo: Lo primero de todo es encontrar un proceso viable a ser automatizado. Cuando
se tenga, definir el alcance del proyecto identificando sus partes, sus etapas y sus lazos de
control
2. Estudio en detalle: una vez se tiene claro el alcance del trabajo y las etapas del mismo se
definen los elementos necesarios para cumplir con el comportamiento definido
anteriormente. Definiendo las señales necesarias para el control de los mismos.
3. Programación del PLC: se modelizan los controles de los elementos y el sistema en los distintos
estados, la simulación del comportamiento de la planta y la configuración de los lazos de
control.
4. Diseño del sistema SCADA: comunicar el PLC con el sistema SCADA. Trasladar las señales del
PLC necesarias para el control desde el SCADA. Diseño de la interfaz de la aplicación para la
supervisión de las diferentes etapas del proceso y su control.
5. Pruebas de sistema: por último se realizan simulaciones de todo el proceso para verificar que
todo el sistema funcione como se ha diseñado.
3.6. Planificación de las tareas
Para la realización de este proyecto se ha realizado un diagrama de Gantt para la planificación
de las tareas a realizar durante éste. Se adjunta una tabla con las tareas realizadas y su
intervalo de tiempo, a continuación se muestra también el diagrama de Gantt que muestra
más claramente el orden de ejecución de cada una de las tareas realizadas.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
37
Nombre de la tarea Fecha de inicio
Fecha final Duración (días)
Preparación del tema del TFG 03/11/2017 13/11/2017 10
Búsqueda de información 03/11/2017 25/03/2018 142
Descripción del proceso a automatizar
10/01/2018 15/02/2018 36
Definición de las etapas del proceso
10/02/2018 05/03/2018 23
Definición de los elementos del sistema y su codificación
05/03/2018 15/03/2018 10
Creación de los tags de los elementos en RSLogix
16/03/2018 18/07/2018 124
Creación de los tags de los elementos en el SCADA
03/05/2018 20/07/2018 78
Configuración comunicaciones de programa y PLC virtual
20/03/2018 21/03/2018 1
Programación del control de cada elemento en el PLC
20/03/2018 15/04/2018 26
Programación de la simulación de la planta en el PLC
16/04/2018 03/08/2018 109
Programación de las etapas del proceso en el PLC
12/07/2018 15/08/2018 34
Programación de los lazos de control y configuración del PID
10/08/2018 24/08/2018 14
Configuración comunicaciones PLC-SCADA
02/05/2018 03/05/2018 1
Diseño y programación de la aplicación SCADA
25/06/2018 30/08/2018 66
Fase de pruebas de la aplicación 15/08/2018 30/08/2018 15
Realización de la memoria del proyecto
01/06/2018 24/09/2018 115
Revisión final del funcionamiento del programa
17/09/2018 24/09/2018 7
Revisión final de la memoria 17/09/2018 24/09/2018 7
Tabla 6. Tabla con las tareas realizadas en el proyecto
Memoria
38
Figura 3.13. Diagrama de Gantt del proyecto
03/11/2017 23/12/2017 11/02/2018 02/04/2018 22/05/2018 11/07/2018 30/08/2018
Preparación del tema del TFG
Búsqueda de información
Descripción del proceso a automatizar
Definición de las etapas del proceso
Definición de los elementos del sistema y su codificación
Creación de los tags de los elementos en RSLogix
Creación de los tags de los elementos en el SCADA
Configuración comunicaciones de programa y PLC virtual
Programación del control de cada elemento en el PLC
Programación de la simulación de la planta en el PLC
Programación de las etapas del proceso en el PLC
Programación de los lazos de control y configuración del PID
Configuración comunicaciones PLC-SCADA
Diseño y programación de la aplicación SCADA
Fase de pruebas de la aplicación
Realización de la memoria del proyecto
Revisión final del funcionamiento del programa
Revisión final de la memoria
Diagrama de Gantt del proyecto
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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3.7. Recursos
Para la buena realización de este proyecto se ha necesitado de varios recursos que se enumeran a
continuación:
1) Ordenador portátil con acceso a internet para la búsqueda de información.
2) Apuntes de las asignaturas de automática de la carrera.
3) Libros sobre el proceso a automatizar.
4) Máquina virtual proporcionada por el director del proyecto con todo el software necesario
para la realización de este proyecto.
a. RSLinx Classic: Comunicación entre el programa del PLC y el sistema SCADA.
b. RSLogix Emulate 5000: simulación de PLC virtual.
c. RSLogix 5000 Enterprise: compilador de programa PLC.
d. InTouch Wonderware: programación sistema SCADA.
5) Software VMware® Workstation 12 Pro para trabajar con máquinas virtuales.
Memoria
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4. Diseño e Implementación de la Solución
En este apartado se expone la solución adoptada para la automatización del proceso de acuerdo a los
requisitos expuestos anteriormente. Se explica el sistema de control, la simulación del proceso, la
estructura del programa y la aplicación SCADA.
4.1. Arquitectura del Sistema de Control
4.1.1. Hardware del Sistema
Este proyecto de automática no consta de un hardware específico, se basa todo en programación. La
planta se simula desde la programación desde el PLC. Las señales que se simulan son el equivalente a
las señales de entrada y salida físicas que tendría un sistema de control en una planta real.
4.1.2. Software del Sistema
Como se ha dicho anteriormente este proyecto es una simulación de un proceso y se realiza todo desde
la programación del PLC. Para ello se tiene todo el software necesario en una máquina virtual que se
abre desde VMware® Workstation 12 Pro, un software que permite la gestión de éstas y que ejecuta
Windows XP donde están instalados todos los programas de programación de PLC y diseño de SCADA.
Los programas son los siguientes:
1. RSLinx Classic: Comunicación entre el programa del PLC y el sistema SCADA, mediante el
protocolo de Windows, DDE, el cual permite la comunicación entre aplicaciones en Windows.
2. RSLogix Emulate 5000: simulación de un PLC virtual con sus tarjetas de entradas/salidas y la
CPU del PLC para poder simular la programación y visualizar su comportamiento.
3. RSLogix 5000 Enterprise: compilador del programa PLC, donde escribimos en ladder el
programa.
4. InTouch Wonderware: software de diseño de sistemas SCADA que se utiliza para la supervisión
y el control del sistema.
4.1.3. Vista Global de las Comunicaciones
La comunicación global de todo el proceso requiere de varias configuraciones para que el programa se
pueda simular en un PLC virtual y controlar desde el SCADA el sistema. En este caso se tiene que
configurar el controlador para que se comunique con el programa y a través del RSLinx se pueda
comunicar todo con el SCADA.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
41
Figura 4.1. Visión global de comunicaciones (Caro s.f.)
Figura 4.2. Detalle comunicación DDE (Caro s.f.)
Para configurar estas comunicaciones primero se tiene que conseguir que el RSLinx reconozca el PLC
virtual. Para ello desde el RSLinx se hará clic en Comunications -> Configure Drivers – Add New y
seleccionaremos “Virtual Backplane” (VBP).
Memoria
42
Figura 4.3. Creación de Virtual Backplane (VBP)
Una vez creado se comprueba que se haya creado correctamente.
Figura 4.4. Comprobación de VBP
Después de la comprobación se irá al RSLogix para añadir los módulos del PLC Virtual y
entradas/salidas.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
43
Figura 4.5. Configuración I/O en RSLogix
Por último, se configura el RSLogix Emulate añadiendo a los slots vacíos la CPU del PLC virtual y la tarjeta
de entradas/salidas.
Figura 4.6. Creación del PLC Virtual y tarjeta entradas/salidas
Con esta última configuración ya se puede simular el comportamiento de la planta. Para ello habrá que
descargar el programa al PLC Virtual, poner el RSLogix 5000 en Online y Run Mode.
Memoria
44
4.1.4. Comunicaciones SCADA-Controlador-Proceso
La comunicación entre el PLC y el SCADA se realiza a través del protocolo de comunicación DDE
(Dynamic Data Exchange). Con este protocolo comunicamos el software RSLinx y el InTouch para que
las órdenes dadas desde el SCADA se reflejen en el PLC para controlar el sistema.
Para realizar esta comunicación hay que configurar el protocolo DDE en el InTouch. Para ello abriremos
la pestaña Special -> Acces Name -> Add. En la ventana que se abre al final de estos pasos se pondrá lo
que se ve en la siguiente figura para crear el tipo de comunicación que usaremos.
Figura 4.7. Configuración del Acces Name DDE
Una vez configurado este Acces Name con el protocolo DDE, por parte de del SCADA ya estaría. Solo
faltaría configurar los tags para que puedan comunicar. Cuando se crean los tags del sistema éstos
tienen que ser del tipo I/O y el tipo original que haga falta (discrete, real, etc) y además estar asociados
a un tag del PLC, que se pondrá en el apartado item junto con este Acces Name para que pueda haber
comunicación entre los tags del SCADA y el PLC. A continuación se muestra la ventana de un tag
configurado correctamente.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
45
Figura 4.8. Configuración de un tag del sistema
Importante apreciación, los tags del SCADA no admiten puntos en su nombre. Habrá que cambiarlos
por un guion bajo, manteniendo la estructura del tag lo más parecida posible a la del PLC.
Una vez se tenga configurado todo esto, es hora de configurar el DDE en el RSLinx. Se hará clic en
DDE/OPC -> Topic Configuration -> New y crearemos un nuevo topic. Después asociaremos este topic
a la CPE emulada que nos aparece en la lista.
Figura 4.9. Configuración del topic TFG_SCADA en RSLinx
Memoria
46
Con el topic configurado, se crea un alias (DDE) que se vinculará al topic anteriormente creado.
Figura 4.10. Configuración del Alias en RSLinx
Con todas las comunicaciones configuradas ya se puede descargar el programa al PLC Virtual ponerlo
en Online y ejecutarlo dándole a Run Mode. Sin cerrar los programas RSLogix Emulate ni el RSLinx y
ejecutando la aplicación SCADA poniéndola en RunTime, se puede simular el comportamiento de la
planta y comprobar el correcto funcionamiento e interacción con el PLC Virtual.
4.2. Simulación del Proceso
La mayoría de veces no se dispone de una planta real la cual se quiere automatizar. Como es el caso
de este proyecto. Por eso existen varias alternativas con las que se pueden simular el comportamiento
de la planta. Una de ellas es embebida dentro del PLC y es la elegida para la automatización de la planta
de este proyecto.
Además los tiempos de simulación se han reducido con respecto a los de una planta real para que se
pueda apreciar su funcionamiento de forma clara y rápida.
4.2.1. Bloques del Sistema
Esta simulación está dividida en dos grandes bloques, los Add-On Instructions y la simulación de las
etapas del sistema en subrutinas.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.11. Bloques Add-On Instructions
Figura 4.12. Bloques de Simulación
4.2.2. Estructura de Simulación
Lo primero de todo y más importante en la simulación del proceso son las instrucciones Add-On. Estas
son bloques de función creadas específicamente para realizar o recrear el comportamiento de algún
elemento.
Cada bloque de Add-On consta de dos partes. La primera “Parameters and Local Tags”, tiene sus
propios tags y se puede definir cuáles serán entradas, salidas o tags locales para que aparezcan en el
bloque de función para configurar. La segunda parte “Logic”, es donde se realiza la lógica del bloque.
Una característica de estos bloques de función Add-On es que se pueden utilizar para varios elementos
sin tener que realizar varias subrutinas para estos mismos.
Memoria
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A continuación se definen las funciones Add-On y su comportamiento:
- Centrifugal Compressor: simula el comportamiento a las órdenes recibidas desde el PLC y las
condiciones de alarma al encendido.
- Delay: simula los retardos que se introducen en los bloques First Order.
- First Order: simula la progresión de una variable a alcanzar un valor determinado. Se puede
añadir ganancias a los valores introducidos y también un lag, que es el tiempo que tarda en
alcanzar el valor de salida. Se utiliza para visualizar valores de los caudalimetros y los sensores.
- Motor: simula el comportamiento de las bombas centrifugas y el ventilador de humos a las
órdenes recibidas desde el PLC, devuelve el estado de running cuando se cumplen las
condiciones indicadas.
- OnOffValve: simula el comportamiento de las válvulas On/Off, las temporizaciones a las
órdenes de apertura y cierre recibidas desde el PLC y las condiciones de alarmas.
- Oscillation: simula las oscilaciones propias de los valores analógicos de los sensores en las
plantas reales.
- Turbina: simula el comportamiento a las órdenes recibidas desde el PLC y las condiciones de
alarma al encendido
Por último, la otra parte de la simulación es el bloque “Planta_Simulación”, donde están las subrutinas
que definen el comportamiento de la planta. Es a esta parte del programa donde van las señales de
salida y de la cual salen las señales de entrada que llegan al programa.
A continuación se definen las subrutinas del bloque de simulaciones:
- MainRoutine: esta rutina es donde llaman todas las demás subrutinas que forman parte de la
simulación del sistema.
- Loops: es donde tenemos los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones propias
del con las que se consigue la simulación de los lazos de control entre las válvulas reguladoras,
sus caudalimetros y los sensores asociados a ellos.
- Compresor_Aire: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del
propio Add-On de Centrifugal Compressor.
- Caldera: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones
propias del software de programación se simula el comportamiento de la caldera. Cogiendo
los valores de los flujos de aire y biomasa que se generan desde los loops correspondientes se
hacen los cálculos en función de las cantidades de aire y biomasa dentro de la caldera para
simular los diferentes comportamientos posibles. También se simula la implicación que tienen
el ventilador de humos y la válvula que se encarga de vaciar las cenizas en la combustión. Por
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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último también se la visualización de los sensores de temperatura y de oxígeno en función del
condiciones de la combustión.
- Motor: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio Add-
On de Motor.
- Onoff_Valvula: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio
Add-On de Onoff_Valvula.
- Transmisor_Indicador: se simula la posible alarma que puede provenir desde los sensores. Se
asocian a los tags de entrada correspondientes del programa PLC.
- Circulo_Vapor: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras
funciones propias del software de programación se simula la circulación del vapor cuando sale
de la caldera y de agua cuando entra en ella o cuando entra en el tanque de alimentación.
También se simula la presión y la temperatura del vapor en función de las condiciones de que
existen en la caldera.
- Combustible_AUX: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras
funciones propias del software de programación se simula el aumento de temperatura en la
caldera necesaria para el pre-calentamiento.
- Turbina: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio Add-
On de Turbina y utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones
propias del software de programación se simula la generación de energía eléctrica en función
del flujo de vapor que pasa por la turbina.
4.2.3. Diseño del Código embebido
A continuación se mostrarán algunos ejemplos del código de simulación embebido para que se
entienda como se han creado los Add-On y como forman parte importante en la simulación de las
demás subrutinas.
El código entero de la simulación se encuentra en los anexos donde se pueden ver como se han
simulado todos los procesos.
Memoria
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Figura 4.13. Tags del Add-On OnOffValve
Figura 4.14. Lógica del Add-On OnOffValve
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Figura 4.15. Add-On OnOffValve como bloque en la lógica de la simulación
Figura 4.16. Lógica de la simulación de un lazo de control
Memoria
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4.3. Descomposición del Problema de Control
Para que el sistema de control quede organizado y claro se han dividido en varias rutinas. Una de estas
partes es el control manual de los elementos, donde cada elemento tiene su propia rutina y se controla
individualmente, menos los elementos que se repiten a lo largo del proceso, que indexando estos
elementos se ha podido realizar el control con solo una rutina por tipo de elemento, ahorrando espacio
en código y haciéndolo más fácil de entender.
Otra parte es el control en automático. Esta parte tiene varias rutinas específicas para lograr el
funcionamiento de cada etapa en el orden adecuado. Para ello se ha creado una rutina de un Grafcet
con la que se sigue una secuencia que permite poner en marcha los elementos hasta conseguir que el
proceso funcione en estacionario. Otra rutina es el Grafcet de Paro donde sigue una secuencia para
parar todos los elementos en un orden específico hasta volver a las condiciones iniciales. Estos
Grafcet’s se controlan desde otra rutina, llamada MANDO. Esta rutina es con la que se ponen los
elementos en automático y se arma el sistema, se ponen los elementos en servicio. Se inicializan los
Grafcet’s y se ponen en marcha o se paran.
Por último, se ha hecho una rutina específica para el control PID que permite el control de los lazos de
control. Esta última rutina contiene tres módulos PID para controlar las tres válvulas reguladoras, y
estos módulos se accionaran en función de la etapa del Grafcet donde se esté.
4.4. Codificación de los Elementos y Sistemas
Cada elemento tiene sus propias señales, la identificación de estas señales viene con una codificación
acordada desde el principio del proyecto y que se utiliza a lo largo de éste.
Esta codificación se utiliza para la fácil identificación de la función y de la procedencia de la señal. A
continuación se describe esta codificación.
- X: son las señales que provienen de la planta.
- Y: son las señales que manda el PLC hacia la planta.
- E: son las señales que indican los estados de los elementos, son señales que salen del PLC y
que llegan al SCADA para éste sepa el estado de la planta. Estas señales se activan o se
desactivan en función de las señales que vienen de la planta, señales tipo X.
- C: son las señales que vienen del SCADA, en este caso son ordenes que se envían, por ejemplo,
para activar o desactivar elementos.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.17. Esquema de la direccionalidad de las señales (Gámiz, Gámiz y Lluva, Sessions de
Laboratori 2016)
Además, hay dos letras que codifican funciones específicas dentro del PLC donde son necesarias la
creación de un tag.
- T: indica que el tag es un temporizador.
- C: indica que el tag es un contador.
Para una mejor comprensión de la codificación se muestra un ejemplo en la siguiente figura.
Figura 4.18. Esquema de la codificación de las señales
La codificación de las señales en el SCADA sigue el mismo patrón exceptuando los puntos que son
substituidos por guiones bajos ya que el software InTouch no los admite.
4.5. Definición del fichero de Intercambio Controlador-Scada
Este fichero es donde se organizan y definen todas las señales o tags de los elementos que se utilizan
en el proceso a automatizar, se especifican los tipos y cuales son de entrada o salida desde el PLC o el
SCADA.
FCV_01.E_AUTOMATIC Nombre
elemento
Procedencia de la señal
Descripción
de la función
Memoria
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Tabla 7. Fichero de intercambio con los tags asociados al Compresor Soplador
Tipo Compresor-Soplante: CC_01 PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
2 Estado Circuito de Frío OK E_COOLOK BOOL 1 1
3 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
4 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
5 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
6 Estado en Marcha E_RUNNING BOOL 1 1
7 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
8 Estado Preparado para Funcionar E_READY BOOL 1 1
9 Estado Presión Oil OK E_OILOK BOOL 1 1
10 Potencia Eléctrica POWER REAL 1 1
11 Horas de Marcha RHOURS DINT 1 1
12 Horas Totales THOURS DINT 1 1
13 Orden de Parada Compresor C_STOP BOOL 1 1
14 Orden Marcha Compresor C_START BOOL 1 1
15 Orden Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
16 Orden Manual C_MANUAL BOOL 1 1
17 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1
18 Orden de Macha Compresor C_RUNNING BOOL 1 1
19 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1
20 Orden de Servicio C_SERVICE BOOL 1 1
21 Orden Marcha Circuito de Frío C_COOL BOOL 1 1
22 Orden Marcha Bomba de Aceite C_OIL BOOL 1 1
23 Orden Parada Compresor en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1
24 Orden Marcha Circuito de Frío en Automático (MONOESTABLE) C_COOL_AUTO BOOL 1
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Tipo Compresor-Soplante: CC_01 PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
25 Orden Marcha Bomba de Aceite en Automático (MONOESTABLE) C_OIL_AUTO BOOL 1
26 Orden Marcha Compresor en Automático (MONOESTABLE) C_START_AUTO BOOL 1
27 Señal Analógica de entrada potencia eléctrica XPOWER REAL 1
28 Señal de Entrada Marcha Compresor XRUNNING BOOL 1
29 Señal de Entrada Alarma XALARM BOOL 1
30 Señal de Entrada Circuito de Frío OK XCOOL BOOL 1
31 Señal de Entrada Presión Oil OK XOIL BOOL 1
32 Señal de Salida Marcha Compresor YSTART BOOL 1
33 Señal de Salida Reset Alarmas YRESET BOOL 1
34 Señal de Salida Marcha Circuito de Frío YCOOL BOOL 1
35 Señal de Salida Marcha Bomba de Aceite YOIL BOOL 1
36 Temporizador Horas de Marcha T_HRUNNING TIMER
37 Temporizador Horas Totales T_HTOTAL TIMER
38 Contador Horas de Marcha C_HRUNNING COUNTER
39 Contador Horas Totales C_HTOTAL COUNTER
Memoria
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Tabla 8. Fichero de intercambio con los tags asociados a la Válvula Reguladora
Tipo Válvula Reguladora: FCV_01, FCV_02, FCV_03 PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Alarma Posición A_POSITION BOOL 1 1
2 Consigna de Posición C_POSITION REAL 1 1
3 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
4 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
5 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
6 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
7 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
8 Consigna de Posición en Automático C_POSITION_AUTO REAL 1
9 Orden de Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
10 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1
11 Orden de Manual C_MANUAL BOOL 1 1
12 Orden En Servicio C_SERVICE BOOL 1 1
13 Orden Fuera de Servicio C_RESET BOOL 1 1
14 Señal de Salida Posición YPOSITION REAL 1
15 Señal de Salida de Reset YRESET BOOL 1
16 Temporizador de Reset T_RESET TIMER
17 Temporizador de Cerrado T_CLOSE TIMER
18 Temporizador de Abierto T_OPEN TIMER
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Tabla 9. Fichero de intercambio con los tags asociados a los Transmisores indicadores
Tipo Transmisores indicadores: OIT_01, TIT_01, TIT_02, FIT_01, FIT_02, FIT_03, FIT_04, FIT_05,
FIT_06, PIT_01
PLC SCADA
Item Descripción Tag señal
Tipo E E/S S E E/S S
1 Alarma error equipo E_ALARM BOOL 1 1
2 Medida MINS REAL 1 1
3 Señal de Medida XMINS REAL 1
4 Alarma error equipo XALARM BOOL 1
Memoria
58
Tabla 10. Fichero de intercambio con los tags asociados a los Motores Simples
Tipo Motor Simple: BC_01, BC_02, BC_03, BC_04, FAN PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
2 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
3 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
4 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
5 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
6 Estado en Macha E_RUNNING BOOL 1 1
7 Orden Parada en Automático C_STOP_AUT BOOL 1 1
8 Orden Parada C_STOP BOOL 1 1
9 Orden de Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
10 Orden de Manual C_MANUAL BOOL 1 1
11 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1
12 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1
13 Orden de Servicio C_SERVICE BOOL 1 1
14 Orden Marcha C_START BOOL 1 1
15 Orden Marcha en Automático C_START_AUT BOOL 1
16 Señal de entrada Alarma XALARM BOOL 1
17 Señal de entrada Marcha Motor XRUNNING BOOL 1
18 Señal de Salida Reset Alarmas YRESET BOOL 1
19 Señal de Salida Marcha Motor YSTART BOOL 1
20 Señal de Salida Parada Motor YSTOP BOOL 1
21 Temporizador de pulso de Reset T_RESET TIMER
22 Temporizador de Alarma Confirmación T_START TIMER
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Tabla 11. Fichero de intercambio con los tags asociados a las Válvulas Todo/Nada
Tipo Válvula todo/nada: V_01, V_02, V_03, V_04, V_05, V_06
PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Orden de Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
2 Orden Cerrar C_CLOSE BOOL 1 1
3 Orden Cerrar en Automático C_CLOSE_AUT BOOL 1 1
4 Orden Manual C_MANUAL BOOL 1 1
5 Orden Abrir C_OPEN BOOL 1 1
6 Orden Abrir en Automático C_OPEN_AUT BOOL 1 1
7 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1
8 Orden Fuera de Servicio C_FSERVEI BOOL 1 1
9 Orden En Servicio C_SERVEI BOOL 1 1
10 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
11 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
12 Estado Cerrada E_CLOSED BOOL 1 1
13 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
14 Estado Abierta E_OPEN BOOL 1 1
15 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
16 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
17 Alarma Posición A_POSICIO BOOL 1 1
18 Estado Final de Carrera Abierta E_FCO BOOL 1 1
19 Estado Final de Carrera Cerrada E_FCT BOOL 1 1
20 Señal Final Carrera Abierta XOPEN BOOL 1
21 Señal Final Carrera Cerrada XCLOSED BOOL 1
22 Señal Alarma Eléctrica XALARM BOOL 1
23 Señal Orden de Abrir YOPEN BOOL 1
24 Señal Orden de Cerrar YCLOSE BOOL 1
Memoria
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Tipo Válvula todo/nada: V_01, V_02, V_03, V_04, V_05, V_06
PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
25 Señal Reset YRESET BOOL 1
26 Temporizador Abrir T_CLOSE TIMER
27 Temporizador Cerrar T_OPEN TIMER
28 Temporizador Señal de Reset T_RESET TIMER
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Tabla 12. Fichero de intercambio con los tags asociados a la Turbina
Tipo Turbina: T_01 PLC SCADA Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
2 Estado Circuito de Refrigeración OK E_COOLOK BOOL 1 1
3 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
4 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
5 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
6 Estado en Marcha E_RUNNING BOOL 1 1
7 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
8 Estado Preparado para Funcionar E_READY BOOL 1 1
9 Estado Presión Oil OK E_OILOK BOOL 1 1
10 Velocidad de Rotación (RPM) RPM REAL 1 1
11 Presión (BAR) BAR REAL 1 1
12 Temperatura (⁰C) TEMP REAL 1 1
13 Horas de Marcha RHOURS DINT 1 1
14 Horas Totales THOURS DINT 1 1
15 Orden de Parada Turbina C_STOP BOOL 1 1
16 Orden Marcha Turbina C_START BOOL 1 1
17 Orden Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
18 Orden Manual C_MANUAL BOOL 1 1
19 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1
20 Orden de Macha Turbina C_RUNNING BOOL 1 1
21 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1
22 Orden de Servicio C_SERVICE BOOL 1 1
23 Orden Marcha Circuito de Refrigeración C_COOL BOOL 1 1
24 Orden Marcha Bomba de Aceite C_OIL BOOL 1 1
25 Orden Parada Turbina en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1
Memoria
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Tipo Turbina: T_01 PLC SCADA Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
26 Orden Marcha Circuito de Refrigeración en Automático (MONOESTABLE) C_COOL_AUTO BOOL 1
27 Orden Marcha Bomba de Aceite en Automático (MONOESTABLE) C_OIL_AUTO BOOL 1
28 Orden Marcha Turbina en Automático (MONOESTABLE) C_START_AUTO BOOL 1
29 Señal Analógica de Velocidad de rotación (RPM) XVELOCIDAD REAL 1
30 Señal Analógica de Presión (BAR) XBAR REAL 1
31 Señal Analógica Temperatura (⁰C) XTEMP REAL 1
32 Señal Sensor Detector de desplazamientos del Eje XSENS BOOL 1
33 Señal de Entrada Marcha Turbina XRUNNING BOOL 1
34 Señal de Entrada Alarma XALARM BOOL 1
35 Señal de Entrada Circuito de Refrigeración OK XCOOL BOOL 1
36 Señal de Entrada Presión Oil OK XOIL BOOL 1
37 Señal de Salida Marcha Turbina YSTART BOOL 1
38 Señal de Salida Reset Alarmas YRESET BOOL 1
39 Señal de Salida Marcha Circuito de Regrigeración YCOOL BOOL 1
40 Señal de Salida Marcha Bomba de Aceite YOIL BOOL 1
41 Temporizador Horas de Marcha T_HRUNNING TIMER
42 Temporizador Horas Totales T_HTOTAL TIMER
43 Contador Horas de Marcha C_HRUNNING COUNTER
44 Contador Horas Totales C_HTOTAL COUNTER
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Tabla 13. Fichero de intercambio con los tags asociados al Generador
Tipo Generador: G_01 PLC SCADA
Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S
1 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1
2 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1
3 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1
4 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1
5 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1
6 Estado en Macha Generador E_RUNNING BOOL 1 1
7 Señal de Potencia Eléctrica (MW) POWER BOOL 1 1
8 Orden Parada Generador en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1 1
9 Orden Parada Generador C_STOP BOOL 1 1
10 Orden de Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1
11 Orden de Manual C_MANUAL BOOL 1 1
12 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1
13 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1
14 Orden de Servicio C_SERVICE BOOL 1 1
15 Orden Marcha C_START BOOL 1 1
16 Orden Marcha en Automático C_START_AUTO BOOL 1
17 Señal de entrada Alarma XALARM BOOL 1
18 Señal de entrada Marcha Generador XRUNNING BOOL 1
19 Señal Analógica Potencia (MW) XPOWER REAL 1
20 Señal de Salida Marcha Generador YSTART BOOL 1
21 Señal de Salida Reset Alarmas YRESET BOOL 1
Memoria
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4.6. Programa del Controlador
En este apartado se presentará más a fondo todo el programa que controla al sistema. Se verá la
estructura del programa, los tipos de datos creados para los elementos, la lógica y la secuencia de
control y las regulaciones de los lazos de control a través de los módulos PID con los valores utilizados
en la sintonización.
4.6.1. Estructura del Programa
La estructura del programa se basa en tres grandes bloques, el manual, el automático y la simulación.
Cada uno de ellos consta de varias subrutinas que hacen más fácil el entendimiento de la estructura.
En el primer bloque, llamado “MainProgram”, es donde se programa el control y el comportamiento
de los elementos en modo manual. Cada tipo de elemento tiene su propia subrutina para facilitar la
identificación del código de cada elemento dentro de la estructura del programa.
El segundo bloque, llamado “Control_Auto”, es donde se programa el control en automático de la
planta. Para ello hay varias subrutinas programadas. Dos de ellas son Grafcets, uno que inicia el sistema
y lo lleva hasta su funcionamiento estacionario, el otro es uno que lleva el sistema al paro total del
sistema hasta que llega a sus condiciones iniciales. También está la subrutina “MANDO”, desde la cual
se programa el control del sistema, donde el sistema se pone en servicio y automático, o se inicializan,
se ponen en marcha o se paran los Grafcets. Por última en este bloque, se tiene la subrutina donde
están programados los módulos PID, sus condiciones de funcionamiento y su configuración.
El último bloque, llamado “Simulación”, es donde se programa el comportamiento de la planta. Esta
subrutina está explicada en profundidad en el apartado 4.2 de este proyecto. Este bloque forma parte
de la programación porque la simulación está embebida dentro del PLC simulando el comportamiento
real de la planta.
En la siguiente figura se muestra la estructura de los tres bloques, explicados anteriormente, en el árbol
de navegación creada en el controlador.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
65
Figura 4.19. Estructura del programa
4.6.2. Definición de los Tipos de Datos
El controlador RSLogix permite la creación de tipos de datos personalizados, es una manera muy útil
de ahorrar tiempo en la creación de los tags de los elementos.
Se han creado siete tipos de datos que corresponden a todos los tipos de elementos que se encuentran
en la planta a automatizar. Éstos permiten crear todas las señales necesarias que un elemento necesita
para su control. De tal manera que no hace falta crear individualmente cada tag para cada elemento
con cada señal, sino que solo se asociará el nombre del tag de un elemento con el tipo de dato
correspondiente, asociándole automáticamente todas las señales propias de ese elemento.
Todas las señales asociadas a cada tipo de elemento son las señales definidas en el apartado 4.5 donde
se muestra el fichero de intercambio entre el controlador y el SCADA.
A continuación se muestra la lista de los tipos de datos y su asociación en el controlador.
Memoria
66
Figura 4.20. Data Types tipo User-Defined en el programa
Figura 4.21. Data Type tipo Válvula Reguladora, FCV
En la siguiente figura se puede ver como en el “Control Tags” del controlador se ha creado una
variable correspondiente a un elemento del proceso y que asociándole un Data Type de un elemento
se le generan las señales asociadas a ese.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
67
Figura 4.22. Tag de un elemento asociado a un Data Type
4.6.3. Lógica de Control de los Elementos
Para el control de los elementos se han creado subrutinas para cada tipo de elemento, éstas se llaman
desde la rutina principal del programa. Los elementos del mismo tipo, para poder utilizar la misma
rutina de control en varios elementos, se llaman con saltos de subrutina (JSR) con entrada de
parámetros, estas entradas son el nombre de la variable de cada elemento. Las subrutinas están
creadas como genéricas y la manera de pasar los parámetros es colocando la instrucción “subrutine”
(SBR) al principio y la instrucción “Return from Subrutine” al final para que devuelva los valores. Es
decir, cada vez que se da una orden a algún elemento, este se pasa como parámetro a la rutina genérica
y retorna los valores en función de los estados en que estuviese ese elemento.
Figura 4.23. Indexado en Main Routine
Memoria
68
Figura 4.24. Paso de parámetros con SBR y RET
La activación de los estados de las señales es algo común entre todos los elementos. Por lo tanto los
estados manual/automático o en servicio/fuera de servicio se activan de la misma manera en todos
los elementos.
Figura 4.25. Ejemplo de activación de los estados de los elementos
Las señales de marcha y paro que se envían a la planta, de tipo Y, se dan en los elementos tipo Motor,
el Compresor Soplador y la Turbina. Son muy parecidas entre sí, pero tiene diferentes condiciones de
encendido o apagado según el elemento que se esté controlando.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
69
Figura 4.26. Ejemplo de Start y Stop en el Compresor Soplador
Otras características de los elementos son las ordenes de apertura o cierre de las válvulas Todo/Nada.
Cuando se cumplan las condiciones y se dé la orden se enclava un temporizador de 10 s, que mientras
esté activo, se está dando una señal hacia la planta (señal tipo Y) de apertura (V.YOPEN), cuando desde
la plante se dé la señal (V.XOPEN) y el temporizador haya finalizado se ponen en latch las señales de
final de carrera (V.E_FCO) y estado abierto (V.E_OPEN).
Figura 4.27. Ejemplo de Open y Closed en las Válvulas Todo/Nada
Memoria
70
Las señales que provienen de la planta (señal tipo X), activan estados dentro del PLC los cuales también
pueden ser condiciones para otro estado. Estas señales también dan las alarmas que vienen de la
planta que pasan a ser estados (señales tipo E).
Figura 4.28. Ejemplo señales de planta
Existen otras condiciones que implican el estado en alarma que no sean exclusivamente una señal
desde la planta. En el siguiente ejemplo se puede ver que la alarma se conecta cuando el temporizador
de la señal de Start ha acabado y todavía no está en running el elemento, o se está enviando la señal
de Stop pero sigue en running o directamente desde la planta.
Figura 4.29. Ejemplo activación del estado de alarma de un elemento
Por último, se muestra la función de la orden de Reset. Común en todos los elementos para desactivar
las alarmas a nivel individual que puedan tener los elementos. Cuando se dé la orden se activará un
temporizador que se enclava para que la señal de Reset actúe durante un tiempo, está señal se fuerza
durante un tiempo para asegurar que la planta la reciba y la procese. En la figura se muestra como esta
señal de Reset hace Unlatch a los estados de alarma y pone a 0 las consignas de posición de las válvulas
reguladoras y una variable auxiliar.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
71
Figura 4.30. Ejemplo activación del Reset de un elemento
El Compresor Soplador y la Turbina se les han programado unos temporizadores y contadores con los
cuales se controlan las horas de Marcha como las horas totales de funcionamiento (En servicio). La
percepción del tiempo se ha programado para que 5 s reales sean 1 h en la simulación. Estos tiempos
son muy útiles a la hora de hacer tareas de mantenimiento.
Figura 4.31. Ejemplo Temporizador Horas Marcha
Todas las imágenes mostradas en este apartado son una pequeña muestra para mostrar el
funcionamiento del control de los sistemas. Toda la lógica sobre el control se encuentra enteramente
disponible en los anexos.
Memoria
72
4.6.4. Lógica de Control de los Sistemas
El control de sistemas en este proyecto se ha definido como “Control_Auto”, es el modo Automático
del sistema. Este sistema se ha dividido en varias subrutinas, el “MANDO”, desde el que se realiza el
control del sistema en Automático. Los Grafcets de control, tanto el de inicio que lleva el sistema a la
generación de energía como el que lo para y lo lleva a las condiciones iniciales. Y por último, la subrutina
“PID”, donde están los módulos PID de los tres lazos de control.
Figura 4.32. Main Routine de Control_Auto
La subrutina con la que se controla el sistema en modo Automático, como ya se ha dicho, es la de
“MANDO”. En la siguiente figura se muestra las órdenes de Marcha, Paro y Reset del sistema
Automático. El Reset inicializa los Grafcets en la etapa 0 si el sistema se encuentra “Armado”, es decir
todos los elementos en servicio, y en Automático, todos los elementos también. La orden de Marcha,
si el sistema se encuentra en condiciones iniciales, habilita un bit de Ciclo, que permite que las Etapas
del Grafcet avancen si las condiciones se cumplen. Y la orden de Paro, pone a 0 la palabra de Grafcet,
pone a latch un bit de paro y hace unlatch al bit de Ciclo.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.33. Ordenes de la subrutina Mando
4.6.5. Secuencia de Control
Las subrutinas de Grafcets están divididas en dos partes, la primera se programan las transiciones entre
las etapas con las condiciones requeridas, la segunda parte es donde se ejecutan las acciones de cada
una de las etapas.
En la parte de transiciones, cuando las condiciones de transición se cumplen se hace unlatch de la etapa
activa y se hace latch a la siguiente. De esta manera, cuando se van cumpliendo las condiciones el
Grafcet va avanzando a través de las etapas.
La parte de las acciones, es cuando una etapa está activa y se le asocia una acción, ésta se ejecuta
mientras no se cumplan las condiciones de transición de la siguiente etapa.
De esta manera se pueden ordenar una secuencia de acciones en un orden específico para conseguir
que el proceso se ejecute de la forma correcta.
Memoria
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Figura 4.34. Transiciones de las Etapas 1 a 4 de la subrutina Grafcet_PID
Figura 4.35. Acciones de las Etapas 1 a 4 de la subrutina Grafcet_PID
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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4.6.6. Regulaciones PID
Las regulaciones PID nos permiten controlar las señales analógicas del sistema. Estás regulaciones con
PID se utilizan en los modos Automático porque el PID es capaz de regular las señales analógicas al
valor deseado por sí solo. El módulo PID realiza un control en ciclo cerrado, el cual nos mide la respuesta
en la salida (Control Process) y nos adapta la entrada (Control Variable) en función de la consigna (Set
Point) que se tenga.
Figura 4.36. Regulación PID (Automation, PID Control Logix RSLogix 5000 s.f.)
Esta regulación se consigue configurando los parámetros que caracterizan la ecuación de regulación
de PID, éstos son KP, KI y KD. Para poder ajustar los valores de estos parámetros se ha seguido los pasos
que se encuentran en los apuntes relacionados con el PID que el director del proyecto me ha facilitado
y también el ensayo y error para poder ajustar esta regulación lo más cercano a la consigna posible.
En este proyecto se han realizado tres regulaciones PID para el control de ciertos valores analógicos
clave para el control del sistema. Estos valores son la temperatura de la caldera, el exceso de aire en la
caldera y la generación de energía eléctrica. El control de estos valores se hace mediante la apertura
de las válvulas reguladoras (CV) que influyen en estas variables del proceso (PV) y el PID es el encargado
de la apertura o cierre de éstas de manera automática.
Tabla 14. Parámetros de los PID
Parámetros PID Tipos KP KI KD
PID TEMPERATURA 4,3 2,5 1,0
PID EXCESO AIRE 4,0 0,6 0,2
PID ENERGÍA 4,0 2,0 1,0
Memoria
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Los parámetros están asociados a una determinada consigna, que es la ideal para el proceso. Si esa
consigna varia, los parámetros obtenidos no serán del todo bueno para la regulación de esa nueva
consigna. Las consignas con las que se han obtenido estos parámetros son: 1300 °C para la temperatura
en la caldera, 1.3 % de exceso de aire y 3 MW de generación de energía.
Estos parámetros se consiguen modificándolos en la ventana de configuración que se abre cuando se
hace clic en el módulo.
Figura 4.37. Configuración Parámetros PID
La consigna (SP) que se puede modificar desde el SCADA llega al PLC para introducirlas en los módulos
PID. La lectura de estas consignas se realizan cada segundo y como vienen en formato String se realiza
la conversión hacia uno tipo Real.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.38. Lectura de Consignas
Los módulos PID, y por lo tanto su regulación, solo estarán habilitados en determinadas Etapas del
Grafcet.
Figura 4.39. PID Exceso de aire
Figura 4.40. PID Biomasa
Memoria
78
Figura 4.41. PID Vapor
4.7. Programa del Software SCADA
En este apartado se detalla el diseño de la aplicación SCADA para el sistema a automatizar. Se explica
la navegación por la aplicación, las pantallas, los comandos de control y otros aspectos importantes
sobre el diseño.
4.7.1. Árbol de Navegación
Para entender un poco mejor la navegación entre las pantallas principales de la aplicación SCADA se
ha realizado un esquema donde se puede apreciar el árbol de navegación. En este esquema se puede
apreciar dos candados, los cuales indican que su acceso está restringido.
Una vez se inicia sesión, se accede a la pantalla principal. En esta pantalla se podrá abrir la pantalla de
control o los comandos individuales de los elementos si el usuario tiene acceso, sino solo podrá abrir
las pantallas de Alarmas y el Gráfico de Históricos. Desde la pantalla de Control se podrán abrir las
pantallas donde se ve al detalle las diferentes etapas del proceso.
Las flechas negras indican que se puede navegar horizontalmente dentro del nivel mismo nivel
jerárquico, sin tener que volver al nivel anterior para abrir la pantalla deseada.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
79
Figura 4.42. Árbol de Navegación
4.7.2. Definición de los Tipos de Datos
Los tags que se han utilizado para la aplicación SCADA han sido los necesarios para el control y la
supervisión del proceso. Éstos, como se tienen que asociar con tags del PLC se ha seguido la misma
estructura, exceptuando por los puntos que se han substituido por un guion bajo porque la aplicación
InTouch no los admite.
Para que estos tags se puedan comunicar con el PLC, en la creación de los tags se tiene que configurar
con el protocolo de comunicación DDE y el tipo de dato tiene que ser I/O. Los tipos utilizados para este
proyecto son los siguientes:
- I/O Discrete: se utiliza para los estados y las ordenes de los elementos que se utilizan para la
comunicación SCADA-PLC
- I/O Real: se utiliza para visualizar los valores de los sensores, como la temperatura, el exceso
de aire, etc.
- I/O Integer: se utiliza para visualizar la temporización de las horas de marcha de los elementos
o las palabras de los Grafcet.
- I/O Message: se utiliza para comunicar las consignas escritas en el SCADA y las reciba el PLC.
- Indirect Discrete: se utiliza en la indexación de los tags para poder utilizar una solo ventana por
tipo de elemento.
Memoria
80
A continuación se muestra el proceso de creación de un tag en la aplicación SCADA.
Figura 4.43. Creación de Tags
En el caso de que el tag sea para un estado de alarma es necesario cambiar el grupo del tagname a uno
que se haya creado específicamente para un tipo de alarmas.
Figura 4.44. Tag de Alarma
En el caso de que el tag se utilice para la visualización en un gráfico histórico es necesario que se active
la función Log Data desde el Tagname Dictionary.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.45. Configuración de un tag para representación en Gráfico Histórico
4.7.3. Diseño de las Pantallas de la Aplicación
Todas las pantallas tienen una barra arriba con el título de la pantalla, un reloj con la fecha y la hora, y
una inferior desde donde se puede acceder desde botones a otras pantallas o desplazarse con flechas
entre ellas.
Como se ha visto en el árbol de navegación la primera pantalla que se muestra en la aplicación después
de que se inicie sesión es la pantalla principal. En esta primera pantalla se puede ver el sinóptico de
todo el sistema.
Los elementos en esta pantalla muestran los datos más significativos, como las aperturas de las
válvulas, los caudales o los estados de en marcha o en alarma. En la mitad de la pantalla hay una
pequeña ventana donde se pueden visualizar las últimas alarmas que se han activado. También se
puede visualizar el Usuario que se ha conectado a la aplicación y un botón para cerrar sesión.
Desde la pantalla principal se pueden acceder a varias pantallas directamente o desplazándose entre
ellas con las flechas. Dos de ellas son la de Información del Sistema y otra la del Autor. Además se
puede acceder a las pantallas de Control, si el Usuario tiene acceso, a la de Alarmas o al Gráfico
Histórico.
También, desde esta pantalla, si se hace clic en los elementos, se abren las ventanas de comandos de
éstos. Solo se podrán acceder a estas ventanas si el Usuario tiene acceso.
Memoria
82
Figura 4.46. Pantalla Principal del Sistema
Como se ha dicho anteriormente, desde la pantalla Principal se puede acceder al Control del Sistema,
siempre y cuando el Usuario tenga acceso.
En esta pantalla se puede visualizar todo lo necesario para el control del sistema. Se visualizan los
posibles estados que puede tener el sistema. Hay una zona de comandos donde están los botones, con
ellos se controla la puesta en marcha y el paro del sistema. Otra zona es donde se introducen las
consignas de control, la temperatura de la caldera, el exceso de aire y la energía generada. Hay una
zona donde se ve un Grafcet del Sistema que va señalando la etapa en la que se encuentra el proceso.
También tenemos otra ventana donde se ven las alarmas del proceso. Luego tenemos un resumen con
información de varios datos del proceso separados por etapas de sistema. Desde cada etapa del
sistema mostrado, si se hace clic, se puede acceder a las pantallas de los sistemas donde se ven en
detalle.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.47. Pantalla de Control del Sistema
Las pantallas que muestran en detalle las etapas del sistema, tienen un pequeño sinóptico con el
proceso en cuestión y varias gráficas en tiempo real que muestran información de los sensores, los
caudales o el nivel de agua en el tanque. En estas pantallas hay unas flechas que permitirán la
navegación entre las diferentes pantallas.
Memoria
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La primera pantalla con información de las etapas del sistema, es la que muestra la alimentación del
combustible a la caldera. Los gráficos que se muestran son los % de apertura de las FCV_01 y FCV_02
y las caudales FIT_01 y FIT_02.
Figura 4.48. Pantalla Alimentación de la Caldera
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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La seguna pantalla de las etapas muestra al detalle la caldera. Los gráficos que aparecen muestran los
datos del exceso de aire (OIT_01) y la temperatura en la caldera (TIT_01).
Figura 4.49. Pantalla Caldera de Combustión
Memoria
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La tercera pantalla muestra el almacenamiento del vapor. Los gráficos muestran la presión del vapor
(PIT_01) y su temperatura (TIT_02).
Figura 4.50. Pantalla de Almacenamiento de Vapor
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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La cuarta pantalla muestra el proceso de generación de energía eléctrica. Se muestra el sinóptico de
esta etapa con la válvula que regula el vapor y la turbina. Los gráficos muestran el % de apertura de la
FCV_03, el caudal FIT_03 y la energía generada en la turbina-generador.
Figura 4.51. Pantalla de Generación de Energía
Memoria
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Por último, la pantalla de la etapa donde se almacena el agua que se utiliza para la producción de vapor.
En el sinóptico se ve el tanque con un indicador del nivel de éste y los grupos de válvula-bomba que
introducen agua a la caldera y otra que la devuelve al tanque. Los gráficos muestran los caudales de
entrada y salida del tanque de agua y también el nivel de agua.
Figura 4.52. Pantalla de Tanque de Agua
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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4.7.4. Diseño de los Comandos
Además de la pantalla de Control de Sistema, hay pantallas desde donde se pueden controlar
individualmente los elementos y visualizar sus estados. Estas pantallas se pueden abrir desde la
pantalla principal haciendo clic sobre los elementos o desde las pantallas de las etapas del sistema.
Éstas estarán disponibles siempre que el Usuario tenga acceso a ellas. En la zona de los estados, estarán
en gris si no están activos y en negro si lo están. La parte de los comandos, tienen los botones
necesarios para el control de cada elemento. En la parte inferior hay un botón para salir de la pantalla.
A continuación se muestran las pantallas de comandos de cada tipo de elemento:
El primer tipo de pantalla es la que nos permite controlar el Compresor Soplador y la Turbina. En ella
aparte de los estados y comandos, se puede ver los contadores de las horas en marcha y totales.
Además se ve puede ver los enclavamientos de los sistemas de presión de aceite y el circuito de frío.
Figura 4.53. Pantalla Comandos Compresor Soplador y Turbina
Memoria
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La siguiente pantalla, es la que identifica el control de los Motores del sistema. Estas son las que
controlan las bombas centrífugas y el ventilador de humos de la caldera.
Figura 4.54. Pantalla Comandos Bombas Centrífugas y Ventilador de Humos
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Seguimos con las pantallas de comandos de las válvulas, tanto las reguladoras y las de On/Off. En estas
pantallas los estados son un poco diferentes. Se muestran si están abiertas o cerradas y en el caso de
las válvulas reguladoras tienen un apartado donde se puede regular el % de apertura de la válvula.
Figura 4.55. Pantalla Comandos Válvulas Reguladoras
Memoria
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Figura 4.56. Pantalla Comandos Válvulas On/Off
Gracias a la indexación de los tags con solo una pantalla por tipo de elemento se pueden controlar
todos. Cada vez que se clica en un elemento del mismo tipo, en la parte superior donde se encuentra
el título, cambia el elemento y se puede control éste nuevo.
4.7.5. Scripts
En este proyecto se han utilizado algunos scripts necesarios para que la aplicación funcione de acuerdo
a los requisitos funcionales y de diseño.
La aplicación tiene varios scripts escritos en “Application Script” utilizados para los inicios de sesión y
las restricciones en función del nivel de acceso. Otro script necesario es para que el Gráfico Histórico
se pueda inicializar con la fecha y hora de activación de la aplicación y otro para que se vaya
actualizando.
Otros scripts utilizados son para regular el acceso al botón Control de la pantalla Principal para que solo
esté activo cuando el nivel de acceso sea válido. También es necesario un script para la indexación de
los elementos. Estos scripts están en las pantallas de comandos de control de los elementos que se
utilizan más de una vez en el sistema.
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Figura 4.57. Application Script en While Running
Figura 4.58. Script Botón Control
Memoria
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Figura 4.59. Script Elemento Válvula Reguladora
4.7.6. Diseño de la Interfaz de Alarmas del Sistema
El diseño de la estructura de la pantalla de Alarmas sigue al de otras de la aplicación. Se puede navegar
hacia otras pantallas desde la barra inferior y en la superior está un reloj y el título con el nombre de la
pantalla.
La pantalla cuenta con un gestor de alarmas donde se pueden visualizar las alarmas que se han activado
mientras la aplicación haya estado activa. Además hay un botón para el reconocimiento de las alarmas.
Para hacer un reset de las alarmas activas se tendrá que ir a la pantalla de comandos de ese elemento
para poder hacerlo. El botón de Reconocimiento está restringido a Usuarios habilitados.
El código de colores de las alarmas será el siguiente:
- Alarmas activas: aparecerán en rojo en la lista.
- Alarmas reconocidas: aparecerán en negro cuando se pulse el botón de reconocimiento.
- Alarmas desactivadas: cuando se haga un reset de las alarmas, éstas pasaran a un color azul.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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Figura 4.60. Script Elemento Válvula Reguladora
4.7.7. Gestión de Usuarios
Como se dijo en el apartado de requisitos de diseño, se ha creado en la aplicación SCADA una gestión
de usuarios. Hay dos usuarios habilitados con acceso a la aplicación, uno es “Administrator” con
contraseña 1234 y otro “Operator” con contraseña 5678.
El administrador tiene acceso a todas las pantallas y elementos, puede controlar todo el sistema.
Además, cuando este usuario esté conectado tendrá disponible el botón de “CONGIG. USUARIO” en la
pantalla principal, desde el cual podrá crear usuarios, modificar perfiles y cambiar contraseñas. En
cambio, el operador solo podrá visualizar el sistema, no tendrá en ningún caso control sobre él.
Al iniciar la aplicación SCADA la primera pantalla que aparece es la de inicio de sesión, nos aparece un
botón de “LOGIN” cuando hacemos clic se nos abre una ventana donde podremos introducir el usuario
y la contraseña, si la damos a aceptar y los datos introducidos son correctos en la pantalla de inicio de
sesión nos aparecerá un nuevo botón “IR A PRINCIPAL” que nos llevará a la pantalla Principal.
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Figura 4.61. Inicio se sesión paso 1
Figura 4.62. Inicio se sesión paso 2
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Figura 4.63. Inicio se sesión paso 3
Figura 4.64. Detalle de la visualización de los usuarios
Como se puede ver en la Figura 4.64 hay un botón de “LOGOUT” el cual permite cerrar sesión y volver
a la pantalla de inicio de sesión.
A continuación, se muestran los scripts relacionados con los botones de “LOGIN”, “LOGOUT” y
“CONFIG. USUARIO”.
Memoria
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Figura 4.65. Script botón Login
Figura 4.66. Script botón Logout
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Figura 4.67. Script botón Configuración Usuario
4.7.8. Gráficos históricos y tendencias
En la pantalla del Gráfico de históricos se ha representado un gráfico de históricos con una barra que
ayuda a mover a lo largo del tiempo por el gráfico.
En este gráfico se ven representadas las variables más importantes del proceso, se cuenta con las
leyendas de éstas, donde se puede visualizar el tag y el valor actual de la variable, y si se hace clic,
cambia la escala en el gráfico para poder visualizar esa variable en su escala de valores.
Memoria
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Figura 4.68. Pantalla Gráfico de Históricos
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5. Pruebas y Resultados
En este apartado se explican las pruebas realizadas al sistema para la verificación de su funcionamiento
y si responde a los requisitos.
5.1. Diseño de las pruebas de Entradas y Salidas físicas
Este proyecto al ser una simulación de un proceso no hay señales físicas como tal, pero la programación
se ha realizado lo más parecido a la realidad y se han simulado unas señales equivalentes a éstas.
Estas entradas y salidas tienen si propia rutina dentro del programa donde se transfiere el valor de esas
señales físicas simuladas a una variable con la que se trabaja dentro del PLC.
Para probar estas señales físicas se ha hecho “Toggle Bit”, es decir, se ponen a 1 lógico, para ver si se
refleja a la variable equivalente dentro del PLC y la programación reacciona a ese cambio de estado.
Una vez hecho eso, se verifica que la programación active las señales que van a ir hacia la planta.
5.2. Diseño de las pruebas de Funcionalidad
Para las pruebas de funcionalidad se ha utilizado una herramienta del propio controlador, las “Trends”,
esta herramienta es muy útil para verificar que las variables analógicas lleguen al valor deseado.
También se ha utilizado para la configuración de los PID donde hay que ir variando los parámetros y
ver el comportamiento de las variables.
Memoria
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Figura 5.1. Trend Energía Generada y SP PID Energía
5.3. Diseño de las pruebas entre Controlador y SCADA
Las pruebas entre Controlador y SCADA, se han basado en la verificación de la comunicación entre
ellos. Para eso, se ha creado un tag “COM_OK” que se ha asociado al SCADA con el mismo nombre.
En el PLC se programa que ese tag se active desde la tarjeta de entradas y en el SCADA se asocia el tag
a que se ilumine una luz.
La activación desde el PLC se realiza desde el RSLogix Emulate, donde desde la tarjeta de entradas se
activa la entrada asociada. Si la comunicación se ha configurado correctamente se encenderá la luz en
el SCADA.
A partir de ese momento, se puede trabajar desde el SCADA y hacer pruebas generales de la
funcionalidad del proceso del sistema.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
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6. Normativa
En este apartado se explica que normativa se ha utilizado para el desarrollo de este proyecto. El uso de
normativas es necesario para que el proyecto se base en unos estándares tanto en la programación de
PLC y el diseño y programación de la aplicación SCADA. De esa manera se hace fácil de interpretar por
otras personas del mismo ámbito de aplicación.
6.1. Codificación e Identificación
A la hora de la codificación y la identificación de elementos se ha seguido la norma ISA S5.5. Ésta se ha
utilizado en la diseño del PI&D (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) para la selección de símbolos
gráficos y visualización del proceso.
6.2. Implementación del Programa del PLC
El estándar seguido para el programa del PLC ha sido el IEC 61131 que se crea para buscar un estándar
en la automatización industrial. En concreto para este proyecto se ha utilizado el estándar IEC 61131-
3 que se centra en la normalización del lenguaje de programación industrial, como es el Ladder, para
definir unas reglas sintácticas y semánticas, los conjuntos básicos de la programación de elementos,
etc.
6.3. Programación del SCADA
Para el diseño de la aplicación SCADA se ha realizado conforme a la guía ergonómica de diseño de
interfaz GEDIS. Esta guía ofrece unos métodos por los cuales se obtenga un diseño agradable tanto
visual como ergonómicamente al usuario.
Esta guía hace referencia a 10 indicadores para el diseño de la interfaz: Estructura, distribución,
navegación, color, texto, estado de los dispositivos, valores del proceso, gráficos y tablas, comandos
de entrada de datos y alarmas.
Memoria
104
7. Análisis del impacto ambiental
La biomasa es la única fuente de energía que aportaría un balance de CO2 favorable, siempre y cuando
la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y sostenible, de manera que el consumo
del recurso se haga más lentamente que la capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera,
la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO2 del que se libera en su
combustión, sin incrementar la concentración de CO2.
Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para cubrir todas las
necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya que exigiría el aprovechamiento
a gran escala de los recursos forestales. Esto haría imposible mantener el consumo por debajo de la
capacidad de regeneración, lo cual reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y
conduciría a un agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales
negativos. Los efectos producidos serian tales como la deforestación y el aumento notable de
emisiones de CO2, lo que implicaría una contribución al cambio climático.
Por todo lo explicado anteriormente, es más común escuchar que la biomasa es una fuente de energía
con un balance 0 en emisiones de CO2. Porque la regeneración de los recursos forestales es capaz de
contrarrestar las emisiones de CO2 producidas por la generación de energía por la combustión de
biomasa.
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
105
Conclusiones
Una vez acabado el proyecto, se pueden extraer varias conclusiones que han ido saliendo a lo largo de
la realización de este proyecto.
Al finalizar el proyecto se puede decir que los objetivos propuestos al principio de éste, se han
cumplido. Se ha comprendido lo complejo que puede llegar a ser un proceso de automatización de un
sistema de generación de energía eléctrica.
Es la primera vez que realizo un proyecto de estas dimensiones para la automatización de un proceso,
con una cantidad elevada de elementos, con sus respectivas señales, y un proceso tan complejo. Se
puede decir que ha sido un reto la finalización de éste.
Una de las partes para mi más complicadas ha sido la parte de la simulación, es una cosa que no había
hecho nunca y he podido aprender a lo largo de este proyecto como simular diversos procesos y
comportamientos de los elementos. He de decir que me ha hecho especial ilusión ver que al final las
cosas salían y la simulación cumplía con los objetivos marcados. Otra parte importante ha sido la parte
automática, donde he aprendido una manera óptima para trasladar las secuencias de control al
lenguaje de programación.
Una parte muy importante en este proyecto ha sido la búsqueda de información. Ha supuesto un reto
encontrar información veraz sobre la generación de energía mediante la combustión de Biomasa. Es
una tecnología todavía no muy extendida y no existe demasiada información técnica sobre el proceso.
La información encontrada ha sido fundamental en entender el proceso y poder simular lo más
realistamente posible el comportamiento de la planta.
Algunas posibles mejoras que durante la realización de este proyecto se han detectado que se podrían
implementar son por ejemplo, la duplicación de los sistemas críticos como medida de seguridad en
caso de fallo. Introducir una válvula por la cual se pueda añadir agua al circuito ya que a lo largo de
varios ciclos el agua se va perdiendo. Para que el proceso sea más realista se debería añadir las
características específicas de la turbina y el acoplamiento con el generador. Otra podría ser la
transformación de la planta en una de cogeneración, para la producción de calor y energía, con lo cual
se aumentaría su rendimiento.
Por último, quería destacar que pese a las dificultades que han ido apareciendo, he aprendido mucho
durante este proyecto y espero que todos estos conocimientos adquiridos me ayuden en un futuro a
trabajar como ingeniero.
Annexos
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Análisis Económico
En este apartado se realiza el análisis económico del proyecto. Como este trabajo final de grado no
tiene ninguna parte física, la cual se pueda cuantificar el valor, sino que la parte física se ha simulado
desde un programa de software PLC. Al carecer de esta planta real y que no ha sido necesaria la compra
de ningún componente, la única cosa que se puede evaluar en este análisis económico es la realización
de este trabajo.
Desglose de los costes
Para poder saber el coste de un proyecto se necesitan saber las horas invertidas en cada parte del
trabajo. Éstas se han dividido en cinco partes:
- Análisis: se incluye la búsqueda de información y la planificación necesaria para la realización
del proyecto.
- Diseño: se incluye las definiciones del proceso a automatizar, las etapas del proceso y la de los
elementos y su codificación.
- Implementación: se incluye la creación de los tags, la programación del control y la simulación
en el PLC, el diseño y la programación de la aplicación SCADA y la comunicación PLC-SCADA.
- Pruebas de funcionamiento: se incluye las fases de pruebas de las etapas del proceso y la
prueba final para verificar su correcto funcionamiento.
- Redacción de la documentación: se incluye la redacción y los cálculos necesarios para la
realización de esta memoria.
Tabla 15. Costes del proyecto
Partes del trabajo Horas
dedicadas Precio por hora Importe
Análisis 213 h 10 €/h 2.130 €
Diseño 96 h 12 €/h 1.152 €
Implementación 250 h 12 €/h 3.000 €
Pruebas de funcionamiento 60 h 12 €/h 720 €
Redacción de la documentación 172 h 10 €/h 1.720 €
Subtotal 8.722 €
21 % IVA 1.831,62 €
TOTAL 10.553,62 €
Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía
107
8. Bibliografía
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