Cerrando la brecha: integración eficiente de sensores en software de estado de activos para el mercado de los servicios eléctricos

Las empresas de servicios eléctricos reconocen el valor de los sensores y los datos que brindan para un servicio fiable y rentable. Los beneficios de los sensores de supervisión de las condiciones están bien establecidos en términos de ayudar a proporcionar los datos necesarios para el mantenimiento proactivo, pero muchas empresas de servicios públicos no tienen dichos sistemas instalados en el 100 % de sus equipos.

Las empresas eléctricas pueden resolver los problemas de incompatibilidad entre el sistema y los sensores y la falta de programadores de IIoT cualificados, con una solución de supervisión de las condiciones que facilita la integración de diferentes sensores, sin necesidad de codificación. 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. Unir estos sensores con recursos innovadores de software y hardware ofrece una manera fácil y efectiva de agregar datos de condición para activos importantes con el fin de mejorar el conocimiento de la situación y potenciar el soporte de decisiones para mantener las operaciones en funcionamiento, reducir los costes de mantenimiento y mejorar la productividad, la fiabilidad y la seguridad.

NECESIDADES Y RETOS A LOS QUE SE ENFRENTAN LAS EMPRESAS ELÉCTRICAS

Las empresas de servicios públicos de energía eléctrica tienen varios imperativos comerciales que deben seguir:

• Mejorar la seguridad, la protección y la fiabilidad
• Integrar nuevas fuentes de energía y modelos de consumo
• Modernizar la red eléctrica

También se enfrentan a una larga lista de desafíos:

• Integración con equipos heredados
• Jubilación de inspectores cualificados
• Acceder a activos y datos de producción
• Riesgos de seguridad
• Infraestructura envejecida
• Gestión y protección de costosas aplicaciones y redes propietarias de silos
• Experiencia en la gestión de datos, redes y seguridad

Una de las formas en que las empresas eléctricas pueden abordar estos problemas es mediante el uso de una puerta de enlace de borde IIoT diseñada especialmente para entornos industriales.

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INSPECCIONES PUNTUALES PERIÓDICAS

Dada la antigüedad de la infraestructura existente, puede que no sea una sorpresa que una gran cantidad de empresas de servicios públicos de electricidad tengan pocos o ningún sensor integrado. Las inspecciones se llevan a cabo de forma periódica, normalmente por equipos internos que llevan sensores portátiles, para el mantenimiento predictivo de rutina. El plazo de tiempo para dichas inspecciones puntuales varía, pero puede ser solo una o dos veces al año.

La seguridad es importante para aquellos técnicos que realizan inspecciones con dispositivos portátiles. Hay pocos técnicos cualificados para tales inspecciones y puede ser peligroso entrar a las estaciones de transmisión de alta tensión.

Los equipos de inspección suelen utilizar cámaras termográficas portátiles para inspeccionar los 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 informe de inspección que puede tardar hasta una semana, según la cantidad de sistemas que se examinaron.

Las siguientes imágenes son ejemplos de problemas descubiertos durante las inspecciones puntuales con cámaras termográficas portátiles:

Fusible quemado (segundo desde la izquierda) (Ref.: archivos de la Conferencia de Infrarrojos – Centro de formación en infrarrojos –ITC–)

Ventilador del transformador en mal estado (AR2) (Ref.: archivos de la Conferencia de Infrarrojos: Centro de formación en infrarrojos –ITC–)

Válvula de aleta de radiador cerrada (Ref: FLIR)Valor clapeta radiador cerrado (Ref.: FLIR)

La detección temprana de fallos durante las inspecciones periódicas de rutina resultará en ahorros de tiempo y costes reducidos de mantenimiento y reparación, especialmente si evitan tiempos de inactividad inesperados. Encontrar y reparar tales problemas mejora la fiabilidad y seguridad del servicio eléctrico.

Los beneficios de costes de identificar y corregir defectos antes de que se conviertan en fallos se ilustran en el siguiente ejemplo. La imagen de la derecha muestra un transformador de tensión con fallo dentro de un disyuntor. Si se hubiera utilizado una cámara termográfica para inspeccionar el transformador antes de que fallara, el coste de reparación se habría limitado a reemplazar el transformador, con un día de inactividad. Sin embargo, el fallo real resultó en el coste de reemplazar el transformador y el disyuntor, así como costes adicionales de mano de obra y construcción del sitio, con una interrupción de ocho días. Este caso ilustra que los fallos pueden ocurrir y ocurrirán entre las pruebas programadas.

Disyuntor con paneles desviados

Transformador de tensión con fallo dentro del disyuntor

Según los resultados y los informes de las inspecciones puntuales, la gravedad de los problemas o eventos identificados se puede clasificar de la siguiente manera:

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

Las comprobaciones puntuales periódicas con sensores portátiles permiten que se desarrollen y empeoren problemas entre inspecciones. Obviamente, cuanto antes se detecte y comunique un problema, antes podrá comenzar el trabajo de reparación para evitar interrupciones no programadas. Aumentar la frecuencia de las inspecciones periódicas reducirá la oportunidad para que ocurra un fallo, pero aún existe la posibilidad de fallos catastróficos.

SUPERVISIÓN DE LAS CONDICIONES

La forma más efectiva de acortar el tiempo entre la aparición de un problema y su descubrimiento es instalar sensores fijos que estén funcionando continuamente. La instalación de cámaras de supervisión de las condiciones térmicas que funcionan continuamente genera datos sobre la temperatura, por ejemplo, para ser registrados de forma continua en lugar de instantáneas periódicas en el tiempo. El examen y revisión de los datos comunicados permitiría al operador de la empresa de servicios públicos darse cuenta de los problemas y fallos potenciales antes de que la próxima inspección los revele.

La supervisión de las condiciones ofrece varias ventajas sobre las inspecciones puntuales periódicas:

• Permite que el operador de servicios públicos encuentre problemas antes y responda más rápidamente
• Mejora el conocimiento de la situación y permite que las empresas de servicios públicos o suministro sean proactivas en las reparaciones, manteniendo 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 sustancialmente menos arreglar la mayoría de los problemas antes de que ocurra un fallo (se estima que, para los servicios públicos, los costes de reparación son solo alrededor del 1-2 % del coste total del fallo)

Los sensores de cámara térmica de supervisión de las condiciones ofrecen múltiples beneficios:

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

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

La conexión de los sensores a sistemas como OSI PI Historian u OPC UA permite que la empresa de servicios públicos tenga acceso a los datos de series temporales que se registraron. Es posible que las empresas de 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 datos, proporciona a las empresas eléctricas datos de supervisión de las condiciones más avanzados. Los sensores inteligentes permiten al usuario supervisar el estado de los dispositivos eléctricos, motores o subestaciones en todo momento. No necesitan esperar a que se interpreten los datos; los sensores pueden activar una alarma, hacer sonar una campana o una bocina, o iniciar un proceso de apagado. Dicha supervisión de las condiciones puede capturar, procesar y analizar datos y luego actuar en consecuencia.

Con una fuerza laboral cualificada que envejece y se jubila, las empresas de servicios públicos necesitan sistemas como este para brindar una mejor perspectiva en lugar de solo recopilar datos, y 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 de la cantidad total de sensores utilizados en la industria de los servicios eléctricos. En relación con las imágenes térmicas, casi todas las cámaras son dispositivos portátiles que se utilizan para inspecciones puntuales. A pesar de las ventajas de la supervisión continua de las condiciones, las inspecciones puntuales periódicas siguen siendo la forma más común de mantenimiento preventivo. Son relativamente económicas y constituyen el método de inspección más rentable para activos eléctricos por debajo de 2,5 kV (Ref.: Mission Critical Magazine, 16-4-2021). Sin embargo, dado el envejecimiento de la infraestructura de las empresas eléctricas y el coste de las interrupciones no programadas en términos de insatisfacción del cliente y sanciones financieras, esto puede cambiar. El uso de sensores de supervisión de las condiciones en algunos de los equipos más críticos puede ser más lógico desde el punto de vista financiero.

El impacto de usar la supervisión de las condiciones, en lugar de inspecciones puntuales (o mantenimiento preventivo basado en tiempo) o ejecución hasta fallo (o mantenimiento reactivo), se ilustra en la siguiente figura. Con el mantenimiento preventivo, el objetivo es minimizar los fallos manteniendo el equipo en buenas condiciones. La prevención de fallos reduce los costes, pero puede ser difícil determinar el intervalo adecuado para las inspecciones. Con el mantenimiento reactivo, el coste de reparar o reemplazar el equipo puede ser bastante elevado, incluido el posible tiempo de interrupción, pero no hay que tener en cuenta la frecuencia de inspección. La supervisión de las condiciones genera datos continuamente, lo que permite al operador observar tendencias y conocer de inmediato problemas con el equipo. Reduce los costes y aumenta el tiempo de actividad de los equipos (Ref.: AIChE, CEP, agosto de 2017).

Impacto de la supervisión de las condiciones en los costes de mantenimiento y reparación

USO DE SENSORES EN LOS SERVICIOS ELÉCTRICOS

Las cámaras termográficas pueden detectar diferencias de temperatura muy pequeñas al recolectar radiación infrarroja y luego crear una imagen electrónica usando diferentes colores para mostrar estas diferencias de temperatura. Ya se han debatido algunos ejemplos de imágenes térmicas. Además, estos sensores se pueden usar para buscar conexiones eléctricas sueltas o corrosivas, fugas de voltaje, etc. A medida que aumenta la resistencia, aumenta el calor y el desgaste acelerado en el punto de conexión puede dañar el equipo. Los sensores IR pueden revelar un aislamiento deficiente dentro de las estructuras, lo que genera un desperdicio de calefacción en climas fríos y costes adicionales de aire acondicionado en climas cálidos.

Los sensores de análisis de gas disuelto (DGA) se utilizan para supervisar la condición operativa de los transformadores eléctricos al examinar los contaminantes del aceite a través de la cromatografía de gases. Los materiales aislantes liberan gases a medida que se descomponen con el tiempo, por lo que la composición y distribución indican el nivel y la gravedad de la situación. Los DGA deben ser parte de un programa de mantenimiento preventivo para determinar los fallos pendientes y evitar fallos en los 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 fallos en la maquinaria (como cojinetes o cajas de engranajes que comienzan a fallar).

Los sensores de corriente (también conocidos como transformadores de corriente o CT) se utilizan para verificar 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 supervisar o medir el suministro de voltaje y calcular el consumo de energía en los circuitos. Pueden detectar cargas y fallos, controlar la demanda de energía y detectar fallos de energía.

Los sensores de fallo a tierra detectan fallos a tierra de baja magnitud (interrupciones en la ruta de conexión a tierra de baja resistencia de un sistema eléctrico, por lo que la corriente puede tomar una ruta alternativa, como a través de un operador humano). Protegen a las personas de lesiones graves o la muerte, o protegen los equipos de daños, activando una alarma o apagando el equipo abriendo el interruptor de desconexión del circuito.

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

Las cámaras de vídeo pueden proporcionar información crítica que se carga en las redes informáticas. Al apuntar una cámara de vídeo a un activo en particular, los indicadores se pueden leer de forma remota y los interruptores se pueden ver para confirmar que están en la posición abierta o cerrada correcta. La seguridad de los empleados se mejora al reducir la necesidad de acceso físico a las instalaciones remotas y al mismo tiempo proporcionar datos críticos. La detección de movimiento puede registrar daños a los sistemas por factores ambientales. Examinar visualmente un problema antes de llegar a un sitio remoto permite implementar una solución más preparada (Ref.: archivos de la Conferencia de Infrarrojos: Centro de formación en infrarrojos –ITC–).

Como ejemplo, considere el impacto que el clima puede tener en las redes de energía eléctrica. Al usar la supervisión de las condiciones de la red, los sensores pueden proporcionar a la empresa de servicios públicos información suficiente para solucionar los problemas de manera proactiva antes de que ocurran. De esta manera, es menos probable que el clima cause problemas e interrupciones porque la red está en buenas condiciones. Si bien las tormentas grandes y fuertes, como los huracanes, aún pueden derribar la infraestructura sin importar lo fuerte que sea la red, la supervisión de las condiciones puede permitir que la empresa de servicios públicos priorice los recursos durante el proceso de reparación. Los daños a las superestructuras de las centrales eléctricas por tormentas, viento y residuos se pueden visualizar a distancia para proteger a los inspectores de posibles daños.

Finalmente, los sensores se pueden usar para proteger la infraestructura eléctrica del vandalismo. Se pueden usar cámaras térmicas para seguridad, cámaras de seguridad visual, sensores de movimiento de cercas, 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 empresas de servicios públicos que participaron en el programa de subvenciones que instalaron redes inteligentes, a continuación se muestra el porcentaje de mejora en el índice de frecuencia de interrupción promedio del sistema (SAIFI) en relación con las líneas de base previas a la implementación. El uso de sensores inteligentes redujo la frecuencia de interrupción del 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 rápidamente debido a estas prácticas, como se muestra a continuación. La energía se restableció casi instantáneamente a cerca de la mitad de los clientes de servicios públicos, ya que los interruptores inteligentes transfirieron la carga a los circuitos no afectados, lo que permitió a los equipos concentrarse en los otros clientes y restaurar su energía mucho más rápidamente.

Horas de interrupción evitadas mediante la implementación de tecnología inteligente

¿CÓMO CONJUNTAMOS DE MANERA RÁPIDA Y EFICIENTE ESTOS SENSORES EN UNA RED?

Si la empresa de servicios eléctricos aún no está utilizando sensores inteligentes y supervisión de las condiciones en el sitio, ¿a qué problemas e impedimentos se enfrentan? Quizás, a pesar de todos sus muchos beneficios, la supervisión de las condiciones es demasiado costosa de implementar. Es posible que no puedan justificar los costes adicionales asociados con la instalación de sensores inteligentes, integrándolos con sensores, software y redes informáticas existentes, y formando a los operadores, en función de la tecnología disponible actual.

Sin embargo, hay nuevas tecnologías disponibles que abordan este escenario. Antes de tomar tal acción, es importante que las empresas de servicios públicos aborden las siguientes preguntas:

• Acumulación de datos: ¿Estamos obteniendo los datos que necesitamos?
• Procesamiento de datos: ¿Con qué frecuencia y con qué rapidez analizamos los datos y actuamos en consecuencia?
• ¿Podemos acumular más datos para mejorar nuestro desempeño general, eficiencia, productividad, rentabilidad, seguridad, calidad y fiabilidad?
• Si necesitamos más datos y más sensores, ¿cómo podemos hacerlo fácilmente? Para algunas empresas de servicios eléctricos, las respuestas podrían verse así:
• Los sistemas existentes pueden recopilar datos de muchos tipos diferentes de sensores, traducir esos datos a un formato que pueda consumir nuestro sistema de gestión de activos y proporcionar retroalimentación a los sistemas de control de equipos locales.
• Las empresas recopilan datos de los equipos en “lagos de datos”, ya sea en las instalaciones o en la nube
• Esos datos se analizan mediante un software avanzado, que se utiliza para mejorar el rendimiento, reducir los costes de mantenimiento y reducir los gastos de capital.

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

Se deben considerar varios aspectos para unir estos sensores en una sola red (Ref.: DIANOMIC, características, funciones y requisitos comerciales de Edge 4.0, 02-8-2021):

• Adquisición de datos universales: las empresas de servicios públicos necesitan adquirir datos de todos los activos, independientemente del fabricante, el proveedor de la nube o los kits de herramientas de software, ya sean herramientas existentes o compras futuras
• Integración universal de datos: necesitan aceptar, filtrar y procesar todos los conjuntos de datos, sin importar el formato, para sistemas heredados, actuales y futuros
• Migración de datos y convergencia TO/TI: una vez que la empresa de servicios públicos ha podido adquirir e integrar datos con éxito, este paso se ha completado, lo que permite a la empresa trabajar con datos de sistemas heredados y nuevos a medida que los sistemas se modernizan
• Múltiples nubes/nube híbrida/múltiples métodos de integración: la solución debe poder funcionar con todos los proveedores de la nube, al tiempo que proporciona la seguridad adecuada y permite la comunicación entre los proveedores

• Integración entre nubes: también debe permitir una comunicación rápida y fiable entre los proveedores de la nube y entre la nube y los dispositivos locales
• Múltiples tipos de datos: la solución debe detectar, procesar e integrar diferentes tipos de datos de series temporales, datos de vibraciones, vídeos, datos radiométricos térmicos, etc.
• Ciclos de vida de ML/IA basados en borde distribuido: debe ser capaz de recopilar datos de varios tipos en paralelo y enviarlos a la herramienta de análisis adecuada Desarrollo de aplicaciones sin código/código bajo/código fuente: la solución debe adaptarse a los diferentes conjuntos de habilidades entre ingeniería, operaciones, mantenimiento, TI y gestión, lo que permite que todos los niveles puedan utilizar el sistema
• Gestión de escalado vertical y horizontal: debe administrar diferentes aplicaciones y configuraciones de borde, diferentes activos y fuentes de datos, mientras proporciona control sobre el sistema
• Sin bloqueos de proveedores: el código abierto brinda la capacidad de comunicarse a través de diferentes equipos, nubes y metodologías.

UNA SOLUCIÓN QUE YA ESTÁ DISPONIBLE

FLIR Bridge es una puerta de enlace de borde 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:

• Recopilar
• Transformar
• Informar

Bridge recopila datos de múltiples sensores en un solo centro. 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 de las cámaras con sensores inteligentes de FLIR y otros tipos de sensores, y detecta automáticamente estos sensores/cámaras en una red compartida.

Bridge transforma los datos de los sensores entrantes mediante la aplicación de potentes herramientas de análisis para crear alarmas y alertas en el perímetro. Las herramientas de análisis incluyen software integrado, así como 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 múltiples sensores y más de 20 sistemas comunes de la supervisión de activos industriales, incluidas las plataformas de software de supervisión de las condiciones estándar de la industria, como OSI PI Historian y OPC UA. Ofrece informes y enrutamiento de datos flexibles para optimizar el soporte de decisiones, entregando datos simultáneamente a múltiples destinos locales y en la nube.

El siguiente gráfico ilustra el funcionamiento de una puerta de enlace de borde IIoT, recopilando datos de cámaras termográficas y otros sensores, transformándolos mediante la aplicación de herramientas de análisis e informando al usuario mediante la comunicación de los resultados a una variedad de sistemas de supervisión de activos.

CONCLUSIÓN

Las empresas de servicios eléctricos necesitan mantener el flujo de energía. Las interrupciones en el suministro de energía tienen un gran impacto, tanto en términos de satisfacción del cliente como de sanciones financieras. El mantenimiento de los equipos de servicios públicos es primordial, y las inspecciones y el control juegan un papel clave. El mantenimiento proactivo da como resultado costes de reparación mucho más económicos que esperar un fallo inesperado.

Las empresas de servicios eléctricos se están moviendo hacia sistemas de supervisión con sensores fijos de imágenes térmicas en lugar de realizar inspecciones puntuales periódicas con cámaras de mano. Esto permite que los datos fluyan todo el tiempo en lugar de analizar una única instantánea periódica.

Las empresas de servicios públicos necesitan cámaras termográficas inteligentes y otros sensores para supervisar continuamente las fugas de voltaje, daños por tormentas y otros disruptores para el servicio. El objetivo es ayudar a las instalaciones, centrales eléctricas y subestaciones a mejorar la eficiencia, optimizar el rendimiento y evitar fallos inesperados a través de la supervisión de las condiciones.

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

Está disponible una nueva tecnología que puede integrar fácilmente los datos de cualquier sensor en el sistema de gestión de activos de las empresas de servicios públicos. Procesará datos de sensores inteligentes y datos sin procesar de sensores “tontos” haciendo posible la comunicación. Esta puerta de enlace de borde optimiza el soporte de decisiones al proporcionar datos en tiempo real de forma continua.