lunes, 27 de octubre de 2014

Distribución eléctrica rural: millones de hectáreas a monitorear.

La semana pasada me tocó dar una charla sobre M2M en Chile, en un interesante Seminario sobre la Internet of Things organizado por Telefónica.

En la charla incluí varios ejemplos de aplicación práctica de M2M, y quiero compartir uno de ellos en este blog, porque muestra de forma simple uno de los procesos de cambio que están facilitando la adopción de M2M.



Años atrás visitamos una empresa de distribución eléctrica que opera en zonas rurales y le propusimos implantar un sistema de monitoreo de su red de media tensión. Una de las principales ventajas ofrecidas era la detección inmediata de los cortes de energía y una rápida determinación del sector en que se había producido el corte.

Escucharon atentamente, pero nos dijeron que no necesitaban un sistema así, ya que cuando ocurrían cortes siempre había alguien que llamaba por teléfono reportando el problema y dando indicaciones del sector en que había ocurrido, de modo que nunca pasaban más de dos horas sin que tuvieran toda la información.

Les agradecimos su tiempo y atención y seguimos nuestro camino, pensando que quizás M2M no era siempre necesario, ya que seguramente habría muchos casos como éste, en que los problemas tienen soluciones simples.

Dos semanas más tarde recibimos un llamado de la empresa eléctrica, solicitando una cotización y preguntando cuán rápido podíamos instalar el sistema. Felices y al mismo tiempo sorprendidos, preguntamos qué había pasado, si habían sufrido un corte y nadie había llamado. Todo lo contrario, nos dijeron. Sufrimos un corte de energía que afectó un pueblo cercano mientras se llevaba a cabo una ceremonia oficial, y nos llamaron de inmediato, el señor Alcalde en persona.

Redes de distribución eléctrica rural

Las redes de distribución eléctrica rural presentan un interesante desafío a M2M, ya que cubren extensas superficies para entregar energía a industrias y pueblos distribuidos a lo ancho y largo de millones de hectáreas.

Están compuestas por líneas eléctricas de media tensión (13.000 volts), que nacen en subestaciones y se extienden hacia los pueblos, ramificándose una y otra vez.

A lo largo de todo el año, pero especialmente durante el invierno, estas redes sufren numerosas contingencias: ramas de árboles desgajadas, choques de automóviles contra los postes, etc, que causan grandes cortocircuitos, de varios cientos de amperes, los que eventualmente dañan la red.

Para evitar daños permanentes, las empresas eléctricas instalan cada cierto trecho unos equipos llamados reconectadores, que detectan los cortocircuitos y desconectan automáticamente la energía. 

Cuando la empresa eléctrica se entera que hubo un corte, envía una cuadrilla en camioneta a recorrer las líneas del sector hasta encontrar la causa de la falla y repararla.

Una vez retirada la rama o reparado el poste causante de la falla, la cuadrilla recorre la línea hasta encontrar el reconectador que hizo la desconexión y lo acciona manualmente para que reponga la energía.

Monitoreo y control de redes de distribución eléctrica rural

Utilizando equipos remotos M2M, los reconectadores pueden ser conectados a una interfaz de software central, en la que se visualiza en tiempo real el estado de todos los reconectadores de la red.

En caso que un reconectador desconecte la energía debido a algún incidente en la red, la interfaz de software refleja esta situación de inmediato, gatillando una alarma visual y sonora, con lo que el tiempo de detección se reduce de horas a segundos.

Gracias a que los reconectadores están georeferenciados, los tiempos de arribo a la falla también se reducen, reduciendo costos de operación.

Una vez resuelto el problema, el reconectador puede ser accionado remotamente, desde la interfaz de software, restableciendo de inmediato la energía y evitando que la cuadrilla deba hacerlo manualmente, lo que acorta la duración del incidente y reduce más aún los costos de operación.

Otros beneficios

Como los reconectadores miden permanentemente las variables eléctricas de su tramo de red, los equipos remotos M2M pueden transmitir estas variables al sistema central, con lo que se obtiene mediciones detalladas de corrientes, potencias, factor de carga, etc., generando valiosa información:

  • Patrones de consumo a lo largo del día. Patrones estacionales.
  • Detección de anomalías tales como desbalance de corriente en las fases.
  • Detección de altas cargas inductivas.
  • Detección de corrientes de tierra anormales.
Toda esta información puede ser utilizada para optimizar la red de distribución, haciéndola más eficiente y así elevar la calidad de servicio al mismo tiempo de reducir los costos.

Estas ventajas se pueden extender más aún si se incorpora equipos M2M conectados a otros elementos de la red de distribución, tales como Desconectadores Bajo Carga, Reguladores de Voltaje, Indicadores de Fallas, etc.

Por último, si consideramos que el costo de un equipo remoto M2M es una pequeña fracción del costo de un reconectador, podemos ver que M2M es una excelente opción para las empresas de distribución eléctrica en sus redes de media tensión.

Eso es todo por ahora. Que tengan una excelente semana.

lunes, 20 de octubre de 2014

Ejemplos de uso de M2M: Combatiendo las heladas de Primavera

Hace algunas semanas empezó en nuestro país esta maravillosa época del año llamada primavera. Una época en que todo florece, las sonrisas se multiplican y en general todos andamos de mejor ánimo.


Pero la primavera también tiene inconvenientes. ¿A quién no le ha pasado que después de un día caluroso, salimos de casa la mañana siguiente con poca ropa de abrigo y nos congelamos de frío por un cambio inesperado de temperatura?

Estos cambios son las heladas de primavera, que, además de causarnos incomodidad, pueden ser una catástrofe para la agricultura, ya que pueden dañar los brotes de las frutas perjudicando seriamente la producción agrícola. 

Primavera del año 2013: 

En la primavera pasada, nuestro país sufrió grandes perjuicios debido a las heladas de primavera.



Y esto ocurrió a pesar que muchas empresas agrícolas y vitivinícolas cuentan con mecanismos de combate de heladas (helicópteros, activación de los sistemas de riego, sistemas de ventiladores que hacen circular el aire, etc).

El problema es que las heladas ocurren de forma repentina y con patrones de comportamiento impredecibles, lo que hace necesario detectarlas oportunamente y ser capaces de activar los mecanismos de combate en pocos minutos.

Lamentablemente los mecanismos de detección de heladas en el agro tienen muchas limitaciones:
  • Utilizan un sistema de lectura manual de temperatura y humedad relativa, a cargo de personal de los predios. Este sistema es propenso a tener mediciones en horarios irregulares y a veces poco representativas porque no siempre son hechas en los sectores que efectivamente se pretende proteger.
  • Cuentan con pocos puntos de medición, lo que los hace vulnerables ya que las heladas normalmente no cubren de forma uniforme un predio sino que toman forma de "lenguas" de frío.

M2M en el combate de heladas:

Sin embargo, la tecnología M2M puede contribuir en gran medida a resolver estos problemas, gracias a sus ventajas tecnológicas:
  • Permite implantar redes de sensores que ayudarán a detectar las heladas en prácticamente cualquier punto del predio.
  • Las mediciones se realizan siempre a intervalos regulares, tan seguido como se requiera.
  • Los equipos remotos M2M pueden analizar las mediciones de temperatura y humedad relativa, y sus tasas de variación, identificando automáticamente las situaciones de riesgo de heladas y enviar de inmediato alertas por mensajes de texto o correos electrónicos a los encargados de activar los sistemas de combate de heladas.
  • En muchos casos, los equipos remotos M2M pueden activar automáticamente sistemas de combate de heladas como los sistemas de riego o las hélices para forzar la circulación de aire.
Mediante la utilización de sistemas M2M de bajo costo los agricultores pueden proteger su producción de las heladas, con el consiguiente beneficio propio y también para el país.

Adicionalmente, el mismo sistema M2M de combate de heladas les proporcionará información útil sobre la temperatura y humedad relativa de sus predios durante todo el resto del año.  

Ejemplos de usos prácticos de M2M

Con este artículo hemos dado comienzo a una serie de publicaciones en las que les iré contando sobre las numerosas aplicaciones de M2M y cómo éstas benefician a quienes las utilizan y a toda nuestra sociedad.

Como siempre, les agradezco la lectura de estos artículos y los invito a colaborar con sus comentarios, consultas e ideas.

Que tengan una buena semana.



martes, 14 de octubre de 2014

Los datos: el combustible de M2M

Hola amigos. Comienzo el artículo de esta semana con mis disculpas por el atraso en su publicación, causado por un hecho fortuito que confío no se vuelva a repetir.

El tema de esta semana son los datos, que a mi modo de ver constituyen el fluido vital de todo sistema M2M y quiero comenzar hablando de uno de los fenómenos que más me ha llamado la atención en todos estos años. Lo llamo "el paso de la oscuridad a la luz" y es un fenómeno inherente a los proyectos M2M.

De la oscuridad a la luz.

Es frecuente que en los proyectos M2M los requerimientos iniciales de datos sean de baja exigencia. Muchos clientes me piden habilitar solo unas pocas mediciones por día. O me dicen que los datos históricos no son de interés, ya que necesitan la información solo para reaccionar con rapidez a lo que sucede día a día.

Una vez que el sistema está funcionando y se empieza a recibir datos, todo cambia. Con los datos en la mano el cliente empieza a extraer información y en pocas semanas se da cuenta que más datos significa mucha más información.

Una empresa que produce y distribuye gas me decía que una medición diaria por estanque le era suficiente, ya que su situación previa era una lectura manual cada 2 semanas. Actualmente usa mediciones cada 10 minutos, que le permiten detectar oportunamente que en un condominio con 3 estanques solo llenaron 2, o una variación brusca de nivel (que puede deberse a una fuga).

Una empresa eléctrica quería habilitar el monitoreo y control en tiempo real de su red de distribución en zonas rurales y no les interesaba la información histórica. Hoy utiliza la información histórica de corrientes, potencias y energía para analizar patrones de consumo estacionales.

En resumen, aunque inicialmente un proyecto M2M tenga un objetivo modesto en cuanto a la cantidad y tipo de información, al poco tiempo se descubre que se puede hacer mucho más al disponer de más datos y se produce una explosión en los requerimientos de información y su uso.

Calidad de los datos.

Hay un viejo dicho informático que dice "garbage in, garbage out", es decir, si alimentamos un sistema con datos de mala calidad, la información que obtendremos será de mala calidad.

Lo peor que le puede ocurrir a un sistema M2M es entregar información de mala calidad, aunque sea ocasionalmente, porque en poco tiempo se le perderá la confianza. Y todos sabemos lo difícil y costoso que es recuperar la confianza una vez que se ha perdido.

Por eso, uno de los factores clave en relación a los datos es su calidad. Algunas ideas para asegurar la calidad y conseguir la confianza en los datos:
  • Usar sensores de calidad.
  • Incluir mecanismos de detección automática de problemas en la medición (desconexión de sensores, cables sueltos, alteraciones en el mecanismo de medición, etc), para alertar al usuario cuando las mediciones no sean válidas.
  • Contrastar las mediciones del sistema M2M con mediciones manuales (ojalá con instrumentos certificados como patrón).
  • Identificar las causas de las diferencias en las mediciones y resolverlas a satisfacción del cliente. Muchas veces ocurre que el método manual de medición tiene errores, pero el cliente está acostumbrado a ellos y funciona de esa manera, por lo que hay que encontrar un consenso. En más de una ocasión me ha pasado que el cliente prefiere incorporar el mismo error en el sistema M2M, para mantener continuidad. En esos casos, siempre le propongo generar las dos mediciones en paralelo (la "clásica" con el error incorporado al sistema M2M y la nueva sin el error).

Oportunidad.

La oportunidad en la recepción de los datos es otro factor importante en los proyectos M2M, ya que normalmente el cliente querrá contar con las mediciones lo antes posible, pero no siempre es factible debido a las redes de comunicación, especialmente las redes celulares (que son las más utilizadas por los sistemas m2M)..

Las mejores prácticas en este caso son:
  • Ser muy claro al explicar al cliente que los datos serán entregados lo más cercano al tiempo real posible ("near real time").
  • Fijar expectativas con realismo, ojalá basadas en la experiencia. Por ejemplo, con una empresa eléctrica hemos establecido que:
    • Las actualizaciones de estados se realizarán en menos de 10 segundos en el 95 % de los casos.
    • Las operaciones remotas se realizarán y confirmarán en menos de 30 segundos en el 95% de lo casos.
    • Y hemos incluido las mediciones necesarias para validar estas estadísticas.
  • Si los dispositivos remotos son capaces de almacenar la información cuando no hay conexión de red, explicarle al cliente que no perderá datos, pero en caso de una falla prolongada de la red de comunicaciones se producirá encolamiento con la consiguiente demora en ponerse al día una vez que vuelven las comunicaciones.
  • Si los dispositivos remotos no cuentan con memoria, explicar claramente al cliente que perderá información mientras la red de comunicaciones no esté disponible.

Frecuencia.

Ya mencionamos este tema más arriba, pero quisiera agregar algunas definiciones:
  • Frecuencia de medición:
    • Es la frecuencia con que el dispositivo remoto M2M captura cada medición (es decir, lee la medición del sensor).
    • Esta frecuencia es importante cuando queremos generar alarmas si alguna medición se sale del rango normal.
    • Si la frecuencia es de una medición por segundo, en caso de alarma podemos enviar un mensaje de texto y alertar a uno o varios usuarios en menos de 10 segundos. Este es un sistema utilizado por las viñas para generar alertas de riesgo de heladas cuando la temperatura cae bajo cierto nivel.
  • Frecuencia de registro:
    • Aunque el equipo remoto esté leyendo mediciones cada un segundo, no vamos a necesitar que nos envíe cada una de esas mediciones.
    • Podríamos querer que se registre la temperatura promedio, el valor más alto y el más bajo cada 10 minutos. Esta es la frecuencia de registro y normalmente es diferente de la frecuencia de medición.
  • Frecuencia de reporte:
    • Algunos equipos remotos tienen capacidad de almacenamiento y la utilizan para optimizar el tráfico de comunicaciones.
    • Por ejemplo, pueden ser capaces de acumular y empaquetar muchos registros de medición y enviarlos en una sola transmisión, lo que aprovecha mejor el canal de comunicación y eventualmente puede también reducir los costos.
    • Podríamos configurar un equipo para que registre mediciones cada 2 minutos y acumule y empaquete 10 mediciones antes de enviarlas. Esto significa que la frecuencia de reporte sería de una transmisión cada 20 minutos.

Resumen.

Los datos son el fluido vital de todo sistema M2M y hemos aprendido que su calidad, oportunidad y frecuencia son factores importantes para el éxito de nuestros proyectos.

Sobre todo, hemos aprendido que en todo proyecto M2M se produce una "explosión de luz" en ese momento en que descubrimos con alegría que podemos hacer y obtener mucho más de lo que esperábamos.

Ese es uno de los momentos que hace de M2M una aventura fascinante.

Hasta la próxima semana. Mis mejores deseos para todos ustedes...

lunes, 6 de octubre de 2014

Información al alcance de la mano: Muchas gracias, controladores inteligentes.

La semana pasada vimos como M2M puede obtener información a través de la conexión de sensores. Este es un procedimiento que requiere cierto esfuerzo ya que para cada variable se debe incorporar un sensor. Por decirlo de alguna manera, es el camino largo para la adquisición de datos.

Afortunadamente en muchos casos nos encontramos con una gran ayuda: los controladores inteligentes, que proveen mucha información a M2M a través de una única conexión. Esta semana hablaremos de ellos.

Controladores inteligentes:

Existe una amplia variedad de controladores inteligentes aunque en muchos casos no es fácil identificarlos ya que forman parte de los equipos o maquinarias que queremos integrar a M2M. Sin embargo, tienen una característica común que nos ayudará a su identificación: todos recopilan información y la ponen a nuestra disposición a través de una puerta de comunicación.

Ejemplos:

  • El computador de nuestro automóvil al que podemos conectarnos para hacer diagnósticos y obtener mediciones del motor.
  • Medidores inteligentes de energía eléctrica.
  • Estaciones meteorológicas.
  • Controladores lógicos programables, también conocidos como PLC.
  • Analizadores de calidad de agua.
  • Una amplia gama de controladores de equipos eléctricos, tales como reconectadores, reguladores de voltaje, bancos de condensadores y muchos más.

Cuando nos enfrentamos a un proyecto M2M en el que se cuenta con controladores inteligentes, debemos comenzar a alegrarnos, porque muy probablemente podremos obtener muchos datos con un esfuerzo relativamente pequeño, dependiendo de ciertas condiciones.

La primera condición es que el controlador cuente con una puerta de comunicación.


Puertas de comunicación:

La puertas de comunicación son el mecanismo por el que obtendremos la información que nos entregará el controlador inteligente. Existe una amplia variedad de ellas, pero las más comunes en el mundo M2M son las denominadas puertas seriales.

Ese nombre proviene de la forma en que son transmitidos los datos, ya que éstos son transformados en cadenas de señales eléctricas que representan elementos unitarios de información (bits) que son transmitidos uno tras otro (en forma serializada).

Estos elementos unitarios de información o bits utilizan una representación binaria (de dos estados) de datos. Un bit puede tener un valor 1 (uno) o un valor 0 (cero). A pesar de ser tan simples, la combinación de muchos bits nos permite representar información compleja. Por ejemplo: la voz que escuchamos al hablar por celular o la foto que tomamos hoy están compuestas por millones de bits.

Las puertas seriales se diferencian entre sí principalmente por la forma en que representan los unos y ceros. A continuación comentaremos las más comunes:

Puertas RS-232: 
  • utilizan un cable para la transmisión y otro para la recepción de datos, más un tercer cable que es usado como referencia (o tierra).
  • representan los ceros con señales de voltaje entre 3 y 15 Volts, y los unos con señales de voltaje entre -3 y -15 Volts. 
  • estas puertas son las más comúnmente utilizadas.

Puertas TTL: 
  • utilizan un cable para la transmisión y otro para la recepción de datos, más un tercer cable que es utilizado como referencia (o tierra).
  • representan los ceros con una señal de 0 Volts y los unos con una señal de +5 Volts.

Puertas RS-485:
  • utilizan solo dos cables, sin referencia (o tierra) denominados A y B.
  • representan los ceros poniendo en A un voltaje mayor que el voltaje de B y los unos poniendo en B un voltaje mayor que el de A.
  • los mismos cables son utilizados para transmitir y para recibir, por lo que no puede haber comunicación en ambas direcciones al mismo tiempo 


Protocolos:

La segunda condición necesaria es que el controlador entregue los datos de una forma conocida, que permita su interpretación, para que podamos extraer la información que necesitamos.

La forma de entregar los datos es denominada protocolo de datos y establece las reglas utilizadas para consultar y obtener información del controlador, así como la forma de interpretar los datos que fluyen en la comunicación.

Los protocolos los podemos clasificar en públicos y propietarios.


Protocolos públicos:

Sus reglas cumplen con ciertos estándares y están a disposición de cualquiera que desee utilizarlos, lo que los hace muy populares y fáciles de incorporar a M2M. Normalmente la información está disponible en un sitio web oficial que cuenta con numerosos ejemplos de implementación y programación.

Algunos de ejemplos de protocolos públicos son:
  • Modbus RTU.
  • Profibus.
  • DNP 3.0


Protocolos propietarios:

Son protocolos desarrollados por los fabricantes de los controladores y normalmente no están disponibles de forma pública. Por lo general son protocolos simples en su lógica, lo que los hace fáciles de implementar, pero presentan las siguientes dificultades:
  • Es difícil conseguir su documentación, porque el fabricante no desea hacerla pública. Esto se puede resolver a veces contactando directamente al fabricante y explicándole nuestro interés en integrar sus equipos a una solución M2M.
  • Si no conseguimos la documentación del fabricante, a veces es posible hacer la integración gracias a que muchos de estos protocolos propietarios son versiones reducidas o simplificadas de protocolos públicos. Sin embargo, esto nos enfrenta a una nueva dificultad, que tiene que ver con la propiedad intelectual y los derechos del fabricante. Nuestra recomendación en este caso es consultar siempre con el fabricante o su representante, antes de implementar la integración.
Algunos ejemplos de estos protocolos son:
  • Estaciones meteorológicas Davis Vantage Pro
  • Controladores Cooper con protocolo 2179.

En resumen, la existencia de controladores inteligentes puede facilitar mucho la integración de información a M2M, por lo que recomendamos explorar siempre esta posibilidad al inicio de nuestros proyectos. Incluso en el caso que los procesos no estén utilizando controladores inteligentes, puede no ser una mala idea considerar sus incorporación como parte del proyecto M2M.


La próxima semana hablaremos de la importancia de recibir los datos de forma oportuna y con la frecuencia necesaria para maximizar los beneficios de nuestro sistema M2M. Que tengan una buena semana.