Acortando la distancia: integración eficaz de sensores en el software Asset Health para el mercado de servicios públicos de electricidad

Las compañías de servicios eléctricos reconocen el valor de los sensores y los datos que proporcionan para un servicio confiable y rentable. Los beneficios de los sensores de monitoreo de estado están bien establecidos en términos de ayudar a proporcionar los datos necesarios para el mantenimiento proactivo pero muchos servicios públicos no tienen tales sistemas instalados en el 100 % de sus equipos.

Las compañías de electricidad pueden resolver los problemas de incompatibilidad del sistema de sensores y la falta de programadores de IIoT calificados con una solución de supervisión de condiciones que facilita la integración de diferentes sensores sin necesidad de programación. Puede conectarse a cualquier sistema deseado, como OSI PI Historian y OPC UA, para registrar y analizar datos de series temporales de una variedad de sensores. Vincular estos sensores con recursos innovadores de software y hardware ofrece una forma fácil y eficaz de agregar datos de condiciones a activos importantes para mejorar la conciencia situacional y potenciar el apoyo en la toma de decisiones para mantener las operaciones en funcionamiento, reducir los costos de mantenimiento y mejorar la productividad, la confiabilidad y la seguridad.

NECESIDADES Y DESAFÍOS QUE ENFRENTA LAS COMPAÑÍAS DE ELECTRICIDAD

Las compañías de electricidad tienen varias obligaciones comerciales que deben seguir:

• Mejorar la seguridad, la protección y la confiabilidad
• Integrar nuevas fuentes de energía y modelos de consumo
• Modernizar la red de servicios públicos

También se enfrentan a una larga lista de desafíos:

• Integrar equipos heredados
• Inspectores calificados que se jubilan
• Acceder a activos y datos de producción
• Riesgos de seguridad
• Infraestructura envejecida
• Gestionar y proteger costosas aplicaciones y redes propias de silos
• Experiencia en la gestión de datos, redes y seguridad

Una de las formas en que las compañías de electricidad pueden abordar estos problemas es mediante el uso de una puerta de enlace perimetral de IIoT diseñada especialmente para ambientes industriales.

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INSPECCIONES PERIÓDICAS EN EL SITIO

Dada la era de la infraestructura existente, no es de extrañarse que un gran número de compañías de electricidad tengan pocos o ningún sensor incorporado. Las inspecciones se realizan de manera periódica, normalmente por equipos internos que llevan sensores portátiles, para el mantenimiento rutinario predictivo. El plazo para dichas inspecciones en el sitio varía pero solo es una o dos veces al año.

La seguridad es importante para aquellos técnicos que realizan inspecciones con dispositivos portátiles. Hay pocos técnicos calificados para dichas inspecciones y puede ser peligroso entrar en estaciones de transmisión de alto voltaje.

Los equipos de inspección suelen utilizar cámaras termográficas de mano para inspeccionar sistemas. Registran los datos durante la inspección y luego los cargan más tarde para su transmisión. Una vez que se hayan recibido y examinado los datos, el equipo generará un reporte de inspección que puede tardar hasta una semana dependiendo del número de sistemas que se examinaron.

Las siguientes imágenes son ejemplos de problemas descubiertos durante las inspecciones en el sitio con cámaras termográficas de mano:

Fusible fundido (segundo de la izquierda) (Ref: Inframation Conference Archives - Centro de capacitación en Infrarrojos [ITC])

Ventilador del transformador defectuoso (AR2) (Ref: Inframation Conference Archives - Centro de capacitación en Infrarrojos [ITC])

Válvula de solapa de radiador cerrado (Ref.: FLIR)

La detección temprana de fallas durante las inspecciones periódicas rutinarias ahorrará tiempo y reducirá los costos de mantenimiento y reparación, especialmente si evitan tiempos de inactividad inesperados. Encontrar y reparar estos problemas mejora la confiabilidad del servicio eléctrico.

En el siguiente ejemplo se ilustran los beneficios de los costos de identificar y corregir fallas antes de que se conviertan en averías. La imagen a la derecha muestra un transformador de voltaje defectuoso dentro de un disyuntor. Si se hubiera utilizado una cámara termográfica para inspeccionar el transformador antes de una avería, el costo de reparación se habría limitado a remplazar el transformador con un día de inactividad. Sin embargo, la avería real dio como resultado en el costo de reemplazar el transformador y el disyuntor, así como costos adicionales de mano de obra y construcción en el sitio, con una interrupción de ocho días. Este caso ilustra que pueden ocurrir averías y ocurrirán entre pruebas programadas.

Disyuntor con paneles apagados

Falla del transformador de voltaje dentro del disyuntor

Dependiendo de los resultados y los reportes de las inspecciones en el sitio, la gravedad de los problemas o eventos identificados puede clasificarse de la siguiente manera:

• Crítico: requiere atención inmediata con la opción de poner el equipo fuera de servicio
• Grave: hacer evaluación lo antes posible y aumentar la frecuencia de inspección
• Intermedio: continuar con la frecuencia existente de inspecciones

La revisión periódica en el sitio con sensores portátiles permite que los problemas se desarrollen y empeoren entre inspecciones. Obviamente, cuanto antes se detecte y reporte un problema, más rápido comenzará el trabajo de reparación para evitar interrupciones no programadas. Aumentar la frecuencia de las inspecciones periódicas reducirá la oportunidad de que se produzca una avería pero sigue existiendo la posibilidad de averías catastróficas.

MONITOREO DE CONDICIONES

La forma más eficaz de acortar el tiempo entre el inicio de un problema y descubrirlo es instalar sensores fijos que funcionen continuamente. La instalación de cámaras de monitoreo de condiciones térmicas que funcionan continuamente genera datos sobre la temperatura, por ejemplo, graban de manera continua en vez de tener imágenes periódicas con el tiempo. El examen y la revisión de los datos reportados permitirían al operador de servicios públicos conocer los problemas y posibles averías antes de que los revele la siguiente inspección en el sitio.

El monitoreo de condiciones proporciona varias ventajas sobre las inspecciones periódicas en el sitio:

• Permite al operador de servicios públicos encontrar problemas antes y responder más rápidamente
• Mejora la conciencia situacional y permite a las compañías de servicios públicos ser proactivas en las reparaciones, dando mantenimiento el equipo antes de que una situación se vuelva catastrófica
• Permite el mantenimiento predictivo que preserva la productividad y la integridad de la programación
• Da como resultado menos tiempo de inactividad y menos cortes de energía
• Ahorra dinero. Cuesta mucho menos solucionar la mayoría de los problemas antes de que se produzca una avería (se estima que, para los servicios públicos, los costos de reparación son solo de 1 a 2 % del costo total de la avería)

Los sensores de cámara térmica de monitoreo de condiciones ofrecen varias ventajas:

• Método de medición eficiente y seguro
• Medición de temperatura de toda el área, sin contacto, multicomponente, precisa y altamente segura
• Datos e imágenes transmitidos en tiempo real, no en horas o días

Sin embargo, equipar una infraestructura envejecida con estos sensores es solo una parte del problema al que se enfrenta la industria de servicios eléctricos. El acceso y la integración de los datos suponen un gran desafío. Los sensores deben interactuar con el software de una red de computadoras para extraer y analizar los datos recopilados.

La conexión de los sensores a sistemas como OSI PI Historian u OPC UA permite que los servicios públicos tenga acceso a los datos de series temporales que se registraron. Es posible que los servicios públicos no tengan suficientes empleados con este conjunto de habilidades en particular y, por lo tanto, necesiten contratar consultores técnicos.

La instalación de sensores inteligentes que interpretan y analizan los datos, proporciona a las compañías de electricidad datos de supervisión de estado más avanzados. Los sensores inteligentes permiten al usuario supervisar siempre el estado de los dispositivos eléctricos, motores o subestaciones. No es necesario esperar a que se interpreten los datos. Los sensores pueden activar una alarma, hacer sonar una campana o un sonido, o iniciar un proceso de apagado. Dicho monitoreo de condiciones puede capturar, procesar y analizar datos y luego actuar en consecuencia.

Con una fuerza laboral envejecida y en proceso de jubilación, las compañías de servicios públicos necesitan sistemas como este para proporcionar una mejor perspectiva en lugar de simplemente recopilar datos, así como para implementar aún más la automatización en la recopilación y el procesamiento de datos para ser más rentables.

Actualmente, los sensores inteligentes constituyen una pequeña parte del número total de sensores utilizados en la industria de servicios eléctricos. Con relación a la termografía, casi todas las cámaras son dispositivos portátiles utilizados para inspecciones en el sitio. A pesar de las ventajas del monitoreo de condiciones continuo, las inspecciones periódicas en el sitio siguen siendo la forma más común de mantenimiento preventivo. Son relativamente baratos y son el método de inspección más rentable para activos eléctricos por debajo de 2.5 kV (Ref: Mission Critical Magazine, 4-16-2021). Sin embargo, dada la infraestructura obsoleta de las compañías de electricidad y el costo de las interrupciones no programadas en términos de insatisfacción del cliente y sanciones financieras, esto puede cambiar. El uso de sensores de monitoreo de condiciones en algunos de los equipos más críticos puede ser más coherente desde el punto de vista financiero.

En la siguiente figura se ilustra el impacto de utilizar el monitoreo de las condiciones en lugar de inspecciones en el sitio (o mantenimiento preventivo basado en el tiempo) o el funcionamiento hasta la avería (o mantenimiento reactivo). Con el mantenimiento preventivo, el objetivo es minimizar las averías manteniendo el equipo en buenas condiciones. La prevención de averías reduce los costos pero puede ser difícil determinar el intervalo adecuado para las inspecciones. Con el mantenimiento reactivo, el costo de reparación o sustitución del equipo puede ser bastante alto, incluyendo el posible tiempo de interrupción pero existe el factor de la frecuencia de inspección. El monitoreo de condiciones genera datos continuamente, lo que permite al operador observar tendencias y conocer inmediatamente los problemas con el equipo. Reduce los costos y aumenta el tiempo de actividad del equipo (Ref: AIChE, CEP, agosto de 2017).

Impacto del monitoreo de condiciones en los costos de mantenimiento y reparación

USO DE SENSORES EN COMPAÑÍAS DE ELECTRICIDAD

Las cámaras termográficas pueden detectar diferencias muy pequeñas de temperatura mediante la recopilación de radiación infrarroja. Después, crean una imagen electrónica con diferentes colores para mostrar estas diferencias de temperatura. Ya se han comentado algunos ejemplos de termografía. Además, estos sensores se pueden utilizar para buscar conexiones eléctricas sueltas o corroídas, fugas de voltaje, etc. A medida que se acumula la resistencia, el calor se acumula y el desgaste acelerado en el punto de conexión puede causar daños al equipo. Los sensores IR pueden revelar un aislamiento deficiente dentro de las estructuras, lo que provoca un despilfarro de calor en climas fríos y costos adicionales de CA en climas calurosos.

Los sensores de análisis de gas disuelto (dissolved gas analysis, DGA) se utilizan para supervisar el estado de funcionamiento de los transformadores eléctricos examinando los contaminantes del petróleo a través de la cromatografía de gases. Los materiales aislantes liberan gases conforme se descomponen con el tiempo, por lo que la composición y la distribución indican el nivel y la gravedad de la situación. DGA debe formar parte de un programa de mantenimiento preventivo para determinar fallas pendientes y evitar averías en transformadores de potencia.

Los sensores de vibración, también llamados sensores piezoeléctricos o acelerómetros, miden la cantidad y frecuencia de vibración en un sistema determinado. Buscan cambios que indiquen condiciones que podrían provocar averías en la maquinaria (como cojinetes o cajas de engranes que están empiezan a fallar).

Los sensores de corriente (también conocidos como transformadores de corriente o CT) se utilizan para revisar el flujo de corriente eléctrica en un cable o sistema, para reconocer si la corriente es demasiado alta o demasiado baja y para activar sistemas de control o alarmas según sea necesario.

Los sensores de voltaje se utilizan para monitorear o medir el suministro de voltaje y calcular el consumo de energía en los circuitos. Pueden detectar cargas y fallas, controlar la demanda de energía y detectar fallas de energía.

Los sensores de falla a tierra detectan fallas a tierra de baja magnitud (fracturas en la ruta de conexión a tierra de baja resistencia desde un sistema eléctrico, por lo que la corriente puede tomar una ruta alterna, como a través de un operador humano). Protegen a las personas de lesiones graves o la muerte, o protegen al equipo de daños activando una alarma, o apagando el equipo y abriendo la desconexión del circuito.

Los sensores de clima, como los sensores de velocidad relativa del aire (anemómetros) y los sensores de humedad (higrómetros), también desempeñan un papel importante.

Las cámaras de video pueden proporcionar información crítica que se carga en las redes de computación. Al apuntar una cámara de video en un activo en particular, los indicadores se pueden leer de forma remota y se pueden ver los interruptores para confirmar que están en la posición abierta o cerrada correctas. La seguridad de los empleados mejora al reducir la necesidad de acceso físico a instalaciones remotas mientras aún se cuentan con datos críticos. La detección de movimiento puede registrar daños en los sistemas debido a factores ambientales. Examinar visualmente un problema antes de llegar a un sitio remoto permite poner en marcha una solución más preparada (Ref: Inframation Conference Archives - Centro de capacitación en Infrarrojos (ITC)).

Por ejemplo, considere el impacto que el clima puede tener en las redes eléctricas. Al utilizar el monitoreo de condiciones de la red, los sensores pueden proporcionar a la empresa de servicios públicos información suficiente para solucionar problemas de manera proactiva antes de que ocurran. De esta manera, es menos probable que el clima cause problemas e interrupciones ya que la red está sana. Aunque las tormentas grandes y potentes, como los huracanes, pueden acabar con la infraestructura independientemente de lo fuerte que sea la red, el monitoreo de condiciones puede permitir a la empresa de servicios públicos priorizar los recursos durante el proceso de reparación. Se pueden obtener a distancia los daños a las superestructuras de las centrales eléctricas debido a tormentas, viento y residuos para proteger a los inspectores de posibles daños.

Por último, los sensores se pueden utilizar para proteger la infraestructura eléctrica del vandalismo. Se pueden utilizar cámaras térmicas para seguridad, cámaras de seguridad visual, sensores de estremecimiento de vallas, radares y otros sensores de seguridad para advertir sobre el acceso no autorizado al sitio.

Considere el siguiente ejemplo, parte del programa Smart Grid Investment Grant (SGIG) lanzado por el Departamento de Energía de EE. UU. en 2009 (Ref: DOE, Distribution Automation: Results from the SGIG Program, septiembre de 2016). Para tres de las compañías de servicios públicos que participan en el programa de subvenciones que instalaron redes inteligentes, se muestra a continuación la mejora porcentual en el Índice de frecuencia de interrupción promedio del sistema (SAIFI) con relación a las líneas de base previas a la implementación. El uso de sensores inteligentes redujo la frecuencia de interrupción en el servicio eléctrico.

Porcentaje de mejora en la reducción de interrupciones del servicio atribuidas a sensores inteligentes

Una segunda ilustración del mismo programa SGIG muestra el impacto del uso de interruptores y medidores inteligentes en la red. Después de una tormenta de viento, se restableció la energía a los clientes afectados mucho más rápido debido a estas prácticas, como se muestra a continuación. La energía se restableció casi al instante en casi la mitad de los clientes de servicios públicos ya que los interruptores inteligentes transfirieron la carga a circuitos no afectados, lo que permitió que los equipos se centraran en los otros clientes y restauraran su energía mucho más rápido.

Horas de interrupción que se evitaron con la implementación de tecnología inteligente

¿CÓMO CONECTAMOS RÁPIDA Y EFICIENTEMENTE ESTOS SENSORES EN UNA SOLA RED?

Si la red eléctrica no utiliza sensores inteligentes ni monitoreo del estado en el sitio, ¿a qué problemas e impedimentos se enfrentan? Tal vez, a pesar de todos los muchos beneficios, el monitoreo de condiciones es demasiado costoso de implementar. Es posible que no puedan justificar los costos adicionales asociados a la instalación de sensores inteligentes, integrándolos con sensores existentes, redes de software y computadoras, así como operadores de capacitación según la tecnología disponible actualmente.

Sin embargo, existen nuevas tecnologías disponibles que abordan este escenario. Antes de tomar dichas medidas, es importante que los servicios públicos aborden las siguientes preguntas:

• Acumulación de datos: ¿conseguimos los datos que necesitamos?
• Procesamiento de datos: ¿con qué frecuencia y rapidez analizamos los datos y actuamos con ellos?
• ¿Podemos acumular más datos para mejorar nuestro rendimiento general, eficiencia, productividad, rentabilidad, seguridad, calidad y confiabilidad?
• Si necesitamos más datos y más sensores, ¿cómo podemos hacerlo fácilmente? Para algunas compañías de electricidad, las respuestas podrían ser las siguientes:
• Los sistemas existentes pueden recopilar datos de muchos tipos diferentes de sensores, traducir esos datos a una forma que nuestro sistema de gestión de activos los pueda consumir y dar comentarios a los sistemas de control de equipos locales
• Las compañías recopilan datos de equipos en “lagos de datos”, ya sea en las instalaciones o en la nube
• Estos datos se analizan mediante software avanzado que se utiliza para mejorar el rendimiento, reducir los costos de mantenimiento y reducir los gastos de capital

La mayor dificultad a la que se enfrentan las compañías de servicios públicos es la integración de datos de varios sensores (especialmente aquellos que no son sensores inteligentes) de diferentes proveedores en su propia plataforma de software.

Hay que tener en cuenta varios aspectos para conectar estos sensores en una sola red (Ref.: DIANOMIC, Edge 4.0 Features, Función y requerimientos comerciales, 8-02-2021):

• Adquisición de datos universales: los servicios públicos necesitan adquirir datos de todos los activos, independientemente del fabricante, proveedor de nube o kit de herramientas de software, ya sean herramientas existentes o compras futuras
• Integración universal de datos: deben aceptar, filtrar y procesar todos los conjuntos de datos, independientemente del formato, para sistemas heredados, actuales y futuros
• Migración de datos y convergencia OT/IT: una vez que los servicios públicos hayan adquirido e integrado los datos con éxito, este paso se ha logrado permitiendo que el negocio trabaje con datos de sistemas heredados y nuevos conforme se modernizan los sistemas
• Multinube/Nube híbrida/Varios métodos de integración: la solución debe trabajar con todos los proveedores de nube mientras que proporciona la seguridad adecuada y permite la comunicación entre proveedores

• Integración entre nubes: también debe permitir una comunicación rápida y confiable entre proveedores de nube, y entre la nube y dispositivos dentro de las instalaciones
• Varios tipos de datos: la solución debe detectar, procesar e integrar diferentes tipos de datos de series de fatos de tiempo, vibración, videos, datos radiométricos térmicos, etc.
• Ciclos de vida ML/IA basados en perímetros distribuidos: deben recopilar datos de varios tipos en paralelo y enviarlos a la herramienta de análisis adecuada. Sin desarrollo de aplicaciones de código/código bajo/código fuente: la solución debe adaptarse a los diferentes conjuntos de habilidades entre ingeniería, operaciones, mantenimiento, TI y gestión, permitiendo que todos los niveles puedan utilizar el sistema.
• Aumento y reducción de la gestión: debe gestionar diferentes aplicaciones y configuraciones perimetrales, diferentes activos y fuentes de datos mientras que proporciona control sobre el sistema
• Sin bloqueos del proveedor: la fuente abierta ofrece la capacidad de comunicarse con diferentes equipos, nubes y metodologías

HOY EXISTE UNA SOLUCIÓN DISPONIBLE

FLIR Bridge es una puerta de enlace perimetral IIoT que proporciona una solución total, conectando sensores de terceros de diferentes fabricantes a una red industrial común: la primera solución de este tipo en la industria. Bridge realiza las siguientes tareas:

• Recolectar
• Transformar
• Informar

Bridge recopila datos de varios sensores en un único concentrador. Hay otros dispositivos de la competencia que ofrecen puertas de enlace perimetrales. Sin embargo, solo recopilan datos de sus propios sensores. BRIDGE de FLIR recopila datos tanto de las cámaras de sensores inteligentes FLIR como de otros tipos de sensores, y detecta automáticamente estos sensores/cámaras en una red compartida.

Bridge transforma los datos entrantes del sensor aplicando potentes herramientas de análisis para crear alarmas y alertas en el perímetro. Las herramientas de análisis incluyen el software incorporado, así como un código personalizado y modelos de aprendizaje automático personalizados. Proporciona una salida flexible que incluye datos procesados, datos sin procesar o una combinación de ambos simultáneamente.

Bridge informa al hacer posible la comunicación entre varios sensores y más de 20 sistemas comunes de monitoreo de activos industriales, incluyendo las plataformas de software de monitoreo de condiciones estándares de la industria como OSI PI Historian y OPC UA. Ofrece enrutamiento y reportes de datos flexibles para optimizar el soporte de en la toma de decisiones, entregando datos simultáneamente a varios destinos locales y en la nube.

La siguiente gráfica muestra el funcionamiento de una puerta de enlace perimetral IIoT, recopilando datos de cámaras termográficas y otros sensores, transformándolos mediante la aplicación de herramientas de análisis e informa al usuario mediante comunicando los resultados a una variedad de sistemas de supervisión de activos.

CONCLUSIÓN

Las compañías de electricidad deben mantener el flujo de energía. Las interrupciones en la energía tienen un impacto importante tanto en términos de satisfacción del cliente como de sanciones financieras. El mantenimiento de los equipos de servicios públicos es primordial, con las inspecciones y el monitoreo que desempeñan un papel clave. El mantenimiento proactivo se traduce en costos de reparación mucho más económicos que esperar a una avería inesperada.

Las compañías de electricidad avanzan hacia sistemas de monitoreo con sensores termográficos fijos en lugar de realizar inspecciones periódicas en el sitio con cámaras portátiles. Esto permite que los datos fluyan todo el tiempo en vez de analizar una sola imagen periódica.

Las compañías de servicios públicos necesitan cámaras termográficas inteligentes y otros sensores para monitorear continuamente fugas de voltaje, daños por tormentas y otros disruptores en el servicio. El objetivo es ayudar a las instalaciones, centrales eléctricas y subestaciones a mejorar la eficiencia, optimizar el rendimiento y evitar averías inesperadas mediante el monitoreo de las condiciones.

Es fundamental obtener datos confiables de una variedad de tipos de sensores e integrarlos en una red de manera segura y sencilla, sin el gasto y el tiempo de una codificación complicada.

Existe una nueva tecnología disponible que puede integrar fácilmente datos de cualquier sensor dentro del sistema de gestión de activos de los servicios públicos. Procesará datos de sensores inteligentes y datos sin procesar de sensores “mudos” haciendo posible la comunicación. Esta puerta de enlace perimetral optimiza el soporte de la toma de decisiones proporcionando datos en tiempo real de forma continua.