Simuladores de unidades de generación eléctrica para capacitación avanzada

La importancia de los simuladores de unidades de generación eléctrica

Los primeros simuladores para adiestramiento de operadores de centrales eléctricas se construyeron en la década de 1960 en Estados Unidos y Japón. Antes de esa fecha, los operadores experimentados capacitaban "en el trabajo" al nuevo operador transmitiéndole sus experiencias en la operación normal de la central real, pero difícilmente lo capacitaban en las situaciones anormales de operación, cuando se necesita actuar con rapidez para mantener la central en condiciones seguras.

En la década de 1970 las centrales nucleoeléctricas -las que generan electricidad a partir del calor liberado por una reacción nuclear de fisión en cadena- ya utilizaban los simuladores para capacitar a su personal, a pesar de ello, en 1979 ocurrió un accidente en la central nucleoeléctrica de Three Mile Island (TMI), localizada en Pensilvania, Estados Unidos, la cual liberó radiactividad a la atmósfera, lo que impulsó el crecimiento de la industria de los simuladores, ampliando, además, su aplicación a las centrales eléctricas de combustibles fósiles (las que generan electricidad a partir de la combustión del carbón, gas o petróleo).

Los operadores de la central nucleoeléctrica TMI tenían claro el procedimiento a seguir en caso que ocurriera una falla grave en la central, pero lo que ocurrió en 1979 fue una combinación de fallas menores del equipo, deficiencias de diseño, procedimientos mal escritos, comunicación deficiente y adiestramiento limitado de los operadores y supervisores que atendieron el desastre.

El conjunto de eventos empezó con una válvula de alivio operada con piloto que no cerró: una luz indicadora en el panel de control mostró que se había enviado una señal a la válvula para que cerrara, y el operador supuso que cerró, pero la válvula se había atorado y no cerró. El personal de operación de TMI (operadores, ingenieros y supervisores) no estaba preparado para los eventos que ocurrieron, por lo que tomaron decisiones inadecuadas y realizaron acciones incorrectas que ocasionaron que lo que debería haber sido un incidente menor se convirtiera en el accidente de TMI.

El reporte sobre el accidente de TMI que elaboró la Comisión de la Presidencia de Estados Unidos hizo varias recomendaciones importantes sobre adiestramiento y uso de simuladores, entre ellas:

Después de que ocurrió el accidente de TMI, se incrementó el número de simuladores, pero eso no ocurrió en la entonces Unión Soviética, quienes sólo tenían uno en Novovoronezh. Se había aprobado un acuerdo para construir un simulador para un reactor del tipo que estaba en operación en la central nucleoeléctrica de Chernóbil, pero nunca se construyó. Después del desastre nuclear de Chernóbil de 1986, el periódico Pravda preguntó: ¿Cómo podemos adiestrar a los operadores si no tenemos aparatos de adiestramiento? Si los operadores de Chernóbil se hubieran adiestrado en un simulador, es poco probable que ellos hubieran realizado las desafortunadas maniobras que cometieron.

Características de los simuladores de unidades de generación eléctrica

El diccionario Oxford define un simulador como "una máquina diseñada para proporcionar una imitación realista de los controles y la operación de un vehículo, una aeronave u otro sistema complejo, utilizada para propósitos de adiestramiento". En el caso que ahora nos ocupa, ese sistema complejo es una unidad de generación eléctrica (UGE). En forma simplificada, el simulador de una UGE (Figura 1), consiste de un sistema compuesto de una interfaz hombre-máquina (IHM) que replica las consolas de operación de la UGE real, y una computadora que ejecuta los modelos matemáticos que replican el desempeño de la unidad generadora, y que también ejecuta y administra todas las tareas requeridas por el simulador. Así pues, estos simuladores se basan en la modelación matemática de los sistemas dinámicos de la UGE y la respuesta de la unidad simulada es prácticamente igual en tiempo e indicaciones a la respuesta obtenida en el cuarto de control de la central real (Fotografía 1). El simulador contiene exactamente los mismos controles de procesos e IHM que el operador encontrará en la sala de control real, y solo los procesos físicos en sí son simulados por la computadora. Cabe hacer notar que si el sistema de control es emulado, es común utilizar un CPU (Unidad Central de Procesamiento, el hardware dentro de una computadora que interpreta las instrucciones de un programa computacional) adicional para su ejecución, pero si el sistema de control es traducido, los controles son otro modelo matemático más que se ejecuta con los otros modelos del proceso. Las sesiones de capacitación en el simulador generalmente son guiadas por un instructor que supervisa las actividades de los alumnos.

La principal ventaja de un simulador que se utiliza como una herramienta para adiestramiento es que el operador no necesita tocar la unidad real para aprender a operarla en una amplia variedad de posibles escenarios, lo que incluye la operación normal como el arranque y el paro de la unidad, así como escenarios de funcionamiento inadecuado, en el cual el alumno practica las acciones operativas adecuadas cuando en la unidad simulada ocurren eventos como ruptura de tubos o instrumentación defectuosa. Así pues, los operadores utilizan el simulador para practicar los procedimientos tanto de operación normal de la unidad como en las condiciones de falla, pero los errores operativos cometidos durante las sesiones de capacitación con un simulador tienen un bajo costo y proporcionan lecciones de alto valor, en cambio, las consecuencias de los errores del operador cometidos durante la operación real de la unidad pueden variar desde ligeras hasta catastróficas.

De acuerdo con los objetivos del adiestramiento y del hardware disponible, existen diferentes tipos de simuladores:

1. Simuladores de alcance total. Se definen como un duplicado exacto del cuarto de control de la central eléctrica y contienen duplicados de todos los controles, instrumentos, paneles e indicadores reales. Las respuestas de la unidad simulada en este equipo son idénticas en tiempo y en indicación a las respuestas recibidas en el cuarto de control de la central real bajo condiciones similares. El adiestramiento integral que se obtiene utilizando un simulador de alcance total es, obviamente, mucho mayor que el que se obtiene con otro tipo de simulador, ya que el operador se capacita en un ambiente que es idéntico al del cuarto de control real; tales simuladores se reconocen como el único método realista para proporcionar adiestramiento directo y en tiempo real a los operadores, aunque su costo es elevado debido al software de simulación de alta fidelidad que debe desarrollarse.

Sin embargo, los avances recientes en potencia y en confiabilidad de las computadoras, así como en una variedad de interfaces gráficas, combinada con una búsqueda continua para disminuir costos, ha ocasionado que las centrales eléctricas hayan remplazado sus antiguos paneles de control por una red de área local de computadoras personales con interfaces gráficas de usuario, por lo que las centrales nuevas o modernizadas tienen una IHM donde todas las acciones de operación y supervisión se realizan mediante diagramas interactivos de procesos. Lo anterior obliga a que los simuladores de adiestramiento también utilicen una IHM idéntica a la de la central real (Fotografía 2).

2. Simuladores de tarea específica. Se representan con las características de un simulador de alcance total, pero se enfocan sólo en sistemas específicos de la UGE, de tal manera que se incluye el modelado matemático de los sistemas de referencia de la unidad y se duplica sólo una parte del cuarto de control real con todas las señales principales de instrumentación, control y alarmas. Los sistemas que no se incluyen en la IHM se simulan con un alcance reducido o no se simulan, y se consideran siempre ?en servicio? sólo para satisfacer las interacciones con los sistemas principales. Un ejemplo de uno de estos equipos es el simulador de tarea específica para adiestrar operadores en el rodado de la turbina de vapor. Estos simuladores son útiles para mejorar el conocimiento y proporcionar adiestramiento en áreas particulares de la central eléctrica y, algunas veces, son portátiles y pueden transportarse al sitio de las centrales.

3. Simuladores compactos. Estos simuladores generalmente son genéricos, lo que significa que reproducen el comportamiento de una UGE específica, pero la potencia nominal y la IHM para el alumno no necesariamente son las mismas de la unidad real. Estos simuladores incluyen modelación matemática de amplio alcance que permite simular las condiciones de la unidad desde el arranque frío hasta la potencia nominal, por lo que se utilizan principalmente para adiestrar al operador nuevo y al personal de campo. Con la potencia actual de las computadoras modernas, el simulador de una UGE completa puede instalarse en una computadora portátil y transportarse fácilmente, el problema es que el alumno pueda utilizar el simulador debido a que su interfaz es diferente a la que está habituado.

4. Simuladores de salón de clases. Estos simuladores generalmente incluyen modelación matemática detallada y se pueden dividir en dos grupos: paneles virtuales y multiusuario. Los simuladores con paneles virtuales se basan en una representación de la IHM en forma gráfica y son una alternativa de bajo costo para otros simuladores que requieren utilizar los tableros del cuarto de control, por lo que se utilizan preferentemente en las centrales nucleares debido al gran número de paneles de control de dichas centrales. Los simuladores multiusuario se instalan en una red de área local y se utilizan como un complemento de los cursos de adiestramiento para operadores de centrales de combustibles fósiles.

5. Simuladores con realidad virtual. Con el incremento de la capacidad de procesamiento, la velocidad computacional, los avances en la tecnología de las computadoras y la sofisticación del modelado, ahora es factible desarrollar sistemas basados en realidad virtual y realidad aumentada; tales sistemas implementan interfaces de hardware que proporcionan una experiencia más estimulante al alumno mediante la experimentación de sensaciones ?realistas?. En un simulador dinámico disponible puede implementarse un visor tridimensional para adiestrar al personal de mantenimiento en operaciones locales, y complementar el programa de adiestramiento real con la visión tridimensional de equipo como turbina, caldera, generador eléctrico, etcétera.

6. Simuladores web. Con los nuevos paradigmas computacionales de internet y el cómputo en la nube, los simuladores de adiestramiento necesitan adaptar sus plataformas para soportar interfaces gráficas adecuadas para el usuario final e implementar los mecanismos de comunicación de internet denominados servicios web. Como resultado de este proceso, se obtiene una interfaz de usuario web que permite interactuar con un simulador desde una ubicación remota vía una IHM con características similares a las de cualquier otro simulador del mismo alcance. De tal manera que el simulador está disponible para cualquier computadora con una conexión a internet y un explorador web, con los plugins requeridos por la aplicación y con los servicios proporcionados por el cómputo en la nube. Este simulador permite adiestrar de manera remota a un gran número de operadores sin necesidad de transportar personal al centro de adiestramiento, ni transportar el simulador a diferentes lugares o adquirir el simulador.

Arquitectura del hardware y del software de un sistema de simulación

Para un simulador de alcance total, el hardware requerido puede ser muy variable dependiendo del tamaño del simulador y del equipo usado (PCs, servidores, etc.). Un ejemplo del hardware requerido podría consistir de cuatro computadoras personales (PC) interconectadas mediante una red de área local de Ethernet rápida; cada PC debe tener el procesador y la memoria requerida para ejecutar con fluidez el simulador y para apoyar las funciones que demandan alto procesamiento, como la ejecución más rápida que en tiempo real. Los monitores de las consolas del operador deben ser de un tamaño similar a los de la central real para una mejor experiencia del usuario. Durante la sesión de adiestramiento, el alumno puede utilizar cualquiera de sus consolas para supervisar y controlar cualquier proceso de la central. La consola del instructor tiene la capacidad para que además de aplicar las funciones de instrucción (e.g. fallas y acciones remotas), él puede desplegar cualquier pantalla de las consolas del operador para vigilar cualquier acción operativa realizada por el alumno.

El software de simulación se diseña con el propósito de que la respuesta del simulador sea comparable con los resultados observados en la central de referencia bajo condiciones similares. Como es de esperarse, además de los modelos matemáticos se requiere el software de ejecución o ambiente de simulación. En términos generales, la arquitectura del software del ambiente de simulación consiste de cuatro partes: el ejecutivo en tiempo real, el módulo del operador, el módulo de la consola del instructor y los modelos matemáticos. Cada uno de estos módulos puede hospedarse en la misma o en diferente PC, y se conectan bajo un sistema operativo, ya sea Windows, Linux o Unix, por ejemplo.

La consola del operador emula vía software las consolas de la central real, lo que representa una opción de menor costo comparada con la adquisición de dichas consolas; de esta manera, la imitación gráfica de la IHM real proporciona una interfaz adecuada de operación. Ésta IHM es una aplicación gráfica que se basa en un ambiente de ventanas múltiples con diagramas interactivos del proceso.

Otro aspecto importante que debe observarse es la fidelidad del simulador, la cual refleja la complejidad y precisión de la simulación de los procesos físicos de la central, y se basa principalmente en el seguimiento de un grupo de variables (por ejemplo: flujo, presión y temperatura) denominadas parámetros críticos. Estos parámetros se relacionan con los principios de conservación de masa y energía de la central, son de primordial importancia y se seleccionarán sólo si pueden medirse con precisión, entre ellos están el flujo, la presión y la temperatura de vapor principal y la potencia eléctrica. Cualquier otra variable que no sea seleccionada como parámetro crítico y que sea observable en la IHM del operador se denomina "no crítica". De acuerdo con la clasificación anterior, puede evaluarse el desempeño (fidelidad) del simulador con base en la variación máxima de los valores de los parámetros observados tanto en el simulador como en la central real, permitiéndose normalmente una variación del 1% o 2% en dichos parámetros críticos.

La fidelidad del simulador generalmente se describe como baja, media o alta, siendo los simuladores de alta fidelidad los mejores y más realistas, aunque también son los de costo más elevado, como se observa en la Tabla 1.

	Fidelidad baja	Fidelidad media	Fidelidad alta
Beneficios	Costo más bajo, tiempo de entrega más breve.	Costo moderado, tiempo de entrega moderado, simulación de los procesos con mayor detalle, simulación del arranque y paro de la unidad.	Modelado de los procesos en forma detallada, experiencia más realista del operador para arranque, paro, operaciones dinámicas, incluye un gran número de fallas en los equipos.
Limitaciones	El modelo de los procesos es estático, es adecuado para adiestramiento básico en el proceso y familiarización con el uso de la IHM.	El modelo de los procesos simula en forma aproximada la respuesta dinámica del proceso y tiene un número limitado de fallas de equipos.	Elevado costo de inversión, mayor tiempo para construir el simulador.

Tabla 1. Beneficios y limitaciones de los simuladores con respecto al tipo de fidelidad.

Modelación matemática

En los simuladores de adiestramiento, los modelos matemáticos deben ser capaces de reproducir, de manera dinámica, el comportamiento de la unidad en cualquier operación factible, lo que incluye estados estacionarios desde el arranque en frío de la unidad hasta la generación a plena carga, y estados transitorios como parte de la operación misma o por funcionamiento inadecuado. La mejor manera de lograr esto es utilizando las técnicas de modelado físico donde siempre se cumple la conservación de la masa, del momento y de la energía.

Dependiendo de su complejidad y sin importar el método de simulación seleccionado, los modelos matemáticos están constituidos por ecuaciones algebraicas lineales, ecuaciones algebraicas no lineales, ecuaciones diferenciales o una combinación de ellas. Dichas ecuaciones se resuelven por diversos métodos, pero debe considerarse que sin importar el método de solución seleccionado o las herramientas computacionales utilizadas para la integración de un simulador de adiestramiento, los modelos matemáticos deben proporcionar una respuesta realista y consistente en un amplio rango de operación de la unidad simulada.

El sistema de control distribuido (SCD) de una central eléctrica consiste de un grupo de controles lógicos programables donde todos los algoritmos de control se ejecutan de manera automática; dicho SCD es muy complicado e involucra varios miles de señales y cientos de diagramas. Uno de los métodos más viables para simular el SCD es traducir los algoritmos de control de la unidad real, lo que garantiza una reproducción total de todos los lazos de control, alarmas y señales a la IHM.

La función del instructor en los programas de adiestramiento y los beneficios de los simuladores

El instructor de una sesión de adiestramiento es el responsable de dirigir y supervisar a los alumnos. Las funciones del instructor dependen del tipo de simulador y del nivel de conocimiento de los alumnos, por lo que el instructor debe balancear la complejidad de las prácticas de adiestramiento con las necesidades de los alumnos, y proporcionarles explicaciones e información adicional para que logren una comprensión completa de los fenómenos involucrados. La consola del instructor es su interfaz mediante la cual conduce la sesión de adiestramiento. Además de las prácticas en el simulador, el programa de adiestramiento generalmente incluye lecciones en el salón de clases.

Una herramienta computacional que está aplicándose en algunos simuladores son los sistemas expertos, los cuales son programas computacionales que incorporan una gran cantidad de conocimiento en un campo muy específico y se utilizan para proporcionar asesoría o para resolver problemas. De acuerdo a las capacidades de dichos sistemas, se ha explorado su uso en los simuladores de adiestramiento con el objetivo de minimizar la función del instructor, lo que resulta en un simulador de adiestramiento autónomo que incluye el simulador de la unidad, un tutor inteligente para guiar la sesión de adiestramiento y la evaluación del alumno, además de material de estudio en algún formato de multimedia como soporte teórico para los objetivos del adiestramiento.

Entre los beneficios que se obtienen al utilizar simuladores para adiestramiento de centrales eléctricas pueden citarse los siguientes:

En una evaluación realizada con el primer simulador para centrales eléctricas construido en México, se estimó que los ahorros obtenidos por el incremento de la disponibilidad de las centrales, por la eficiencia térmica, la durabilidad de los equipos y la capacitación de personal resultan en una relación beneficio/costo de 5.28, lo que justifica ampliamente la inversión realizada en ese simulador.

El Centro Integral de Capacitación

Cualquier simulador por sí mismo no garantiza una capacitación exitosa del alumno, por lo que es necesario tener un sólido programa basado en un método sistemático de adiestramiento (MSA) que permita maximizar los beneficios del simulador mediante una formación organizada e integral que optimice el aprendizaje de los operadores con el uso del simulador.

Un sistema de capacitación de excelencia debe basarse en el MSA de operadores y el simulador para adiestramiento debe estar inmerso en él, considerando al simulador no como una herramienta más sino como parte fundamental del MSA. El MSA consiste en un proceso de mejora continua cuyas tareas fundamentales son: analizar los objetivos del adiestramiento; diseñar el plan de capacitación de acuerdo con las herramientas con que se cuente; desarrollar el material de instrucción, los escenarios del simulador y el programa de seguimiento del sistema tutorial para los alumnos; revisar y adquirir nuevo material didáctico y preparar a los instructores en el área pedagógica; integrar todas las herramientas en un programa congruente que las explote de la manera más conveniente; poner en acción el programa de capacitación; evaluar cada parte del programa y su eficacia global, e identificar e implantar las posibles mejoras surgidas de la evaluación.

Siguiendo este concepto se asegura que los operadores queden preparados de la mejor manera posible para realizar su trabajo.

Experiencia del INEEL en el desarrollo de productos para la capacitación avanzada

Desde 1980 el Instituto de Investigaciones Eléctricas, ahora Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), fue pionero en América Latina en la construcción de simuladores de centrales eléctricas, por lo que cuenta con 40 años de experiencia desarrollando una diversidad de productos para apoyar la capacitación avanzada del capital humano que demanda el sector energético. Entre los diversos proyectos realizados al respecto destacan los siguientes:

Autor:
Armando Moreno Almaraz, RevistaTransicionE@ineel.mx
Revisado por:
José Antonio Tavira Mondragón, jatavira@ineel.mx