Aplicatii de automatica si SCADA in energetica si monitorizarea echipamentelor electrice

PREFATA

Scoala de Electrotehnica din Craiova are, in timp, radacini multiple. Una dintre acestea este reprezentata de infiintarea Institutului de Masini si Aparate Electrice IMAE Craiova, in 1951. A doua radacina poate fi asociata cu infiintarea, in 1966, a Facultatii de Electrotehnica, integrata in Universitatea din Craiova.

Consider ca a treia radacina poate fi asociata cu numirea primilor conducatori de doctorat la Facultatea de Electrotehnica. Eminentul prof. dr. doc. Constantin Belea a primit dreptul de conducere Teze de doctorat in Automatica in anul 1968. Au urmat profesorii Aurel Campeanu si Profir Degeratu care, in 1986, au primit dreptul de conducere Teze de doctorat, la Craiova, in domeniul Masini, Aparate si Actionari electrice sau, altfel spus, in inginerie electrica. Apoi, Scoala Superioara de Electrotehnica din Craiova s-a dezvoltat si a evoluat. In prezent putem vorbi de Scoala doctorala de Automatica si Scoala doctorala de Inginerie electrica si energetica. Si daca vorbim de oameni „creatori de scoala”, daca vorbim de „radacini”, merita amintit Nicolae Vasilescu Karpen, nascut in Craiova la 28 noiembrie 1870, care a predat primul curs de Electricitate si electrotehnica, la Scoala Nationala de Poduri si Sosele pe care a transformat-o, in 1920, in Scoala Politehnica din Bucuresti. Mai trebuie spus ca, in 1935, Scolii Politehnice din Bucuresti, aflata sub conducerea craioveanului Nicolae Vasilescu Karpen din 1920 pana in 1940, i se confera dreptul de a acorda titlul de doctor inginer.

In vechea organizare a invatamantului romanesc, adica invatamantul organizat de Gheorghe Sincai, Gheorghe Asachi, Petrache Poenaru, Spiru Haret, o scoala care pregatea specialisti intr-un anumit domeniu avea o „scoala de aplicatie” in care se dezvolta componenta aplicativa a profesionistului, a specialistului.

In acest context pot sa afirm ca Scoala doctorala de la Craiova are cateva Scoli de aplicatie. Una dintre acestea este INCDIE-ICMET Craiova, care a aparut si s-a dezvoltat impreuna cu Scoala superioara de electrotehnica de la Craiova. La inceput, adica in 1954, a fost organizat, in cadrul uzinei Electroputere, „Laboratorul Central”, apoi diversificat cu Laboratorul de Inalta Tensiune - LIT - si Laboratorul de Mare Putere - LMP. In 1969, la putin timp dupa infiintarea Universitatii din Craiova, in care functiona Facultatea de electrotehnica, Laboratorul Central devine Centrul de Cercetare Electroputere CC-EP. La 25 iulie 1974 capata statut de Institut de Cercetare ICP-EP si se ocupa de proiectarea tehnologiilor si echipamentelor fabricate de Electroputere. In 01.01.1979, ICP-EP devine Centrul de Cercetari si Inginerie Tehnologica CCSIT-EP cu aparitia unui nou compartiment - Echipamente Complexe. In 1985 unitatea a redevenit Institut in subordinea Centralei Industriale Electrotehnice sub numele Institutul de Cercetare Stiintifica si Inginerie Tehnologica pentru Motoare, Transformatoare si Aparate Electrice ICSIT-MTAE Craiova, avand forma organizatorica de „institut mic”, complet necorelata cu complexitatea activi¬tatii si numarul personalului angajat. La data de 27.02.1990, ca urmare a aplicarii Hotararii Guvernului nr.188/1990, anexa 1, pct.II.4, Institutul de Cercetare Stiintifica si Inginerie Tehnologica pentru Motoare, Transformatoare si Aparataj Electric ICSIT-MTAE Craiova, devine Institutul de Cercetare si Proiectare pentru Masini Electrice, Transformatoare, Echipamente Electrice si Tractiune ICMET Craiova, ca entitate independenta. Prin HG 81/11 februarie 1999, publicata in Monitorul Oficial Nr. 69 din 18 februarie 1999, s-a infiintat Institutul National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica INCDIE - ICMET Craiova, prin reorganizarea Institutului de Cercetari si Proiectari pentru Masini Electrice, Transformatoare, Echipamente Electrice si Tractiune ICMET Craiova care si-a incetat activitatea, in coordonarea Ministerului Economiei si Finantelor.

Legatura dintre Laboratorul Central, devenit in zilele noastre Institutul National de Cercetare Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica INCDIE-ICMET, si Facultatea de electrotehnica, respectiv Scoala doctorala din Craiova, s-a dezvoltat in mod natural, fara reglementari ministeriale sau guvernamentale. Meritul este al Oamenilor din Institut si din Facultate, care au initiat aceasta legatura, al celor care mentin si acum aceasta conexiune profesionala, uneori foarte vizibila, alteori, aparent, nedefinita, dar traita cu putere, cu implicare, si de o parte si de alta.

Aparitia cartii „Aplicatii de automatica si SCADA in energetica si monitorizarea echipamentelor electrice” poate fi considerata un reper cu semnificatie particulara in evolutia Scolii de electrotehnica de la Craiova.

Autorii, cercetatori la INCDIE-ICMET, absolventi ai Scolii superioare de electrotehnica din Craiova, din generatii diferite, cu un ecart de aproape un sfert de secol (Facultatea de Automatizari si Calculatoare - 1995, 2011, Facultatea de Electrotehnica - 1985), au obtinut titlul de doctor sau urmeaza sa-l obtina la Scolile doctorale din Craiova, sunt specialisti cunoscuti in comunitatea inginerilor si recunoscuti pentru lucrarile elaborate dar si pentru implicarea in activitati asociative.

Aplicatiile reflecta ariile tematice abordate de ICMET de-a lungul timpului, dar si legatura cu facultatile de profil din Craiova. Mentionez aplicatia referitoare la detensionarea prin vibratii controlate a pieselor metalice cu tensiuni interne reziduale, inceputa prin anii `80, sustinuta la vremea respectiva prin cateva colaborari internationale. Trebuie sa remarc aplicatia privind controlul sistemelor de actionare cu motoare asincrone, inceputa la ICMET tot prin anii `80, finalizata, atunci, prin modele experimentale si produse utilizate in industrie, continuata apoi prin alte cercetari, unele in parteneriat cu facultatile de profil din Universitatea din Craiova. Aplicatiile care au ca subiect monitorizarea parametrilor transforma-toarelor electrice, reprezinta rezultatele cercetarilor autorilor, desfasurate aproape pe intreaga perioada de la finalizarea studiilor, unele valorificate prin teze de doctorat. Valoarea aplicatiilor cuprinse in carte este confirmata atat de aprecierile beneficiarilor cat si de Brevetele sau Diplomele obtinute la Saloanele de Inventii.

Cartea „Aplicatii de automatica si SCADA in energetica si monitorizarea echipamentelor electrice”, o continuare a altei carti elaborata de echipa de autori, „Sisteme SCADA pentru monitorizarea echipamentelor electrice”, demonstreaza complexitatea activitatii desfasurata timp de aproape 70 de ani la INCDIE-ICMET Craiova, continuitatea (asigurata prin preluarea stafetei de fiecare generatie) si evolutia Scolii de Electrotehnica din Craiova, legata organic, inca de la inceput, prin Aplicatii concrete, de nevoile industriei.

Prof. dr. ing. Gheorghe Manolea

CUVANT INAINTE

Pornind de la lucrarea „Sisteme SCADA pentru monitorizarea echipamentelor electrice” publicata in urma cu un deceniu de acelasi nucleu de autori, in aceasta lucrare se prezinta 30 de aplicatii de automatica si SCADA, din domeniul energetic si al echipamentelor electrice. Daca in prima lucrare s-au prezentat conceptele teoretice si doar doua aplicatii practice, in prezenta lucrare autorii si-au propus sa prezinte doar aplicatii practice realizate in ultimele doua decenii, componenta teoretica fiind apelata in bibliografia fiecarei aplicatii. Mentionam ca aplicatiile prezentate au fost realizate de catre autori de-a lungul timpului in cadrul colectivelor in care si-au desfasurat activitatea de cercetare, autorii realizand alegerea structurilor hardware si implementarea software a programelor necesare indeplinirii caietelor de sarcini impuse de beneficiari. Majoritatea acestor aplicatii au fost puse in functiune si date in exploatare catre beneficiari de tipul companiilor nationale din domeniul electroenergetic. Celelalte aplicatii au fost testate in laboratoarele INCDIE-ICMET Craiova in cadrul unor proiecte nationale de cercetare. Implementarea acestor aplicatii, impreuna cu urmarirea in timp a functionarii in vederea optimizarii a durat in unele cazuri cativa ani si este rodul unor eforturi sustinute imperios necesare in activitatea de cercetare. Nu este lipsit de importanta faptul ca majoritatea solutiilor implementate au reprezentat premiere la momentele respective in ceea ce priveste hardware-ul si software-ul utilizat, dat fiind faptul ca in majoritatea aplicatiilor se facea trecerea de la epoca automatizarii prin relee la automatizarea bazata pe calculatoare de proces, iar cerintele exprese ale beneficiarilor erau de aliniere la nivel mondial a obiectivelor automatizate.

Prin enumerarea de termeni tehnici/cuvinte cheie care se regasesc in cele 30 de aplicatii prezentate, speram sa declansam interesul cititorului, dat fiind faptul ca acesti termeni se regasesc in domenii ca automatica, comunicatii de date, tehnologia informatiei si a calculatoarelor, inginerie electrica si energetica. Astfel, dintre acesti termeni amintim: SCADA, HMI, OPC-UA, tehnologia Microsoft DCOM, DataSocket Server, Servere I/O Modbus LabVIEW, NI-PSP, Fuzzy Logic, Gmail server, MySQL, JSON, Web server, Cloud database, ZigBee, SIL, filtru Kalman, VSR, LQR, Wavelet Transform, filtru Daubechies, transformata Hilbert, ARX, ecuatia Riccati, aproximatia Pade, FPGA, DGA, Fanuc TCP/IP, PROFIBUS, masina de inferenta, baze de fapte si reguli, CLIPS, Matlab/SIMULINK, Ziegler-Nichols, CANopen, MRAC, PLL, SPWM, FOC.

Lucrarea de fata incearca sa acopere un gol in literatura tehnica din tara noastra in ceea ce priveste prezentarea de aplicatii din tematica sus amintita. Aplicatiile prezentate, desi sunt eterogene, au fost grupate, in ordinea prezentarii, in aplicatii din hidroenergetica (automatizarea si monitorizarea serviciilor proprii si generale pentru hidrocentrale, automatizarea instalatiilor de actionare electrica, hidraulica si de incalzire a stavilelor cu clapeta de pe barajele din hidrocentrale si controlul temperaturii generatoarelor hidroagregatelor), aplicatii din termoenergetica si statii electrice (reglarea temperaturii la cuptoarele de calcinare, monitorizarea conductivitatilor electrice si a debitelor bazinelor de tratare chimica a apei din termocentrale, calculul si monitorizarea entalpiei si energiei termice la cazane termice, modernizarea surselor de alimentare de rezerva din statiile electrice, teleconducerea si integrarea in SCADA a statiilor electrice).

Se prezinta si o serie de aplicatii individuale privind automatizarea procesului de trecere la nivel cu calea ferata si integrarea in SCADA, automatizarea instalatiei de uscare cu vapori de kerosin, monitorizarea bazata pe amprenta acustica pentru procesul de sertizare a izolatorilor compoziti, detectia scurgerilor prin conducte utilizand tehnica emisiilor acustice bazat pe functia de cross-corelatie, detensionarea prin vibratii controlate a pieselor metalice cu tensiuni interne reziduale utilizand transformata Wavelet, integrarea in SCADA a aplicatiilor pentru controlul proceselor industriale, monitorizarea starii cablurilor electrice, monitorizarea starii echipamentelor electrice in special a transformatoarelor de putere, prin automatizarea sistemului de racire al acestora, determinarea temperaturii de hot-spot si estimarii starii de defect pe baza analizei gazelor dizolvate utilizand logica fuzzy.

De asemenea, in ceea ce priveste analiza calitatii energiei electrice se prezinta o aplicatie bazata pe un sistem embedded Compact-RIO si module FPGA folosind transformata Wavelet. O aplicatie aparte o reprezinta problema cuburilor, transformarea configuratiei initiale in cea finala, cu generarea automata a traiec¬toriei unui brat manipulator in coordonate carteziene, problema prezenta in automatizarile discrete, in operatiile de paletizare si sortare piese.

O alta aplicatie se refera la controlul actionarilor electrice cu motoare asincrone in care se prezinta controlul actionarilor electrice multimotor cu dinamica ridicata, cu modificari rapide ale cuplului si vitezei, cu cuplaj rigid sau flexibil al motoarelor, cu strategia de control de tip Field Oriented Control (FOC) pentru fiecare actionare si control distribuit in reteaua locala de comunicatii utilizand protocolul CANopen. Tendinta generala este de a utiliza motoare asincrone cu rotor in scurtcircuit (inclusiv in industria miniera de suprafata din care este selectata aplicatia prezentata), datorita avantajelor acestui motor atat in ceea ce priveste proiectarea, cat si functionarea. Pentru a obtine viteza variabila, se utilizeaza convertoare de frecventa statice cu control sensorless, unde viteza este estimata folosind un estimator de tipul Model References Adaptive System Estimator (MRAS). Sistemul global de control propus in aceasta lucrare contine un estimator de tip MRAS impreuna cu controlere de tip PI, care asigura o performanta dinamica buna dar intr-o complexitate mai mica a structurii astfel incat sa fie implementate in timp real intr-un sistem de control distribuit cu DSP intr-o retea locala utilizand protocolul CANopen cu avantaje in ceea ce priveste tehnologia software, precum si costul de control si flexibilitatea utilizarii. Urmand aceste directii, o aplicatie functionala a fost implementata si testata in practica.

Aplicatiile prezentate inglobeaza solutii concrete verificate in practica prin implementarea de software in echipamente ale marilor producatori mondiali: Siemens, GE Fanuc, National Instruments, Saia Burgess, Microchip etc. Pentru a evita redundanta in expunere (desi fiecare aplicatie poate fi studiata individual), in unele aplicatii s-au prezentat preponderent arhitecturile si structurile hardware alese ca solutie, in timp ce alte aplicatii s-au axat pe prezentarea implementarii software si/sau pe prezentarea simularilor numerice. Mediile de programare software folosite sunt de cel mai inalt nivel, dintre care enumeram: Cimplicity, WinCC, LabVIEW, Visual Studio, Matlab/SIMULINK, MPLAB IDE, Instruction List - limbaj de asamblare etc. Explicatiile privind solutiile alese pentru implemen¬tarea practica a aplicatiilor sunt generoase, si insotite de peste 450 de figuri.

Desi solutiile aplicatiilor prezentate pot fi imbunatatite si in mod evident versiunilor software si structurilor hardware utilizate trebuie „aduse la zi”, valoarea metodologica a solutiilor pentru aplicatiile prezentate se pastreaza, iar aceste solutii pot constitui atat un punct de plecare cat si o varianta viabila si verificata pentru abordarile ulterioare ale aplicatilor prezentate. Astfel, lucrarea se adreseaza unui public larg, de la studenti, masteranzi si doctoranzi, pana la cercetatori seniori din domeniile vizate.

Autorii multumesc tuturor colaboratorilor si celor care le-au oferit sprijin si indicatii in rezolvarea si punerea in practica a aplicatiilor prezentate. Dat fiind faptul ca aceste aplicatii au fost realizate in primele doua decenii ale acestui mileniu, este greu de adresat multumiri individuale tuturor colaboratorilor, astfel ca speram ca suntem intelesi si cuprindem un numar cat mai mare dintre acestia, cand ne adresam multumirile si sincere recunostinte colectivelor de cercetare din cadrul Institutelor Nationale de Cercetare INCDIE-ICMET Craiova si INCD-ICEMENERG (Sucursala Craiova), dar si cadrelor didactice ale Facultatilor de Automatica, Calculatoare si Electronica si Inginerie Electrica din cadrul Universitatii din Craiova. De asemenea, multumim firmelor partenere si beneficiarilor din cadrul companiilor nationale din domeniul electroenergetic cu care am colaborat in acest timp pentru implementarea aplicatiilor prezentate.

Craiova, februarie 2021
Autorii

CUPRINS

1. Sistem de automatizare si monitorizare a serviciilor proprii si generale pentru hidrocentrale 19
2. Sistem integrat de automatizare a stavilelor cu clapeta de pe barajele din hidrocentrale 60
3. Sistem de automatizare a instalatiei de captare a unei acumulari din barajele hidroenergetice 101
4. Sistem de automatizare a instalatiei de masurare nivele si debite pentru hidrocentrale 121
5. Sistem de monitorizare a stocurilor de ulei de turbina din hidrocentrale 133
6. Sistem de monitorizare a deplasarilor in plan orizontal al barajelor hidrocentralelor 148
7. Automatizarea instalatiei sistemului de racire a transformatoarelor de putere 158
8. Sistem de masurare si control al temperaturii generatoarelor hidroagregatelor 173
9. Reglarea temperaturii la cuptoarele de calcinare 205
10. Monitorizarea conductivitatilor electrice si a debitelor bazinelor de tratare chimica a apei din termocentrale 208
11. Calculul si monitorizarea entalpiei si energiei termice la un cazan din termocentrale 213
12. Monitorizarea transformatoarelor de putere 218
13. Modernizarea surselor de alimentare de rezerva din statiile electrice 238
14. Sistem de teleconducere SCADA pentru o statie electrica de 20kV din cadrul unui baraj hidro 250
15. Sistem pentru automatizarea instalatiei de uscare cu vapori de kerosin 260
16. Sistem automat wireless pentru determinarea temperaturii de hot-spot a transformatoarelor de putere 276
17. Automatizarea procesului de trecere la nivel cu calea ferata si integrarea in SCADA 305
18. Dimensionarea bobinelor de reactanta folosind instrumentatia virtuala 320
19. Sistem de monitorizare bazat pe amprenta acustica a procesului de sertizare a izolatorilor compoziti 339
20. Detectarea automata a scurgerilor din conducte utilizand tehnica emisiilor acustice si a functiei de cross-corelatie 374
21. Sistem de monitorizare a temperaturii de hot-spot a infasurarilor transformatoarelor de putere folosind senzori cu fibra optica, filtru Kalman si integrare in SCADA 390
22. Considerente asupra monitorizarii echipamentelor din statiile electrice si integrarea in SCADA 405
23. Sistem de detensionare prin vibratii controlate a pieselor metalice cu tensiuni interne reziduale utilizand Transformata Wavelet 431
24. Arhitectura sistemelor SCADA bazate pe servere OPC/Web si integrarea aplicatiilor pentru controlul proceselor industriale 449
25. Sistem pentru diagnosticarea defectelor transformatoarelor de putere bazat pe analiza gazelor dizolvate si compusilor furanici utilizand logica fuzzy 469
26. Sistem de monitorizare in timp real a calitatii energiei electrice bazat pe sistemul embedded Compact-RIO si module FPGA folosind Transformata Wavelet 485
27. Sistem de monitorizare a starii cablurilor electrice aeriene 500
28. Sistem embedded pentru controlul temperaturii si umiditatii utilizand filtru de aer/praf la transformatoarele de putere 513
29. Problema cuburilor - transformarea configuratiei initiale in cea finala - cu generarea automata a traiectoriei unui brat manipulator in coordonate carteziene 534
30. Controlul actionarilor electrice cu motoare asincrone 553

DESPRE AUTORI

Cercet. st. II dr. ing. Marcel NICOLA nascut in Craiova, absolvent (1995) al Universitatii din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica. Masterat (1997) si Doctorat (2004) in Automatica la Universitatea din Craiova. Principalele domenii de interes: automatizari si software industrial, sisteme SCADA, modelari matematice si simulari numerice, teoria sistemelor automate cu saturatie si intarziere, electric drives control and optimizations. In perioada 1997 - 2009 inginer la INCDE-ICEMENERG Sucursala Craiova, Cercetator stiintific principal gradul II din 2006. In perioada 2005 - 2009 Sef Laborator Automatizari si Calculatoare si Loctiitor Director Sucursala. In perioada 2006 - 2007 Director Adjunct al Sucursalei Craiova a Asociatiei pentru Automatizari si Instrumentatie din Romania (AAIR). Din 2009 la Institutul National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica - ICMET Craiova. Din 2020 ocupa functia de Director Stiintific si Presedinte al Consiliului Stiintific la ICMET Craiova. Intre 2011 si 2015 Cadru didactic asociat la Universitatea din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica si membru in Consiliul Scolii Doctorale de Inginerie Electrica din 2021. Numar total de lucrari stiintifice, proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica: 269, din care 129 articole (41 ISI, IF > 7), 5 carti si 117 proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica. Brevete de inventie/CBI - 4. Premii, diplome si medalii nationale/internationale - 13. Este membru in Asociatia Generala a Inginerilor din Romania (AGIR) si Societatea Romana de Automatica si Informatica Tehnica (SRAIT). Este Editorial board memberships al jurnalului Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, ASTEJ, USA, din 2017, si Verified reviews pentru jurnalele: IEEE Acces, IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference, Engineering Science and Technology, an International Journal (WOS), Materials Today: Proceedings.

Cercet. st. II dr. ing. Dumitru SACERDOTIANU nascut in Dragasani, judetul Valcea, absolvent al Universitatii din Craiova, Facultatea de Inginerie Electrica (1985) si Master „Calitatea energiei electrice si Compatibilitate Electromagnetica in Sisteme Electrice”. A obtinut titlul de doctor in Stiinte ingi¬neresti, domeniul Inginerie Electrica (2010), la Universitatea din Craiova. Este cercetator stiintific gradul II la Institutul National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica - ICMET Craiova, autor a peste 110 lucrari stiintifice si proiecte de cercetare, din care: 25 lucrari ISI, 38 lucrari BDI publicate si prezentate la manifestari stiintifice nationale si internationale in domeniul ingineriei electrice, 3 carti si peste 50 proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica, 5 brevete. Diplome si medalii de aur si argint la Saloanele internationale de inventii de la Bruxelles, Budapesta, Zagreb, Cluj Napoca, Iasi si Bucuresti - 15. A conceput si realizat echipamente destinate monito-rizarii unitatilor de transformare, detensionarii prin vibratii si controlului proceselor industriale. Domenii de interes: conceptia si realizarea echipamentelor destinate monitorizarii functionarii echipamentelor electroenergetice si electrice, detensionarea prin vibratii a structurilor metalice, masurari electrice si electronice. Este membru in Asociatia Generala a Inginerilor din Romania (AGIR).

Cercet. st. III drd. ing. Claudiu-Ionel NICOLA nascut in Craiova, absolvent (2003) al Universitatii din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica. Masterat (2011) in Automatica Sistemelor Complexe la Universitatea din Craiova. Din octombrie 2018 este student doctorand in cadrul Scolii Doctorale „Constantin Belea” la Universitatea din Craiova. Din ianuarie 2007 este angajat al Institutului National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica - ICMET Craiova in cadrul Diviziei de Cercetare-Dezvoltare. Cercetarile de interes sunt modelarea si simularea sistemelor si proceselor, conceperea si implementarea solutiilor software si hardware in cazul sistemelor de achizitie de date pentru aplicatii de monitorizare si control, precum si, software pentru integrarea in sisteme SCADA. Cercetator stiintific III, este autorul a peste 80 de lucrari stiintifice publicate in reviste ISI sau BDI si in volume ale conferintelor nationale sau internationale (36 ISI, IF > 6), a unui brevet de inventie si 3 diplome si premii nationale/ internationale. Este membru in Asociatia Generala a Inginerilor din Romania (AGIR) si Societatea Romana de Automatica si Informatica Tehnica (SRAIT).