Logo 1 Logo 2

Ciencia al descubierto


Gestión de sistemas de alarmas:
un camino hacia la optimización operativa de centrales de generación


*Versión pdf

Resumen

Se describen los problemas principales de los Sistemas de Alarmas (SA) presentes en las Centrales de Generación Eléctrica (CGE), donde no existe o no se ha implementado adecuadamente la metodología de Gestión de Sistemas de Alarmas (GSA), los cuales caracterizan al nivel de desempeño más bajo de los SA denominado Sobrecargado. Dichos problemas, surgidos por una nula o mala gestión de alarmas, se han agravado, principalmente por la incorporación de Sistemas de Control Industrial (SCI) modernos en los procesos. Se menciona cuáles son las fases o etapas que comprenden el ciclo de vida de la GSA, con base en la norma ANSI/ISA-18.2, que se deben desarrollar para corregir dichos problemas, en la búsqueda de lograr una gestión eficaz de los SA y poder migrar hacia un mejor nivel de desempeño con los consecuentes beneficios.

Por otra parte, considerando el proceso tan arduo y complejo que representa el lograr la operación óptima de una CGE, la cual considera niveles de seguridad muy elevados de las unidades de generación, así como el involucramiento de diferentes variables operativas que lleven a obtener del proceso una mayor generación con una menor inversión en materias primas, se presentan, a manera de ejemplo para una Central Termoeléctrica (CT), las actividades principales requeridas para mejorar su operación mediante el procesamiento lógico de alarmas, con el objetivo de situar al SA en el nivel de desempeño Robusto, establecido por las normas como el nivel de desempeño más alto de los SA considerando que, con el mejoramiento de los SA, se logrará tener una más alta disponibilidad y seguridad de la planta, sumando características valiosas al sistema para emprender un camino hacia la optimización operativa de las CGE.

Introducción

La necesidad de lograr la optimización de los SA en las CGE surge debido al hecho de que los SA de centrales que se están modernizando, o los de centrales de nueva construcción con sistemas ya modernizados, desde su origen están siendo mal "gestionados".
Al migrar un SA del nivel de desempeño Sobrecargado hasta el nivel Estable, pasando por el nivel Reactivo, las condiciones operativas de las centrales se mejoran considerablemente, pero surge la necesidad de lograr la optimización en la operación de las unidades, por lo cual es necesario emprender el camino hacia un mejor SA y llegar a su nivel de desempeño más alto existente, denominado Robusto.

Con la modernización de las unidades generadoras y la incorporación de SCI modernos en las centrales, ya sean Sistemas de Control Distribuido (SCD), Control Supervisorio y Adquisición de Datos (SCADA) o Controladores Lógicos Programables (PLC), las estrategias en el control de los procesos y la adquisición de datos se han mejorado sustancialmente, pero dado que todos estos sistemas generan mucha información, y al no considerar los criterios establecidos en las normas internacionales sobre la GSA, se ha provocado la saturación de la Interfaz Hombre Máquina (IHM) del operador, ocasionando que el SA, en lugar de serle de ayuda al operador, se convierta en un problema. Lo anterior está provocando situaciones muy graves, tales como: disparos innecesarios, accidentes al personal y daños a las instalaciones, equipos de proceso, así como al medio ambiente.

Problemas con alarmas

Una alarma es un medio visible y/o audible que sirve para indicarle al operador que se está presentando una situación anormal en el proceso y/o equipos, por lo que se requiere tomar una acción inmediata para regresar el proceso a las condiciones normales de operación y así evitar las posibles consecuencias.

Por otra parte, un SA es el conjunto de hardware y software necesario para detectar cualquier situación anormal en el proceso, transmitirla, desplegarla al operador y registrarla. Cabe mencionar que en los sistemas de paneles de alarmas (panalarm´s) con que se contaba antes de la modernización y de la implementación de los SCI actuales, los operadores de las centrales atendían unas decenas o centenas de alarmas, dependiendo del tipo de central que se tratara: hidroeléctrica, termoeléctrica, carboeléctrica, combustión interna, etc. Estas alarmas, alambradas en los panalarm´s, se consideraban como las "esenciales". Siempre se encontraban a la vista de los operadores, agrupadas generalmente por equipos en los tableros de control tradicionales utilizados en las CGE, denominados BTG (Boiler Turbine Generator). Ahora, con la migración de los paneles de alarmas hacia sistemas de alarmas digitales embebidos en SCI modernos, los operadores ya no tienen decenas o centenas de alarmas por atender, sino que ahora, debido a que se tienen configurados equivocadamente como alarmas decenas de miles de registros, los operadores tienen que enfrentarse hasta con millones de "alarmas" por mes, las cuales se presentan en forma de lista en la IHM del operador. Toda esta información que se le presenta en forma de "alarmas" lo confunde y le hace más difícil controlar los procesos que tiene a su mando, además de que por la gran cantidad de información, sobre todo cuando existe una condición riesgosa del proceso y se presenta una avalancha de alarmas, sobrepasa su capacidad de respuesta, lo que ha provocado que el sistema de alarmas pierda importancia para él, y en la mayoría de las ocasiones, al presentársele las "alarmas" sólo las observa, sin tomar ninguna acción al respecto para evitar las consecuencias de una condición anormal del proceso.

Existen centrales donde se han presentado en la IHM del operador, en tan solo un mes de operación de una unidad, 3,360,400 "alarmas", lo que excede con mucho la tasa de alarmas recomendada por las normas de referencia. En la tabla 1 se describen los problemas más comunes encontrados en los SA de las CGE, los cuales representan, en forma general, los problemas característicos que se tienen en un nivel de desempeño sobrecargado.

1. No existe en la central el documento de Filosofía de Alarmas (FA) donde se establezcan las reglas del sistema.
2. Las leyendas o descripciones de las alarmas no son claras, están mal abreviadas y en un idioma diferente al español, generalmente en el idioma del fabricante (inglés).
3. No existe el diccionario de las abreviaturas utilizadas en las leyendas o descripciones.
4. Existen decenas de miles de registros configurados como alarmas, sin encontrarse una clara diferenciación entre los distintos mensajes: alarmas, alertas, disparos, eventos, etcétera.
5. En promedio, de 10 alarmas sólo en una se toman acciones. Si realmente son alarmas se debe tomar acción en todas.
6. Se desconoce la cantidad exacta de alarmas con que se cuenta en el sistema.
7. Las acciones del operador van siendo aprendidas pero no están documentadas.
8. No existe el libro de alarmas que sirva de guía al operador para el control adecuado de las unidades.
9. La asignación de prioridades de alarmas no es la correcta.
10. Existe una multitud de variables configuradas en el sistema que generan alarmas, con diferentes niveles de criticidad, por ejemplo: bajo, muy bajo, severamente bajo, extremadamente bajo, exageradamente bajo, etcétera.
11. No existe un código de colores, ni una diferenciación de sonidos para las distintas prioridades de alarmas.
12. Existen muchas alarmas repetidas en el sistema, asignadas con diferente identificador.
13. Los mensajes de alarmas, alertas, disparos, eventos, etc., se presentan en una misma pantalla de la IHM.
14. Se presentan diversas alarmas problemáticas en el sistema: "ruidosas", antiguas, permanentes, etcétera.
15. Se tienen bastantes niveles de prioridad reportados en el registro de alarmas.
16. Durante un disparo se presenta una avalancha de alarmas imposible de controlar, ya que se presentan miles de registros de alarmas en la IHM, que el operador no tiene tiempo de leer y mucho menos de comprender.
17. Las alarmas sonoras frecuentemente se mantienen apagadas.

Tabla 1. Problemas comunes de los sistemas de alarmas.

Hacia un nivel de desempeño robusto

Para contar con un SA adecuado y solucionar los problemas de alarmas de cualquier industria de procesos es requisito indispensable adoptar la metodología de GSA, la cual consiste en el desarrollo de las prácticas y los procesos para definir, documentar, diseñar, monitorear y mantener los SA. Así mismo, con el objetivo de organizar los requerimientos y las responsabilidades para implementar la GSA, es de suma importancia cumplir con el ciclo de vida de la gestión de alarmas con base en la norma ANSI/ISA-18.2, la cual establece 10 fases o etapas a desarrollar: (A) Filosofía, (B) Identificación, (C) Racionalización, (D) Diseño detallado, (E) Implementación, (F) Operación, (G) Mantenimiento, (H) Monitoreo y evaluación, (I) Gestión de cambios y (J) Auditoría.

A continuación se presenta un panorama general de las actividades principales que se deben realizar, con el objetivo de migrar un SA del nivel de desempeño Estable hacia el nivel Robusto. Para lograr el objetivo anterior, la actividad inicial a desarrollar es la actualización del documento de FA de la central, donde se debe incluir todo lo concerniente a la generación de alarmas conforme al método de procesamiento lógico seleccionado. En la actualidad existen diferentes métodos de procesamiento lógico de alarmas que se han venido aplicando para el mejoramiento de los SA, entre los cuales se pueden mencionar: agrupamiento de alarmas, supresión de alarmas redundantes, supresión de alarmas de acuerdo al modo operativo de la planta, detección inteligente de fallas, ocultamiento de varias alarmas sobre la misma variable, etcétera. En este ejemplo, el método a emplear es el de supresión de alarmas de acuerdo al modo operativo de la planta.

Modos operativos de una central termoeléctrica

El estado o modo operativo es el conjunto definido de condiciones operacionales para una planta de procesos, de tal forma que las alarmas basadas en modos o estados operativos serán las alarmas que tendrán atributos modificados o que serán suprimidas, basadas en estados operativos o condiciones del proceso, para presentarle al operador sólo las alarmas relevantes de acuerdo al modo operativo actual de la unidad. Debido a lo anterior, una actividad prioritaria consiste en establecer las condiciones particulares para cada uno de los diferentes modos operativos aplicables a la central en cuestión, de tal forma que se cuente con las alarmas relevantes para cada uno de ellos. En la tabla 2 se presentan los modos operativos definidos para una CT, así como el modo operativo predecesor y las condiciones operativas que los caracterizan.

Identificación de alarmas y liga de las acciones del operador en la IHM

Otra de las actividades trascendentales que se debe realizar es la identificación de alarmas de acuerdo a los diferentes modos operativos, por lo que se debe determinar qué alarmas van a actuar en cada uno de los estados operativos aplicables a cada una de las unidades de la central. En la tabla 3 se muestra, a modo de ejemplo, la identificación de algunas alarmas CRÍTICAS (A), PRECRÍTICAS (P) y DE PLANTA (T), relacionadas con su modo operativo.

Otra de las características importantes del nivel de desempeño de un SA Robusto es tener disponible en línea (integrado en el SCI) el libro de alarmas para consulta del operador. Al seleccionar la alarma presente en la IHM del operador, se debe desplegar en línea la información correspondiente a esa alarma, principalmente las ACCIONES esperadas del operador ante cada una de las alarmas y las posibles CONSECUENCIAS, en caso de que dichas acciones no sean efectivas.

Generación, modificación y transferencia de lógicas en el sistema

Partiendo del hecho de que las diferentes condiciones operativas de las unidades permiten discriminar los diversos modos operativos, se deben realizar las actividades de generación, modificación y transferencia de lógicas en el sistema para los diferentes modos operativos de las distintas unidades, en correspondencia con las alarmas involucradas. Además de la generación de las lógicas para la presentación al operador solamente de las alarmas relacionadas a cada modo operativo, también se deben desarrollar las lógicas que permitan que en las pantallas de la IHM se despliegue un mensaje que le indique al operador en qué estado operativo se encuentran operando las unidades en ese momento, con la finalidad de que el operador disponga de información del sistema más completa y también comprenda el por qué se le presentan unas u otras alarmas en la IHM.

Modo operativo predecesor Condiciones operativas (variables clave) Modo operativo presente
Cambio de carga o AGC Disparo maestro de combustible operado Disparo o reserva fría
Carga estable
Arranque de unidad Ventiladores de tiro inducido, bombas de circulación controlada y bombas de condensado fuera de servicio
Disparo o reserva fría Prueba de fugas de combustible realizada con éxito Arranque de unidad
Caldera fría Ventilador de tiro inducido o bomba de circulación controlada o bomba de condensado en servicio
Turbina fría
Generador eléctrico mantenimiento
Arranque de unidad Carga mayor a 55 MW Cambio de carga o AGC
Carga estable AGC en auto o cambio del punto de ajuste de carga del control coordinado mayor a 10 MW
Cambio de carga o AGC Cambio del punto de ajuste de carga del control coordinado no mayor a 1 MW Carga estable
Disparo o reserva fría Ventiladores de tiro inducido, bombas de circulación controlada, bombas de condensado fuera de servicio y metales del domo menores a 90 °C Carga estable
Turbina fría Velocidad turbogrupo mayor de cero rpm´s
Caldera fría Velocidad turbogrupo cero rpm´s y temperatura metal interior primer paso menor a 150 °C Turbina fría
Generador eléctrico mantenimiento Presión de H2 en generador eléctrico mayor de 0.15 bar´s
Turbina fría Presión de H2 en generador eléctrico menor de 0.1 bar´s Generador eléctrico mantenimiento

Tabla 2. Modos operativos para una central termoeléctrica.





TAG Leyenda Modos operativos
Disparo o reserva fría Arranque unidad Cambio carga o AGC Carga estable Caldera fría Turbina fría Gen eléct mant
A 1AAP46AXB46 FALLA BBA CIRC CONTROLADA P46A
T 1AAT234XH52 < 360 OC TEMP VAP ENTRADA SC SEC A
A 1CBG01XB46 FALLA TORNAFLECHA G01
P 1CDP34XG12 ZV01 FALLA CCM BBA ACEITE SELLOS P34
A 1CDP954ZV01 < 17 KPA PD AC SELLOS GEN ELECT
P 2CBP24XG46 ZV01 BAJA TENSIÓN BBA AC LUB EMERGENCIA
T 2CBU001ZV19 FALLA BBA A SUCC BBA PPAL P26
T 2JDP637C XG52 < 10 BAR PRESIÓN VAPOR ATOMIZACIÓN
P 2RHRW001E XM26 PROBLEMA EHG UNIDAD DE CONTROL

Tabla 3. Ejemplo de identificación de alarmas de acuerdo al modo operativo.

Monitoreo y evaluación del sistema de alarmas

Una vez implementados los cambios anteriores en el sistema y habiendo transcurrido las fases del ciclo de vida de la GSA, correspondientes a la Operación y el Mantenimiento, se debe proceder a realizar la fase de Monitoreo y Evaluación del sistema. Para lo anterior se deben realizar las evaluaciones cualitativa y cuantitativa, monitoreando el desempeño del sistema en las pantallas de la IHM y valorando la tasa de alarmas mediante el análisis de los archivos históricos de alarmas correspondientes a 30 días de operación en los diferentes modos operativos, y los estados estable y transitorio en los que se desempeñaron las unidades.

Se dice que las unidades se encuentran operando en estado estable, cuando éstas se mantienen operando sin movimientos por cambios en la demanda o por fallas en los equipos. Además, se encuentra establecido en la norma EEMUA 191, que la tasa de alarmas que caracteriza a un nivel de desempeño Robusto para cuando las unidades operan en estado estable es, en promedio, de menos de una (1) alarma por operador cada diez (10) minutos, y que el tiempo que esté el sistema de alarmas fuera de este rango deberá ser de menos del uno por ciento (1%) del tiempo en operación. Por otra parte, las unidades se encuentran operando en estado transitorio cuando se inicia un cambio de carga, ya sea por cambio en la demanda o por falla de algún equipo. La tasa de alarmas que caracteriza a un nivel de desempeño Robusto para cuando las unidades operan en estado transitorio es, en promedio, de menos de diez (10) alarmas por operador cada diez (10) minutos, y que el tiempo que el SA esté fuera de este rango, deberá ser de menos del uno por ciento (1%) del tiempo en operación.

Análisis de datos y mejora continua

Una vez habiendo implantado la metodología de GSA en las CGE, es trascendental no considerar al sistema únicamente como un "juguete nuevo", en el que pronto pase la euforia por su uso y luego sea olvidado. Es de suma importancia el explotar toda la información valiosa que el SA brinda, con el objetivo de mantener o superar el nivel de desempeño alcanzado (Estable o Robusto) y emprender el camino de la mejora continua. Lo anterior traerá consigo que las CGE puedan posicionarse en el más alto nivel posible de productividad y de seguridad para el personal, las instalaciones y el medio ambiente.

Particularmente, la fase correspondiente a la Identificación brinda el beneficio de tener un SA perfectamente clasificado y organizado, donde se tendrán claramente identificados los registros de alarmas, alertas, disparos, eventos, etc. Con el desarrollo de la fase de Racionalización, el operador tendrá mínimo siete campos de información en el libro de alarmas, correspondientes a cada una de ellas, junto con sus prioridades, colores y sonidos asignados. Por último, con la fase de Implementación, toda esta información estará filtrada y se presentará de forma adecuada en la IHM del operador, facilitándole el manejo de las unidades de la central.

Al corregir los problemas comunes de los SA en las CGE, característicos de un nivel de desempeño Sobrecargado (tabla 1), con el desarrollo de la metodología de GSA y habiendo alcanzado el nivel de desempeño establecido como meta (Estable o Robusto), lo que es forzoso realizar a continuación es la utilización de la información que brinda el SA en beneficio de la operación de las CGE. Es de suma importancia extraer del sistema un archivo histórico de las alarmas que se presenten, cuando menos una vez al mes, para hacer el análisis de éstas y utilizar dicha información para la mejora operativa y el reforzamiento de los programas existentes de mantenimiento correctivo y predictivo de equipos e instrumentos de las CGE. Además de suministrar la información de los índices de desempeño con que debe cumplir el SA de acuerdo a las normas de referencia, el análisis del SA también proporcionará información muy valiosa de todas las áreas de la central (operación, eléctrico, instrumentación, químico, etc.). Estos datos indicarán alarmas que son reales, como podrían ser del área de operación en situaciones anormales, de protección de los equipos, de instrumentación y control, de fallas de los dispositivos, etc., pero muchas otras que se presentan en el SA no serán realmente "verdaderas" en toda la extensión de la palabra y nos indicarán la necesidad de mejoras en los procesos de operación, así como de los mantenimientos a los equipos e instrumentos, debido a su envejecimiento y su constante operación, cambios en las condiciones del combustible e incluso del medio ambiente, puntos de ajuste incorrectos de la instrumentación y de actuación de los equipos y dispositivos que normalmente ocasionan alarmas "molestas", mal ajuste de la banda muerta que provoca alarmas repetitivas, etcétera.

A continuación se presenta, en la tabla 4, un ejemplo del análisis de la información del SA de una CGE, donde los datos obtenidos indican que se requiere continuar con el proceso de mejora del sistema y donde se obtuvieron, a través del análisis del archivo histórico, las 10 alarmas más frecuentes, presentes en 30 días de operación de una unidad. Éstas indican el tipo de problemas de operación y de mantenimiento que se pueden abordar con el análisis del SA.

No Tag Leyenda Ocurrencia * Prioridad
1 3AF LSH355||XG01 ALTO NIVEL CALENTADOR BAJA PRESIÓN #1 173,558 DP (T)
2 3KH TE11 12||XH01 ALTA TEMP DEVANADO GENERADOR #12 84,724 DP (T)
3 3KH TE11 08||XH01 ALTA TEMP DEVANADO GENERADOR #8 84,598 DP (T)
4 3BA VIT32 G||XH01 ALTA VIBRACIÓN CHUMACERA #3 VTF 3A 27,911 DP (T)
5 3AE TE06 N||TAHH06 N MUY ALTA TEMP CHUM EMPUJE BAA 3B 2,564 PC (W)
6 3AE TE06 N||TAH06 N ALTA TEMP CHUM EMPUJE BAA 3B 2,226 DP (T)
7 3AP LSL302||XG51 BAJO NIVEL DEAREADOR 938 DP (T)
8 3BA TE32 C||XH01 ALTA TEMP CHUMACERA #2 VTF 3B 771 PC (W)
9 3BA PIT441 S||XH03 MUY ALTA PRESIÓN DE CAJA AIRE 739
10 3BA TE32 C||XH03 MUY ALTA TEMP CHUM #2 VTF 3B 705 CR (A)
* Prioridades de alarmas existentes en histórico = CR (A), PC (W) y DP (T)

Tabla 4. Ejemplo de las 10 alarmas más frecuentes.

Conclusiones

A lo largo del tiempo, en las diferentes industrias de procesos alrededor del mundo, se fueron suscitando diversos accidentes catastróficos que propiciaron la necesidad urgente del desarrollo de una metodología para lograr una gestión eficaz de los SA.

En las CGE, la implementación de la metodología de GSA ha representado un trabajo arduo y laborioso, pero ha traído consigo múltiples beneficios, obteniéndose una alta rentabilidad técnica y económica al rescatar las ventajas tecnológicas que poseen los SCI (SCD´s, SCADA´s o PLC´s) modernos con que se cuenta en las centrales. Los diversos beneficios obtenidos al implantar dicha metodología han traído consigo ahorros sustanciales en la operación de las unidades, ya que con esto se mejora la confiabilidad de las centrales, aumentando el desempeño, la precisión en los márgenes de operación y la disponibilidad de la planta, impactando en un incremento en la generación de energía eléctrica.

El camino a seguir para lograr el mejoramiento de los SA implica el desarrollo, a cabalidad, de las fases del ciclo de vida de la gestión de alarmas, las cuales se deberán abordar de acuerdo al estado de avance en el que se encuentre la central, es decir, si va a ser una instalación nueva de la que se esté planeando su construcción, una instalación en proceso de modernización, o una ya modernizada, y un punto trascendental a considerar es el determinar qué nivel de desempeño posee el SA. No será el mismo abordaje para una central con un nivel Sobrecargado, o una que se encuentre en el nivel Estable con miras a alcanzar el nivel Robusto. Al final del camino se tendrá como resultado que las ventajas que se logren con el mejoramiento de los SA, al migrar del nivel Sobrecargado al Estable, y por último alcanzar el nivel Robusto, propiciarán la optimización operativa de las CGE.

Cabe resaltar que el análisis de la información que se puede obtener de los SA permitirá mantener al sistema en el nivel de desempeño alcanzado, con los beneficios asociados que esto implica, y al mismo tiempo potenciará ventajas adicionales en la mejora de los procesos operativos. Asimismo, reforzará los programas de mantenimientos correctivos y predictivos de las CGE, pero también es importante mencionar que, de acuerdo a las normas de referencia, cualquier SA en donde no se lleve a cabo la fase de Monitoreo continuamente, el nivel de desempeño tenderá a su degradación con el paso del tiempo, por lo que es trascendental no desatender el sistema.

Trabajos realizados en el INEEL en el tema de gestión de sistemas de alarmas

Desde el año 2009, el INEEL ha venido desarrollando proyectos para los diferentes tipos de centrales de la CFE a lo largo de todo el país, en el tema de gestión de sistemas de alarmas. De junio a diciembre del 2009 se llevó a cabo el proyecto 13777: "Gestión inteligente de sistemas de alarmas en unidades generadoras". De julio del 2010, a diciembre del 2013, el proyecto 14003: "Gestión inteligente de sistemas de alarmas en unidades generadoras ETAPA II: Diseño y reconfiguración de los sistemas de alarmas actuales". De febrero del 2014, a marzo del 2017, el proyecto 14600: "Gestión inteligente de sistemas de alarmas en unidades generadoras ETAPA III". De abril del 2017, a diciembre del 2019, el proyecto 14922: "Gestión inteligente de sistemas de alarmas en unidades generadoras. Etapa IV".

Reconocimientos

Se reconoce la participación y el apoyo incondicional de los ingenieros Juan Antonio Fernández Correa, Jorge Obed Guevara Madrigal y Manuel Picos García, contrapartes técnicas y administrativas de la Subdirección de Negocios No Regulados (SNNR) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), quienes nos brindaron su confianza, mostrando siempre un amplio interés en promover el desarrollo e investigación de este tipo de proyectos, en la búsqueda constante en equipo INEEL-CFE para lograr el mejoramiento de los procesos en todos los tipos de centrales generadoras de la CFE. Además, se agradecen sus valiosos comentarios, coordinación con el personal de las centrales y seguimiento de las actividades en el transcurso del proyecto.

Autor:
Leonardo Reyes Gutiérrez, lreyes@ineel.mx