Este documento presenta un diseño conceptual del sistema SCADA para controlar una central hidroeléctrica. Se describen los componentes del sistema, incluyendo sensores, actuadores y buses de comunicación para controlar los sistemas hidráulico, HPU, de lubricación, aire comprimido, ventilación, agua y drenaje e incendios. El diseño propuesto utiliza PLCs, RTUs y un MTU central para supervisar y controlar las variables mediante Profibus DP y FMS.

1. Flores María
Suquillo Alexander
Torres Jhon
Tuárez Diego
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
TEMA: Instrumentación de una represa hidroeléctrica mediante el sistema SCADA
OBJETIVOS:
• Aplicar cada uno de los conocimientos aprendidos de manera teórica para resolver
el problema planteado.
• Conceptualizar el sistema SCADA del problema e indicar los sensores, actuadores y
buses de datos que se utilizarán para el sistema de control.
1. INTRODUCCIÓN
Se planea realizar un diseño conceptual del sistema SCADA para una central
hidroeléctrica, así como de una estrategia que permite la automatización de este sistema
en los procesos de arranque, sincronización, interconexión, operación y desconexión. El
presente documento abarca un diseño de concepto de los componentes a utilizarse, el
intercambio de información.
Para esto se han especificado la utilización del sistema SCADA, que se conceptualiza
con lo aprendido en clase y debe brindar una solución fuerte y confiable del problema a
resolver.
2. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA
El sistema de control distribuido buses de comunicación SCADA (sistema de adquisición
de datos y supervisión) de una central hidroeléctrica.
Longitud: 160 m
ALTURA MAX: 60 m
Ancho: 7m
Figura 1 Esquema de la Represa hidroeléctrica
Se pide desarrollar:
❖ Definir energía en KWh, en el año y cuál es el funcionamiento de las turbinas
❖ Definir como controlar las variables
o Salida: Potencia y velocidad
o Entrada: caudal con los alabes directores
o Perturbaciones: la variación de la carga
❖ Definir instrumentos de control y medida (alarma) para HPV (unidad hidráulica de
potencia)

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Tuárez Diego
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3. DESARROLLO
3.1. Definir energía en KWh, en el año y cuál es el funcionamiento de las turbinas
Tabla 1 Energía en KWh para el funcionamiento de las turbinas
Figura 2 Caudal en cada mes
3.2. Definir como controlar las variables
Tiempo
[meses]
Caudal
[m^3/s]
Potencia eléctrica
de la turbina 1 [W]
Potencia eléctrica
de la turbina 2 [W]
Potencia
Total [W]
Potencia
Total
[KWh/mes]
1 Enero 60 16740000 16740000 33480000 24105600
2 Febrero 58 16182000 16182000 32364000 23302080
3 Marzo 46 12834000 12834000 25668000 18480960
4 Abril 46 12834000 12834000 25668000 18480960
5 Mayo 46 12834000 12834000 25668000 18480960
6 Junio 40 11160000 11160000 22320000 16070400
7 Julio 35 9765000 9765000 19530000 14061600
8 Agosto 35 9765000 9765000 19530000 14061600
9
Septiem
bre
15
4185000 4185000
8370000 6026400
1
0
Octubre 23
6417000 6417000
12834000 9240480
1
1
Noviemb
re
38
10602000 10602000
21204000 15266880
1
2
Diciembr
e
48
13392000 13392000
26784000 19284480
Potencia
Total
[KWh/año]
196862400
60 58
46 46 46
40
35 35
15
23
38
48
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q(m^3/s)
Mes
Caudal en cada mes

3. Flores María
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1) SISTEMA DE LUBRICACIÓN
Cojinetes:
Salida 55 -70°C
Entrada: 44-45°C
P=120 Psi
Los grados de viscosidad 150 VG 100(recomendado)
• Válvula de regulación de presión P 2000-120 A-E30
✓ Dos solidos
✓ P= 120 Psi
✓ Tensión: 0.5-4.5 VDC
✓ Amperaje: 5mA
✓ Presión< 0.5%
• Sensor de temperatura y humedad
✓ Analógico:4-20mA
✓ Tensión: 9-33 VDC
✓ Rango: 20-100°C
✓ Conexión directa/LDH100
Indicadores
• Caudal
✓ 0.05 -15 H/min
✓ Precisión 1-2%
✓ Efecto Hall
✓ salida pulsos
✓ 10 bares (145 psi9
✓ Tensión de 4-24 VDC
✓ Temperatura;25-125 °C
• Nivel
✓ Presión: 10 bares
✓ T: 100 °C
✓ Longitud: 200mm -2000mm
✓ Digital de tres solidos
✓ V: 10-10 V
✓ Amperaje: 4mA-20mA

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Figura 3 Elementos del sistema de lubricación
Figura 4 Control del sistema de lubricación

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2) SISTEMA HPU
SENSORES
• SENSOR DE PRESIÓN
✓ Piezoeléctrico
✓ Voltaje: 0-10V
✓ Amperaje: 4-24 mA
✓ Rango: 0-5000 psi
✓ Precisión: ± 5%
• SENSOR DE TEMPERATURA
✓ RTD
✓ Rango: 0-100 °C
✓ Precisión: ± 2%
• INDICADORES
Nivel
• ACTUADORES
Electroválvulas
Figura 5 Elementos del sistema HPU

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Figura 6 Control del sistema HPU
3) SISTEMA DE CONTROL DE INCENDIO
SENSORES
• Sensor de humo óptico
• Sensor de gas (concentración CO, CO2)
• Sensor de presión
INDICADORES
• Indicador de nivel
• Indicador de alarmas
• Presostato
ACTUADORES
• Electroválvula
Figura 7 Elementos del sistema de control de incendio

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Figura 8 Control del sistema del control de incendio
4) SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO
Figura 9 Elementos del sistema de aire comprimido
Figura 10 Control del sistema de aire comprimido

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SENSORES
• Presión
- Transmisor piezoeléctrico: 0-200 psi
Posición: ±1%
INDICADORES
• Apertura de las válvulas de salida
- Manómetro rango: 0-200 psi
ACTUADORES
• Sistemas de válvulas
• Válvula: variador de velocidad
5) SISTEMA DE VENTILACIÓN
Figura 11 Control del sistema de ventilación
SENSORES
• Temperatura NTC
- Rango: -25-125 °C
- Precisión: ±5 %
• Sensor de concentración de CO2: 0-350 ppm
• Sensor de velocidad: 0-15 m/s

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6) SISTEMA DE AGUA POTABLE Y DRENAJE
Figura 12 Elementos del sistema de agua potable
Figura 13 Control del sistema de agua potable
AGUAS RESIDUALES
Figura 14 Control del sistema de aguas residuales
INDICADORES
• Captado de presión
- Precisión: ±1%
- Rango: 0-30psi
3.4 MTU del sistema
Unión Terminal Maestra
Es el ordenador principal del sistema en general el cual supervisa y recoge toda la información
de las demás subestaciones y envía esta información a una RTU para ejecutar la acción de
control. Me permite, además un almacenamiento de los datos obtenidos.
Para este sistema ubicaría el MTU en una casa de máquinas cerca de la estación de válvulas,
ya que la presa, el reservorio de riego y la planta de agua potable se encuentran a una
distancia lejana y para cualquier tipo de mantenimiento o emergencia ubicarla en un punto
medio agilita el control y la pronta acción en caso de existir algún problema.
Se puede ubicar otra computadora de respaldo, la cual está en línea con la computadora
principal, esto me permite optimizar el completo control del sistema si ocurriere una falla en
la matriz principal.

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Componentes principales
Módulo de software especializado para cada tipo de estación: Permite la recolección de
datos, procesamiento y almacenamiento, despliegue de alarmas, generación de los reportes
y los envíos de los comandos a cada una de las estaciones.
- Estacón de bombeo
- Estación de válvulas
- Presa
- Reservorio de riego
- Planta de agua potable
Se lo puede ejecutar mediante dos tipos de software: Bajo y alto
El software a utilizarse es ejecutado mediante Windows con un soporte operativo
OS/2.
Sistema de alarmas: Se encargará del monitoreo y del reporte de las condiciones
anormales de funcionamiento. Puede ser de señal analógica o digital
Se incorporará la opción ALARM SUMMARY el cual permite observar un listado de
todas las señales de las alarmas.
Sistema de tendencias: Me mostrará gráficamente el comportamiento de las variables
analógicas de cada una de las subestaciones que posean variables analógicas, esto lo hará
en un determinado tiempo.
En los MTU se ejecuta el software del servidor bajo un sistema operativo en tiempo real,
multiusuario y multitarea que mediante una interfaz gráfica de ventana se puede visualizar el
almacenamiento de datos.
3.5 RTU del sistema
Unión Terminal Remota
Son ordenadores que están ubicados en nodos estratégicos del sistema, gestionan y
controlan las subestaciones mencionadas al inicio del problema.
Reciben las señales provenientes de los sensores y ejecutan los elementos finales de control
del sistema SCADA. Permite que el MTU se comunique con los instrumentos en cada una de
las estaciones.
Componentes principales
Software: Utilizar un sistema operativo en tiempo real, un controlador que permita una
conexión directa con el MTU, de igual manera controladores con las entradas y salidas de los
dispositivos de campo.
CPU y memoria RAM: Adquirir un equipo capaz de soportar el trabajo y que tenga una
memoria RAM con la capacidad suficiente para el trabajo.
Memoria interna: Obtener una memoria volátil para grabar programas y datos.
Puertos/módems: Para una fácil comunicación interna.
Reloj en tiempo real: El sistema con cada uno de sus sub-sistemas deben trabajar en tiempo
real, de igual manera el ingreso de datos y el posterior control en casos de mal funcionamiento
o daños que necesiten una acción correctiva rápida.

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3.6 Esquema de ubicación de los sistemas en la pirámide de automatización
Figura 15 Pirámide de automatización
1. GRUPO I
Sistemas Hidráulico
• Sensores RTD
• Transmisores de presión- Carga Eléctrico
• Indicadores: Sensor de nivel
Figura 16 Sensores del sistema hidráulico
Sistema HPU
• Sensores de presión Piezoeléctrico
• Sensores LTD
• Indicadores de mira de nivel
DIERECCIÒNDE
LA
PRODUCCIÒN
SCADA
PROFIBUS DP/ PROFIBUS FMS
GRUPO I / DRUPO II / GRUPO III

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Figura 17 Sensores del sistema HPU
2. GRUPO II
Sistema de enfriamiento de aceite
• Sensor óptico
• Indicador de nivel
• Indicador tipo fluxómetro
Figura 18 Sensores del sistema de enfriamiento de aceite
Sensores de aire comprimido
• Sensor de presión piezoeléctrico
• Indicador de apertura de válvula de salida
• Actuador de sistema de alarma
• Actuador para válvula
Figura 19 Sensores de aire comprimido
Sistema de ventilación
• Sensor NTC
• Sensor de concentración de dióxido de carbono
• Sensor de velocidad

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Figura 20 Sensores del sistema de ventilación
3. GRUPO II
Sistema de agua potable y drenaje
• Sensor para electroválvula
• Captador de presión
Figura 21 Sensores del sistema de agua potable y drenaje
Sistema de control de incendios
• Sensor de humo óptico
• Sensor de gas (CO, CO2)
• Sensor de presión
• Indicador de nivel
• Alarmas
• Actuador de alarma
Figura 22 Sensores del sistema de control de incendios
Profibus – DP
Optimizado para aplicaciones de velocidad y bajo costo, orientado a sensores y actuadores
en los sistemas SCADA y PLC’s o terminales.
Velocidad de comunicación de 1600 bps a 12 Mbps
Figura 23 Profibus-DP

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Profibus- FMS
Brinda una mayor velocidad de transferencia de información de 9,6 Kbps (Kilobyte por
segundo), a 1500 Kbps sobre distancias superiores a 100 Km
Figura 24 Profibus -FMS
3.7 Sistemas automatizados de control
• Medidores de presión a la entrada de la turbina
Medidor de presión con tratamiento previo, llevando la señal al Plc.
Figura 25 Esquema entrada y salidas medidor de presión entrada de turbina
• Sensor de velocidad
Mediante un sensor de proximidad inductivo con el efecto Hall, ubicado cerca del eje del
generador, con una salida a pulsos en una entrada digital.
Figura 26 Esquema entrada y salida del sensor de velocidad

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• Sensor de temperatura
Ubicado en el estator del generador, se lo puede controlar con termo resistencias.
Figura 27 Esquema entradas y salidas sensor de temperatura
3.8 Buses de comunicación entre los componentes de control
Figura 28 Componentes de control
Para grandes extensiones, en este caso tomando como referencia la casa de máquinas
situada cerca de la estación de válvulas se utilizaría el bus PROFIBUS FMS, ya que me
permite la transmisión de datos en extensas distancias y entre PCs de mando.
4. Definir instrumentos de control y medida (alarma) para HPV (unidad hidráulica de
potencia)
Como principio de funcionamiento se puede decir que un HPV abastece de aceite al circuito
hidráulico con una presión y caudal adecuados para su correcto funcionamiento y mantenerlo
libre de suciedad y contaminantes. Generalmente cada unidad alimenta una sola máquina,
pero en ciertas ocasiones, puede alimentar un conjunto de ellas que guarden una relación o
que estén cercanas.
En donde, los componentes principales de la unidad de potencia hidráulica incluyen un motor
eléctrico, bombas de combustible, válvulas hidráulicas, acumuladores de energía, y más.

16. Flores María
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Figura 29 HPV
Teniendo en cuenta sus elementos y principio de funcionamiento se puede definir
instrumentos de control y medida tales como:
• Medidor de presión de aceite
Se debe tener en cuenta al leer sus valores que la presión correcta de aceite cambiara con
la velocidad del motor y con las distintas condiciones de funcionamiento. Verificando que
estos no sobrepasen los límites establecidos por el fabricante.
• Medidor de temperatura
Evitando y controlando posibles problemas de sobrecalentamientos relacionados con el HPV
• Medidor de acumulador de energía
Figura 30 Medidor de acumulador de energía
Haciendo capaz de detectar las diversas fugas en posibles zonas de escape de aceite.
Figura 31 Detector de fugas

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5. Identificar que parámetros se van adquirir en los sistemas de la presa
hidroeléctrica. Para cada sistema asignar que consignas se van a enviar al PLC o
Scada.
Tabla 2 Parámetros y consignas de la represa hidroeléctrica
Sistema Adquisición de datos Consigna
Sistema hidráulico
- Sensor de
temperatura RTD
- Sensor de presión
piezómetro
-Temperatura del lubricante
(analógico)
-Presión de trabajo en los
cojinetes (analógico)
- Temperatura del
lubricante (Scada)
-Indicador de nivel (PLC)
Sistema HPU
- Sensor de
temperatura RTD
- Sensor de presión
- Temperatura en la isla de
válvulas (analógico)
- Presión la isla de válvulas
(analógico)
- Indicador de nivel
(Scada)
Sistema de enfriamiento
de aceite
- Sensor de
temperatura
- Temperatura del lubricante
(analógico)
- Temperatura de
trabajo ideal (Scada)
Sistema de aire
comprimido
- Sensor de presión
- Indicador de
apertura de
puertas
- Manómetro
- Presión dentro de la caverna
(digital)
- Abierto/cerrado (PLC)
- Presión dentro de la
caverna(analógico)
- Presión (PLC)
- Scada
- Presión (PLC)
Sistema de ventilación
- Indicador de CO2
- Sensor de
temperatura
- Sensor de
velocidad
- Concentración de CO2
(analógico)
- Temperatura en el cuarto
(analógico)
- Velocidad de los ventiladores
(analógico)
-Concentración de
CO2(Scada)
- Temperatura (PLC)
- Velocidad (PLC)
Sistema de agua potable
- Indicador de nivel - Nivel de agua para las
instalaciones(analógico)
- Nivel (Scada)
Sistema de control de
incendios
- Sensor de humo
- Sensor de gas
- Concentración de CO
(analógico)
- Concentración de CO
(analógico)
- Concentración de CO
(Scada)
- Concentración de CO
(Scada)
Sistema turbina-
generador
- Sensor de
velocidad
- Sensor de presión
- Sensor de caudal
- Velocidad del eje del
generador (analógico)
- Presión en la turbina
(analógico)
- Caudal en la entrada de la
turbina(analógico)
- Velocidad (PLC)
- Presión (PLC)
- Caudal (PLC)

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6. Identificar un programa de optimización de ingeniería para la hidroeléctrica
Se puede implementar el programa Test Stand siendo un software de gestión de pruebas
estándar de la industria que ayuda a los ingenieros de pruebas o validación y desplegar
sistemas de prueba automatizados más rápidamente. Ayudando al control de procesos
mediante una interfaz gráfica la cual muestra el desarrollo de los mismo dentro de la industria.
Otro programa que nos permitirá controlar parámetros en los sistemas es el software ANSYS,
el cual permite realizar análisis y simulaciones de temperatura, caudal, humedad, cambios de
sección y viscosidad en los sistemas de:
- Sistema de lubricación
- Sistema HPU
- Sistema de control de incendio
- Sistema hidráulico
- Sistema de ventilación
- Sistema de aire comprimido
- Sistema de enfriamiento de aceite
7. Identificar cual o cuales sistemas necesitan Trending.
1- Sistema de lubricación
- Temperatura
- Presión
- Grado de viscosidad
2- Sistema HPU
- Temperatura
- Presión
3- Sistema de control de Incendio
- Presión acumulador
4- Sistema hidráulico
- Caudal
- Cambio de sección
5- Sistema de ventilación
- Presión
6- Sistema de aire comprimido
- Control de humedad
7- Sistema de enfriamiento de aceite
- Temperatura
8. CONCLUSIONES
• Se pudo observar que solo algunos sistemas tienen una comunicación directa al Scada,
debido que el Scada solo manda consignas al o los PLC’s. Este sistema “amo-esclavo”
permite una comunicación más rápida entre sistemas.
• En la mayoría de sistemas estudiados se pudo observar que parámetros como la presión
y temperatura estaban presentes, esto facilito el proceso de elección de sensores e
indicadores.
• De acuerdo a la selección del medio de comunicación “Profibus” se provee una eficiencia
de trasferencia de datos/información a condiciones preestablecidas.
• La instrumentación realizada proveerá continuamente con retroalimentación, datos a
tiempo real del estado y funcionamiento de la planta.
• Para un control de procesos en el sistema SCADA se puede concluir el uso de un profibus
DP o de un profibus FMS ya que estos tienen una ventaja de velocidad de transmisión de
información y se puede utilizar para control de sistemas a grandes distancias, como el
caso de mediciones de grietas en las paredes de recubrimiento de la presa donde el
acceso del operador es casi nulo.

19. Flores María
Suquillo Alexander
Torres Jhon
Tuárez Diego
19
• Una implementación adecuada del sistema de instrumentación y de un correcto sistema
de comunicación influye en la medida de control de variables y de un adecuado
funcionamiento de cualquier control de procesos a nivel industrial.
• La aplicación del Sistema Scada me permite controlar de una manera más automatizada
mi sistema y mediante una máquina central MTU verificar cada uno de los datos
proporcionados por los sensores de la manera en la que se compartan cada una de las
subestaciones.
• La utilización de los sensores cuyo lenguaje puede ser analógico o digital proporcionará
datos en tiempo real del funcionamiento y si hubiere alguna acción correctiva los envía de
igual manera en tiempo real para evitar el daño, mal funcionamiento y esto también
mediante un sistema de alarmas.
9. RECOMENDACIONES
• Identificar subsistemas que influyan directamente al sistema principal, de esta forma se
puede instrumentar cada subsistema teniendo en cuenta que parámetros se deben
controlar.
• Realizar un programa de mantenimiento preventivo y predictivo para conocer cuáles
serían las futuras fallas y averías del sistema. Además de tener repuestos para fallas con
mantenimiento correctivo
• Mediante un análisis de las variables a controlar de cada uno de los sistemas que influyen
en la represa se puede obtener información previa para la colocación de los sensores e
indicadores dentro de la misma.
• Tratar de seleccionar la cantidad de sensores necesarios y de igual manera los
actuadores, estos deben ser los indicados y que deban cumplir con su función específica.
10. BIBLIOGRAFÍA
✓ Chavarría, L. (13 de octubre de 2007). Scada System's & Telemetry. Obtenido de
https://www.aiu.edu/applications/DocumentLibraryManager/upload/SCADA%20Syste
m%C2%B4s%20&%20Telemetry.pdf
✓ CONSTRUCCION, I. -B. (s.f.). Applus. Obtenido de
http://www.academia.edu/12299704/Applus_Auscultacion_de_Presas
✓ FLOWLINE. (2010). Medidores de nivel Ultrasónicos. Obtenido de
http://www.nikron.com.ar/automacion/descripcion-producto/4/5/12/3/
✓ Fuchs, P. +. (2017). Válvula para el uso en exteriores. Obtenido de
http://www.pepperl-fuchs.es/spain/es/20180.htm
✓ Geocities. (Octubre de 2009). Unidad Maestra MTU. Obtenido de
http://www.oocities.org/gabrielordonez_ve/MTU.htm
✓ Medidores de caudal. (s.f.). Obtenido de
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Caudal/Principios/Caudal_Sensores
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✓ Xylem. (2016). Obtenido de http://www.xylemwatersolutions.com/scs/uruguay/es-
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sores%20de%20las%20bombas/Paginas/default.aspx