Sistema portable de medición para subcentrales del metro

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"Gracias a la utilización de LabVIEW se ha podido aprovechar la alta integración del hardware de adquisición de National Instruments, permitiendo obtener un sistema compacto y altamente personalizado, obteniendo la funcionalidad deseada, ajustándose a las necesidades del cliente y obteniendo un “analizador a medida” más allá que un puro registrador."

- Alberto Pila, Técnico de Mantenimiento Instalaciones Alta Tensión Ferrocarril Metropolità Barcelona

The Challenge:
Desarrollar un sistema portable, robusto y de fácil utilización para permitir el registro de datos y eventos específicos en los armarios de potencia de las subcentrales del metro, así como poder ensayar los relés de protección de tracción.

The Solution:
Montar el sistema en un maletín para permitir el transporte y el trabajo de campo, facilitando el conexionado de las señales. Utilizar LabVIEW para generar la aplicación de registro, ensayo y análisis de datos, junto con un sistema compactDAQ, que permite utilizar diferentes tipos de señales en un sistema compacto y robusto, conectado a un Panel PC industrial con pantalla tactil.

Author(s):
Jaume Martínez - Advance SOlutions INtegration and DeveLopment (www.asoindel.com)
Alberto Pila - Técnico de Mantenimiento Instalaciones Alta Tensión Ferrocarril Metropolità Barcelona

Introducción

Justificación

La definición del equipo se realiza por parte de TMB. El equipo debería ser usado en campo por operarios de mantenimiento para hacer medidas, por ello la facilidad de uso era importante en cuanto a la simplicidad de configuración como a la interfície de usuario, obteniendo una práctica herramienta a medida. A nivel de funcionalidad debería cumplir dos requisitos.

En primer lugar ser utilizado como un registrador que permitiese capturar datos en continuo o sólo ciertos eventos. TMB ya disponía de un equipo comercial que realizaba la captura de datos, pero se quería ampliar su funcionalidad en el nuevo equipo,  personalizando sus funciones. Así se pueden realizar diferentes registros como la monitorización en continuo (24h) de diversas variables simultáneamente o bien guardar sólo ciertos eventos, como por ejemplo picos de consumo. Dichos registros son programables temporalmente.

Por otro lado (y como principal novedad) se quería incorporar un sistema de ensayos de relés de protección de tracción. Estos son equipos basados en PLC o en microprocesadores, cuya función es la de analizar la corriente que se inyecta a la red de tracción por cada feeder, con el fin de detectar cortocircuitos en cuyo caso se ordenará la desconexión automática de la alimentación a catenaria (y diferenciarlos de ciertos eventos, como por ejemplo el arranque simultáneo de varios trenes). Con ello se evitarán graves defectos en las instalaciones debidas a las altísimas corrientes que se puedan alcanzar. El ensayo consiste en poder generar señales que se puedan inyectar en el relé de protección y comprobar que este actúa según los ajustes tarados en el equipo. Es decir en función del equipo se generará una serie de curvas “ad hoc”, para que estas creen la actuación del relé, así se podrá comprobar el correcto funcionamiento del mismo.

Solución propuesta

Se barajaron diferentes posibilidades a la hora de la implementación hardware del sistema: Portátil robusto, sistema de PC embebido, etc. Finalmente, la solución seleccionada fue un panel PC con pantalla táctil, que iría empotrado en una maleta. Dentro de la maleta iría el sistema de alimentación así como el sistema de acondicionamiento/adquisición compactDAQ. Gracias a los diferentes módulos empleados se podrían medir tensiones, corrientes y generar tensiones y corrientes para excitar a los relés.

De cara al operario se pondrían, justo al lado de la pantalla táctil un conjunto de conectores claramente identificados para su rápida conexión.

El sistema estaría programado en LabVIEW, ya que sus potentes librerías de adquisición, cálculo matemático para el análisis y potentes controles gráficos permitirían mostrar claramente los datos y resultados obtenidos.

En cuanto a la aplicación debería cumplir con todos los requisitos, pero además con una interfaz sencilla e intuitiva para no necesitar ninguna formación especializada.

Software

Se definieron diversos módulos de software. Al final se generaron dos aplicaciones, la primera para la monitorización, registro y realización de ensayos y la segunda para recuperar y analizar los datos off-line.

La aplicación principal de registro (figura 1) tiene una pantalla principal de visualización y a la derecha unos botones que van guiando al usuario paso a paso.

La pantalla de configuración es la más compleja, pues la flexibilidad ofrecida por el sistema hace que haya múltiples opciones. En ella se va a configurar la adquisición (número de canales, qué canales físicos utilizar, su escalado, velocidad de adquisición, etc.). También se selecciona el modo de funcionamiento (registro o ensayo de relés). El sistema informa al usuario de si hay algún error en la configuración introducida de forma interactiva.

En el modo registro se configura si éste es “manual” (el usuario inicia el registro pulsando un botón) o “programado” (mediante una fecha y hora de inicio y fin de registro). También es posible configurar el registro para que tome todos los datos o sólo determinados eventos (por ejemplo una señal supera un umbral o su crecimiento es muy rápido), pudiendo configurar un pre-trigger y un post-trigger. Cada evento detectado generará un fichero de resultados.

El modo de ensayo de relés permite generar una rampa programable para excitar el relé. Mediante la introducción de los datos de tiempo y pendiente se pueden programar diferentes curvas para simular cortocircuitos cercanos, cortocircuitos lejanos o arranque simultáneo de trenes. Variando las pendientes se puede observar la diferencia de funcionamiento del relé. Cuando se realiza un ensayo se captura simultáneamente la salida del relé para verificar su disparo. Tambien es posible generar curvas definidas en un fichero excel, que se ha generado a mano o proviene de anteriores capturas (normalmente capturas tomadas por los propios relés de protección), inyectando así señales reales producidas durante el funcionamiento normal de la instalación.

Una vez la configuración ha sido llevada a cabo el software se pone automáticamente en modo “osciloscopio” mostrando los canales programados en contínuo independientemente de si el registro se está efectuando en background o no. A parte de las herramientas típicas de adquisición y visualización de LabVIEW se ha programado una estructura que permite cambiar dinámicamente el tiempo mostrado en el eje X y pausar el contenido de la gráfica para analizar los datos de forma interactiva, con independencia de la realización automática del registro.

Finalmente un segundo programa “recuperador” permite recuperar los archivos generados. Permite abrir cualquier fichero para visualizar los datos y, si el registro contiene varios ficheros fraccionados, permite navegar por ellos. Finalmente unos botones en el lateral permiten acceder al módulo de análisis de registros, donde se hacen cálculos numéricos sobre los datos capturados y el análisis de relés (figura 2), donde se analizan las curvas, se calcula el tiempo de disparo teórico según las pendientes y se compara con el tiempo de retardo real.

Conclusión

Gracias a la utilización de LabVIEW se ha podido aprovechar la alta integración del hardware de adquisición de National Instruments, permitiendo obtener un sistema compacto y altamente personalizado, obteniendo la funcionalidad deseada, ajustándose a las necesidades del cliente y obteniendo un “analizador a medida” más allá que un puro registrador.

Gracias a las librerías de alto nivel de LabVIEW se ha podido acometer con éxito un sistema que reúne tareas de adquisición de datos, análisis de los mismos, registro con guardado a disco y visualización de datos de forma interactiva, todo ello dentro de un tiempo de desarrollo y unos costes razonables y con un gran valor añadido respecto a sistemas estándares del mercado.

Finalmente la integración de todo el  hardware de ha sido llevado a cabo por personal de TMB que ha hecho posible obtener un maletín portable y robusto, adecuado para el duro ambiente de trabajo al que está destinado (figuras 3, 4 y 5).

Author Information:
Jaume Martínez
Advance SOlutions INtegration and DeveLopment (www.asoindel.com)

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