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Supervisor del Polo de Energías Renovables « La Baronnerie ». Resumen de la memoria

SISTEMA SUPERVISOR DEL POLO DE ENERGIAS RENOVABLES « LA BARONNERIE »

1. Introducción. Descripción de la instalación.

El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es realizar un sistema de adquisición de datos de la instalación del Polo de Energías Renovables “La Baronnerie”. El presente proyecto se lleva a cabo con la colaboración de la asociación en defensa de las energías renovables “Alisée”, la empresa “Piscines Services Anjou” y el Instuto Técnico “La Baronnerie”.

La asociación Alisée (Asociación de La Loire de Información Sobre la Energía y el Medio

Ambiente) fue creada en 1991, a raíz de unas manifestaciones en la región de Pays de La Loire, Francia, en contra de la construcción de una central nuclear en la región. Su objetivo es contribuir localmente a los objetivos comunitarios e internacionales de reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera y la protección de los recursos naturales. Actualmente, Alisée trabaja para la agencia nacional francesa ADEME (Agencia del medio ambiente y de la energía) en el espacio de INFOENERGÍA.

Paralelamente, en el Instituto Técnico “La Baronnerie”, perteneciente a la Universidad

Católica del Oeste de Angers, Francia, a raíz de estas manifestaciones surge la idea de tener una formación específica en el dominio de las energías renovables.

Conjuntamente, Alisée y el Instituto “La Baronnerie” comienzan la construcción del que

fue el primer componente del Polo de Energías Renovables, el aerogenerador. La idea era fomentar que existen otros tipos de generación de electricidad menos peligrosos que la generación nuclear.

Félix García Torres 1


Figura 1.1. Aerogenerador del Polo de Energías Renovables “La Baronnerie”

Surge entonces la idea de crear un Polo de Energías Renovables, destinado a que cualquier persona tuviera acceso a una instalación real donde se produjese energía con fuentes renovables. Se amplia la instalación con un edificio con paneles fotovoltaicos, donde se albergará el sistema de baterias utilizado para el aerogenerador.

Figura 1.2. Edificio con los Paneles Fotovoltaicos. La empresa PSA, Piscines Services Anjou, empresa dedicada a la fabricación de piscinas,

comienza a disponer el servicio de dotar de calefacción solar a las piscinas. Mas tarde, amplia sus servicios la instalación de paneles solares térmicos para el uso sanitario.



El Instituto “La Baronnerie” propone a PSA, ampliar la instalación del Polo de Energías Renovables, con un Polo donde se generara energía térmica mediante fuentes renovables. De tal forma, que cualquier cliente de la empresa tuviese acceso a una instalación real. El Director de PSA accede a la proposición a cambio de que “La Baronnerie” se comprometa a generar una base de datos de la producción de energía térmica durante el año en la instalación.

Figura 1.3. Polo Térmico. Surge entonces la idea de dotar a toda la instalación del Polo de Energías Renovables con

un sistema supervisor de forma que por un lado los clientes de PSA pudiesen beneficiarse de datos reales de la instalación. Así, como Alisée pudiese informar a cualquier persona interesada en realizar una instalación de energías renovables con datos reales.

1.1. Polo Eléctrico.

El polo eléctrico esta compuesto por dos grupos de 12 paneles solares fotovoltaicos conectados en disposición 4 serie 3 paralelo, que son denominados como Panel 1 y Panel 2, un aerogenerador, un grupo electrógeno, un conjunto de baterías de 24 elementos de 2V y dos onduladores; con el primero, denominado Ondulador Autónomo, se abastecía el edificio y con el segundo, denominado Ondulador Red, se volcaba la energía producida a la red EDF.

Sobre cada componente de la instalación se instalan distintos aparatos de medida para el

conocimiento de todas las variables de la instalación. Los paneles solares fotovoltaicos tienen dispuestos dos sensores de intensidad con los

cuales conocíamos la intensidad producida en cada grupo. De la misma forma, se coloca un luxométro de manera que se podía conocer la intensidad lumínica del ambiente.

La intensidad del aerogenerador se mide con otro sensor de intensidad. Además, se hacen

las medidas de la velocidad del viento mediante un anemómetro; de las velocidades de la hélice y de la generatriz mediante dos sensores inductivos. El aerogenerador consta de un sistema de control para el posicionamiento de las palas y de orientación de la góndola respecto al viento. El posicionamiento de las palas se hace mediante un gato inductivo que emite impulsos en su desplazamiento. La posición de la góndola se hace mediante dos sensores inductivos.



Del grupo electrógeno se hace la medida de la intensidad también mediante otro sensor de

intensidad.

Figura 1.4. Esquema unifilar del Polo Eléctrico

Del ondulador autónomo se hace la medida de la potencia de salida mediante un

vatímetro y de su intensidad con un sensor de intensidad. Del ondulador red se hace tan sólo la medida de la potencia de salida.

1.2. Polo Térmico. El Polo Térmico está formado de un grupo de dos paneles solares térmicos planos, con

los que se realiza el calentamiento de agua caliente sanitaria; y por un grupo de 4 paneles térmicos de tubos, con los que se procede a la calefacción del agua de la piscina. Por último, se dispone también un grupo electrógeno con el que se trasformaba la energía térmica sobrante en energía eléctrica la cual era volcada en las baterías del Polo Eléctrico.

Luego esta instalación cuenta con 3 grupos bien diferenciados con dos circuitos cada uno

los cuales se comentan a continuación:



AGUA CALIENTE SANITARIA. - Circuito 0: Es la corriente de agua usada que va directamente al uso sanitario. Este

circuito se denomina como agua caliente sanitaria secundario. - Circuito 1: Se trata de la corriente de agua que atraviesa los paneles solares planos,

con el consecuente intercambio de energía. El cual se denomina como agua caliente sanitaria primaria.

ECHANGEURTHERMIQUE

ECHANGEURTHERMIQUE

T10 Th0

D1

T0

Capteur solaire2,6 kW

T00 EAU FROIDE

EAU CHAUDE

P1

EAU FROIDE

T01

2 2'

3 3'

T20 T21

D2

T11

Ti,j:Capteur de température

Di:Capteur de débit Pi:Pompe de circulation

T1

T0

Thi: thermostat

EAU CHAUDE

Régulateur 1

Liaison hydraulique Liaison électrique

D3 D0

i: N°circuit J:* 0 froid * 1 chaud

Figura 1.5. Agua Caliente Sanitaria

GRUPO ELECTRÓGENO.

- Circuito 2: Mediante un intercambiador de calor, la energía trasmitida al agua en 1 por los paneles térmicos planos es trasmitida al circuito 0 y a este circuito para que la energía térmica no utilizada para uso sanitario pueda ser recuperada en forma de energía eléctrica mediante cogeneración. La nomenclatura dada a este circuito es de grupo primario.

- Circuito 5: La energía recuperada por el circuito 2 es trasmitida mediante otro intercambiador a esta corriente de agua que es la que alimenta el grupo electrógeno para el ya comentado aprovechamiento energético. Este circuito se nombra como grupo secundario.



VC 1 kW

BATTECHARGE Echangeur direct casse i 1

2

2'

3'

3 6

6'

P11

P7

P2 Th7

Th10

Th2 P5

GE

Th8 P8

8

8' D5

T50

T51

GROUPE ELECTROGENE

Ti,j:Capteur de température

Di:Capteur de débitPi:Pompe de i l ti

Thi: thermostat

Liaison hy drauliqueLiaison él t ii: N° i itJ:* 0 f roid * 1 h d

Figura 1.7. Cogeneración en el Polo Térmico PISCINA

- Circuito 4: Se trata de la corriente que sale de los paneles térmicos de tubos. Este circuito se denomina como piscina primario.

- Circuito 9: Se trata de la corriente que sale del intercambiador y va directamente hacia la piscina para realizar la calefacción de la misma. Se denomina piscina secundario.



Capteur l i

ECHANGEUR THERMIQUE

D4

T40

PISCIN Filtre

D9

T90

T41 T91

6

6'

P4

P6

Th6 P10

Ti,j:Capteur de t é tDi:Capteur de débitPi:Pompe de

Thi: th t t

Liaison h d liLiaison électrique

Echangeur direct casse i 2

8'

8

T4

T9

Régulateur 2

P9

PISCINE

i: N°circuit j: 0 f id 1 h d

Réchauffe

Doseur chlor

T9a

Afficheu

Figura 1.7. Calefacción Solar de la Piscina.

Cada uno de los circuitos comentados tiene una corriente de entrada y otra de salida se disponen sondas de temperatura PT100 sobre ambas para tener la medida de las temperaturas de dichas corrientes. Además se dispone un caudalímetro en la corriente de entrada para realizar la medida del caudal.

1.3. Sistema de adquisición de datos. Dentro de cada polo se instala un autómata programable industrial con la misión de hacer

toda la adquisición de datos. En el Polo Eléctrico, se instala un autómata TSX MICRO y en el Polo Térmico se tiene un autómata TSX PREMIUM ambos de la marca Modicon Télémecanique del grupo Schneider.



Los aparatos de medida tienen salidas las cuales dan un nivel de tensión según la medida realizada. Cada una de estas salidas de tensión son conectadas sobre una entrada determinada de los autómatas de manera que estos tienen la capacidad de leer dichas medidas.

Ambos autómatas se conectan entre sí mediante protocolo Unitelway de forma que el

autómata MICRO funciona como esclavo y el PREMIUM funciona como maestro. El autómata maestro es conectado mediante una red Modbus con un ordenador, situado a 100m de distancia donde se realiza la supervisión del Polo. Ver figura 1.4.

Figura 1.4. Esquema del Sistema Supervisor. 1.4. Estado del arte. Líneas principales del proyecto

Se parte de la instalación como se ha comentado hasta el punto anterior. Se tienen todas

las herramientas hardware y se trata de poner a punto el sistema software del Supervisor. Para ello se utilizan las siguientes herramientas.

1.4.1. Programación de los autómatas programables con PL7 Pro.

Ambos autómatas programables fueron programados con el lenguaje PL7 Pro. Este lenguaje tiene la peculiaridad de ser un lenguaje de contactos. Las salidas de los distintos aparatos de medida se disponen, de tal forma, que si se trata de medidas digitales, provoquen un pulso de 24 V tensión sobre una entrada digital del autómata programable; o bien, si se trata de una medida analógica, dieran un nivel de tensión entre 0 V y 10 V sobre la correspondiente entrada del autómata.

La programación de los autómatas consiste en el estudio de las distintas cadenas de cada

aparato de medida, de manera que, el valor de tensión correspondiente a la entrada es



almacenado en una variable de memoria del autómata en formato de unidades del sistema internacional de medidas.

De la misma manera, se realiza el programa para la comunicación del autómata maestro

con el esclavo así como el del autómata maestro con el ordenador de supervisión. 1.4.2. Programación con LabVIEW.

Se trata de crear un programa sobre el ordenador de supervisión, de manera que, se

puedan visualizar todos los datos en un entorno gráfico. De la misma forma, este programa debe de ser capaz de crear un fichero de histórico de datos de toda la instalación.

Se elige LabVIEW por ser el lenguaje de programación mas acertado para realizar

proyectos de supervisión y creaciones de entornos gráficos. 1.4.3. Configuración de OPC Factory Server. LabVIEW no dispone de herramientas tales que, nos permitan leer directamente de los

autómatas programables. Es por eso, que se usa el servidor OPC (OLE for Process Control) que se encarga de manejar el hardware del sistema de adquisición de datos y control. Este servidor permite gestionar a nivel alto autómatas trabajando con distintos protocolos a nivel industrial como MODBUS.

Luego con OPC se realiza la lectura de las variables del autómata y se trasmiten a

LabVIEW. Se utiliza, por tanto, a modo de interfaz.

2. Sistema de medidas. Programación PL7.

En este punto, se describe todo lo realizado en relación con la configuración y

programación de los autómatas en lo que se refiere a adquisición de las medidas y comunicación.

2.1. Módulos utilizados en los autómatas.

A nivel hardware, para la correcta adquisición de los datos, comunicación entre los

autómatas y comunicación se habían utilizan diferentes módulos los cuales se definen a nivel software para la realización del programa PL7.

2.1.1. Módulos del autómata MICRO. Polo Eléctrico.

En el autómata del polo eléctrico se utilizan los siguientes módulos:

a) TSX 3722 V3.0: Se trata del modulo de emplazamiento de base del autómata cuenta con 3 emplazamientos, 8 entradas analógicas, 1 salida analógica y 2 vías de 10KHz.

b) DMZ 64DTK: Modulo de 64 entradas y salidas digitales. c) AEZ 801: Modulo de 8 entradas analógicas con una tensión de entrada de ±10V.



2.1.2. Módulos del autómata PREMIUM. Polo Térmico. El autómata del polo térmico esta equipado con los siguientes módulos:

a) TSX 57103: Se trata de un módulo con 4 emplazamientos de base, 24 E/S analógicas, 512 E/S digitales y 2 vías de 10 KHz.

b) DEY 08D2: Módulo de 8 entradas analógicas de 24 V. c) DSY 08R5: Módulo de 8 paradas de 50 VA. d) AEY 414: Módulo de 4 entradas analógicas multigama. Estas son configuradas en

modo PT100 para la lectura directa de las temperaturas. e) SCY 21601: Módulo utilizado para la comunicación con el PC.

2.2. Aparatos de medida del Polo Eléctrico. Programación para la adquisición de medidas.

A continuación, se describen los diversos aparatos de medida utilizados así como sus

principales características técnicas. a) Intensidad de los paneles solares.

El aparato de medida es un sensor de intensidad LEM HAL 50-S, el cual da una tensión

de salida de 4 V para una entrada de 50 A y una tensión de 10 V para una entrada de 125 A.

b) Tensión de las baterías.

La medida se realiza por medio de un puente de resistencias con una entrada de tensión máxima para 58 V; luego se transforma esta tensión a un máximo de 10 V para la entrada de tensión máxima a la entrada del autómata.

c) Intensidad del aerogenerador.

La medida se realiza mediante un sensor de intensidad LEM HA200-SRU. Da una tensión

de salida de ±10 V para una intensidad de medida de ±200 A.

d) Intensidad del grupo electrógeno.

Se utiliza un sensor de corriente LEM HAL100-S. Su rango de tensión de salida es de

±4 V para un rango de intensidad a la entrada de ±100 A. e) Intensidad del ondulador autónomo.

El sensor utilizado es similar al utilizado en el aerogenerador. f) Medida de potencia del ondulador autónomo

La medida de potencia se realiza con un vatímetro CSA-PSA el cual nos da una intensidad

de 4mA para una medida de potencia de 0W y de 20mA para una medida de potencia de



1150W. A la salida del mismo se dispone una resistencia de 500Ω para obtener niveles de tensión adecuados para la lectura de la medida con el autómata.

g) Medida de potencia del ondulador red

Similar al anterior. h) Calculo del resto de potencias El resto de potencias se calcula multiplicando la tensión de las baterías por la

correspondiente intensidad. i) Calculo de las energías. Se realiza discretizando la integral de la potencia en intervalos de un segundo. j) Velocidad del viento Se realiza mediante un anemómetro SOMFY, el cual nos genera cuatro impulsiones por

vuelta del aerogenerador.

k) Velocidad de la hélice y de la generatriz Los aparatos de medida instalados para esta aplicación son dos sensores inductivos de tres

hilos y un disco dentado de 6 dientes.

l) Posición de la góndola. Se realiza por medio de dos sensores inductivos separados 90º y un semidisco metálico.

Este sistema nos permite contar el numero de cuartos de vuelta de la góndola. m) Posición de las palas El gato electromagnético que gestiona la posición de las palas tiene un codificador

incremental que emite 8 impulsiones cada 4mm con una carrera total de 100mm.

2.3 Aparatos de medida del Polo Térmico. Programación para la

adquisición de medidas.

A continuación, al igual que, se ha hecho para el Polo Eléctrico se describen los aparatos de medida del Polo Térmico.

a) Adquisición de temperaturas

La adquisición de temperaturas se hace mediante sondas PT100. Las salidas de estas sondas son directamente conectadas al módulo AEY 414; con el principal problema de tener un total de 13 temperaturas y tener solamente 4 entradas analógicas.



Este problema se soluciona con un sistema de 3 buses. El primer bus está siempre

conectado a la medida de la temperatura exterior. El segundo de los buses es el que hace la recepción de las temperaturas de entrada. El tercero de los buses es para las temperaturas de salida. La gestión de las temperaturas que trasmitirán la información por el bus se hace mediante un sistema de relés. Cada temperatura esta asociada a un relé distinto y como tenemos 6 circuitos distintos, se realiza un programa cíclico en el que cada minuto se activa un par de relés correspondiente a un mismo circuito. La evolución de las temperaturas es lenta luego no existe perdida de generalidad por este sistema de medidas.

El modulo AEY 414 es directamente configurado en forma PT100 luego la adquisición de

temperaturas es directa sin necesidad de programación y con una precisión de décima de grado.

b) Adquisición de los caudales. Los cálculos del caudal se llevan a cabo mediante emisores de impulsos tipo ILS,

talonados para generar una impulsión cada 0.25L en todos los circuitos salvo en el circuito 9 que se calibra para 250L. Se realiza el calculo del tiempo entre impulsos y se obtiene el correspondiente caudal.

c) Cálculo de las energías La energía instantánea generada se hace según la ecuación siguiente.

)(º*º/18.4*/25.0 CTCgJimpLE ∆=

d) Cálculo de las potencias

Tan solo se trata de dividir la energía instantánea generada por el tiempo entre impulsos.

3. Comunicación entre los distintos dispositivos. En este punto de la memoria se comenta como se realiza la comunicación entre los dos

autómatas programables y entre el autómata programable maestro y el PC por medio del interface OPC server.

3.1. Comunicación entre los autómatas.

La comunicación entre los autómatas se realiza por los módulos TSX 3722 del autómata

MICRO y el modulo TSX 57103 del autómata PREMIUM. Se instala una carta PCMCIA TSX SCP 114 en cada modulo.

Se configura cada el autómata PREMIUM como maestro y el autómata MICRO como

esclavo. Se establece el protocolo de comunicación como Unitelway con las siguientes características de transmisión de la información.



- Velocidad de transmisión 19200 bits/s - Espera de la información 30ms - 1 bit de stop - Paridad impar. 3.2. Comunicación entre el autómata maestro y el PC. Servidor OPC.

Dentro del mundo de la automatización industrial y de las aplicaciones de test y medida

existen cada vez más estándares y protocolos de comunicación diferentes que complican el diseño e implementación de estos sistemas. El servidor OPC se encarga de comunicarse con el elemento hardware, utilizando el protocolo específico que utilice con objeto de configurarlo y actuar sobre las distintas E/S del dispositivo, y exportar los datos para que otras aplicaciones o clientes que pueden ser locales o remotos puedan actuar o leer sobre las variables que gestiona el servidor. El servidor OPC es un modulo software que se basa en la tecnología OLE (Object Linking and Embedding) de Microsoft. Esto permite desarrollar herramientas de software que se encargan de acceder y gestionar el bajo nivel o el interfaz físico con el autómata o instrumento que se este usando, exportando funciones que sean utilizadas por otras herramientas software como por ejemplo LabVIEW, Visual Basic, C++. La comunicación con el autómata se hace por medio del módulo SCY 21601. El cual es configurado con los mismos parámetros de comunicación que el interface OPC. Dichos parámetros son :

- Protocolo de comunicación Modbus. - Velocidad de transmisión 9600 bits/s - Retardo entre caracteres 25 ms - Tipo de datos : RTU 8 bits - 1 bit de stop - Sin paridad.

4. Programa LabVIEW. LabVIEW es un lenguaje de programación gráfica que utiliza iconos en lugar de líneas de

texto para crear las aplicaciones. A la inversa de los lenguajes de programación textuales en los que las instrucciones determinan la ejecución del programa; LabVIEW utiliza flujo de datos, este flujo de datos es el que determina la ejecución.

LabVIEW es un lenguaje completamente gráfico, y el resultado es que es totalmente

parecido a un instrumento, por ello, a todos los módulos creados con LabVIEW se les llama VI (Instrumento Virtual).

Se podría decir que en cualquier aplicación LabVIEW existen dos caras bien

diferenciadas: El Panel Frontal y el Diagrama de Bloques. El Panel Frontal es la cara que el usuario esta viendo cuando se está monitorizando o

controlando el sistema, o sea, se trata de la interfaz del usuario.



El Diagrama de Bloques del VI sería la cara oculta del Panel Frontal, una cara que el usuario del sistema no puede ver. En ella están todos los controles e indicadores interconectados, pareciéndose mucho a un diagrama de esquema eléctrico. Esta cara es mucho menos conceptual que el panel frontal por lo que para el usuario sería difícil de comprender.

Todos los módulos están interconectados, mediante líneas por donde circulan los

diferentes datos o valores del VI, de esta manera se logra que el VI funcione como un conjunto de elementos, módulos y submódulos.

El resultado es un programa de 32 Mb de memoria. Las aplicaciones generadas en este

programa son la adquisición de los datos suministrados por la interfaz OPC provenientes del autómata maestro, la visualización del valor de estos datos en tiempo real, el diseño de los gráficos de evolución de estas variables, el desarrollo de tablas de históricos y la creación de ficheros diarios donde se guardan dichas tablas de históricos.

Figura 4.1. Pagina de Acogida del Programa Supervisor.

Se diseñan 3 páginas principales, la primera denominada página de acogida, ver figura 4.1, y después una página donde se tiene toda la información referente al Polo Eléctrico y otra donde se tiene la información referente al Polo Térmico.

La pagina de acogida está formada por 6 fotos donde podemos visualizar la instalación. Y de tres botones donde se puede elegir, la opción de visualizar los datos del Polo Eléctrico, o bien, los del Polo Térmico, o bien podemos abandonar el programa.

La pagina del Polo Eléctrico tiene apariencia de un televisor con ocho canales. En esta

página se puede elegir hacer una visualización general del Polo, o bien, una visualización específica de cada uno de los componentes de la instalación.



Figura 4.2. Pagina del Polo Electrico La página del Polo Térmico es similar a la del Polo Eléctrico. Se trata también de un

televisor con 7 canales donde se puede hacer, o bien, una visualización general, o bien una visualización específica de cada uno de los circuitos que componen el Polo Térmico y que han sido anteriormente descritos.

Figura 4.3. Pagina del Polo Térmico.



5. Conclusiones.

Con el desarrollo del presente Proyecto Fin de Carrera se alcanzan los objetivos de realizar un entorno gráfico de manera que se puedan visualizar las medidas en tiempo real de toda la instalación así como la de disponer de una base de datos de las medidas realizadas en la instalación. Dichas medidas están actualmente siendo utilizadas tanto por la empresa PSA como por la asociación Alisée.

Se hace especialmente una valoración de la herramienta LabVIEW para el desarrollo

de sistemas de supervisión. Las herramientas de que dispone este software han hecho posible el ahorro en horas de trabajo frente al tiempo que se hubiese empleado con herramientas software tradicionales tales como C++, o Visual Basic.

Entre las posibles mejoras al sistema supervisor, así como las líneas futuras a seguir

se encuentran:

- El desarrollo de funciones de alarma de tal forma que se puedan visualizar en el mismo entorno los eventuales defectos de la instalación, como por ejemplo, la parada del aerogenerador frente a un viento excesivo, o momentos en los que la tensión de las baterías sea excesivamente baja.

- Además, se debe ampliar el programa LabVIEW de forma que en la pagina de acogida exista la opción de cargar los datos de producción de cualquier día que elija el usuario, desarrollándose todas las gráficas e histogramas, así como tablas de datos.


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