SCADA para la Monitorización de una Aplicación Fotovoltaica en Aislada

Author(s):
Sergio Báscones Velázquez - Fundación para el desarrollo de nuevas tecnologías del hidrogeno en Aragón

Industry:
Energy/Power

Products:

The Challenge:
La monitorización de la instalación fotovoltaica en aislada, perteneciente al proyecto ITHER (Infraestructura Tecnológica de Hidrogeno y Energías Renovables). Es un proyecto relacionado con la producción de hidrogeno desde el agua, usando un electrolizador de membrana tipo PEM de pequeña potencia. Este electrolizador es alimentado por una instalación aislada fotovoltaica con el apoyo de un banco de baterías y una pila de combustible

The Solution:
Para realizar un correcto estudio de funcionamiento, comportamiento de equipos, rendimientos, se ha diseñado un sistema de control y adquisición de datos. Este sistema está basado en sensores de tensión y corriente para realizar medidas de flujos de energía y comprobar de esta forma rendimientos y comportamientos. Estos sensores proporcionan una corriente en función de la magnitud de medida que por medio de un acondicionamiento son introducidos en un conversor analógico-digital.

A continuación se expone la propuesta de sistema SCADA, así como la instrumentación asociada, para la monitorización de la instalación fotovoltaica en aislada, perteneciente al proyecto ITHER, cuya fase de diseño ha finalizado, y cuyo montaje final está previsto tenerlo listo para comienzos del febrero del 2008, momento en el que se podrá implementar la  instrumentación seleccionada y adquirida.

 

Control y sistema de adquisición

 Para realizar un correcto estudio de funcionamiento, comportamiento de equipos, rendimientos se ha diseñado un sistema de control y adquisición de datos. Este sistema está basado en sensores de tensión y corriente para realizar medidas de flujos de energía y comprobar de esta forma rendimientos y comportamientos. Estos sensores proporcionan una corriente en función de la magnitud de medida que por medio de un acondicionamiento son introducidos en un conversor analógico-digital.

 El sistema de conversión es un equipo de National Instrument, comandado por el conocido software LabVIEW, y los sensores de efecto hall son del fabricante LEM, líder en este sector. Esta configuración de equipos permite adquirir datos casi en tiempo real y nos permite visualizar y almacenar datos para luego ser analizados con diferentes programas de cálculo. El electrolizador Hogen 20 tiene un software de adquisición y un data logger interno que permite adquirir múltiples variables internas de este equipo. Estos datos pueden ser descargados o visualizados en tiempo real por medio de conexión Ethernet.

 1-     Chasis CompactDAQ

 El chasis NI CompactDAQ nos permite el modo de conexión plug-and-play de USB a sensores y medidas eléctricas al laboratorio, al campo y a la línea de producción. Al combinar la facilidad de uso y bajo costo de un lector de datos con el rendimiento y flexibilidad de la instrumentación modular, NI CompactDAQ proporciona medidas rápidas y exactas en un sistema pequeño, sencillo y económico. Con las opciones de software LabVIEW de NI, podemos usar fácilmente el NI CompactDAQ para leer datos en experimentos simples o para desarrollar un sistema de pruebas y control completamente automatizado. El diseño modular puede medir hasta 256 canales de señales eléctricas.

Además, los convertidores análogos-digitales por módulo así como los módulos individualmente aislados aseguran medidas rápidas, exactas y seguras. El chasis NI CompactDAQ está preparado para ser conectado con un PC por medio de un puerto USB de alta velocidad. Esto lo hace un equipo compacto y permite conectar hasta 8 módulos de entradas/salida de la serie C de NI. Todas estas configuraciones nos permiten configurar nuestro equipo de conversión de datos con los parámetros hardware que necesitamos.

 2-     Módulo entradas analógicas 

 

El modulo NI 9205 de National Instruments cuenta con 32 entradas analógicas de una sola terminal y 16 diferenciales, resolución de 16 bits y máxima velocidad de muestreo de 250 kS/s. Cada canal NI 9205 tiene rangos de entrada programables de ±200 mV, ±1 V, ±5 V y ±10 V. Para protegerse contra señales transitorias, el módulo NI 9205 incluye hasta 60 V de protección contra sobrevoltajes entre canales de entrada y común (COM). Además, este módulo incluye doble barrera de aislamiento de canal a tierra para seguridad, inmunidad a ruido y alto rango de voltaje en modo común. Está diseñado para protección de sobrevoltaje transitorio de 1,000 Vrms. Este módulo va a permitir al sistema adquirir datos de los sensores del bus continua y reguladores/medidores de caudal y presión.

El inconveniente que tiene este módulo y por ello es utilizado para la energía en forma de tensión continua, es porque tiene las entradas multiplexadas y puede existir un pequeño desfase entre muestras al cambiar de canal. En medidas de alterna podría falsear el tiempo de medida y errar la medida de desfase entre corriente y tensión, y por lo tanto potencia reactiva y activa.

 3-      Módulo entradas analógicas adquisición simultánea

 El módulo NI 9215 de National Instruments tiene características similares que el anterior pero incluye cuatro canales de entrada analógica muestreados simultáneamente y registro sucesivo de aproximación (SAR) de 16 bits ADCs. Este módulo contiene certificados de calibración trazable expedidos por el NIST, doble barrera de aislamiento de canal a tierra para seguridad, inmunidad a ruido y alto rango de voltaje de modo común. Este módulo va a permitir al sistema adquirir datos de los sensores de la parte de alterna.Al tener una adquisición simultánea no hay desfase entre medidas y podemos calcular el coseno de ϕ con exactitud

   4 -   Sensores de tensión y corriente

 Para la conversión de magnitudes de corriente y tensión a tensión se ha optado por la tecnología de ciclo cerrado de efecto hall del fabricante LEM. Esta tecnología proporciona señales analógicas en la salida con altas frecuencias de muestreo y buenos parámetros de linealidad y sensibilidad. En los sensores de corriente el flujo magnético creado por la corriente primaria del conductor a medir es alimentado por un flujo complementario generado por la bobina secundaria colocada alrededor del núcleo ferromagnético del sensor. Esta suma de flujos compensa los efectos externos en la medida y es convertida a tensión por medio de un sensor de efecto hall colocado en el cierre del núcleo magnético y mediante un circuito electrónico es acondicionado representando en amplitud y frecuencia a la corriente primaria.

En los sensores de tensión de efecto hall una de las bobinas es alimentada por la tensión a medir y limitada por unas resistencias. Esta bobina genera un flujo magnético que se induce e en la segunda bobina. La combinación de estos flujos genera un flujo en el núcleo magnético que es detectado por el sensor efecto hall. Este sensor tiene un circuito electrónico que compensa los efectos externos y acondiciona las tensiones que genera el sensor.

  Software de control

 Para la adquisición de datos utilizamos el software LabVIEW Full Sytem de Nacional Instrument. LabVIEW de National Instruments es la plataforma de software líder en la industria para sistemas de Control, Pruebas y Diseño. Gracias a este software ingenieros y técnicos pueden aumentar su productividad y reducir sus costos, confiando en el desarrollo gráfico de LabVIEW para desarrollar sus proyectos a lo largo de todo el ciclo de creación de un producto, obteniendo una mejor calidad y una mayor eficacia en la ingeniería y manufactura.

 En la actualidad el programa de adquisición de datos se está desarrollado y se está barajando adquirir otros software matemáticos para realizar cálculos más precisos como Mathlab o Simulink. Para la realización de cálculos sencillos y representación de gráficas utilizaremos Excel.

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Sergio Báscones Velázquez
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