Sistema de información de los equipos instalados en un

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Boletín IIE, enero-marzo del 2007
Sistema de información de los
equipos instalados en un sistema
eléctrico típico de potencia: SGBD
y su aplicación en la industria
petrolera
Luis Iván Ruiz Flores, D. Judith Cortés F. y Fátima Chávez Almanza
En este artículo se presenta la aplicación de un sistema informático en la industria petrolera de México; la
optimización en el manejo de los datos técnicos de equipos instalados en un sistema eléctrico de potencia
(SEP); la oportunidad de obtener información por medio de la intranet de la misma empresa y la ventaja de
tener sesiones de usuarios para que puedan crear, modificar, consultar y eliminar información. Asimismo
se explica el desarrollo del Sistema Gestor de Base de Datos (SGBD) y la factibilidad de utilizarlo en otros
sistemas eléctricos del país. El desarrollo del sistema informático ha dado como resultado la confiabilidad
en el uso de las Tecnologías de Información en la Industria Petrolera.
Actualmente, en México se requiere que la información de los equipos eléctricos instalados en las plantas industriales, tales como registros de mantenimiento, características técnicas, bitácora virtual y un seguimiento por parte de los usuarios responsables operativos, que les permita optimizar la administración
anual de fallas eléctricas y planear estratégicamente una futura modernización, sea fidedigna.
Introducción
H
oy en día vivimos en la era tecnológica del análisis informativo, es decir, las
empresas buscan innovar sus procesos de información para obtener un mayor
beneficio.
Los sistemas de información han pasado a ser de gran uso e importancia, debido a la gran cantidad de información que manejan, permitiendo el ahorro de costos en recursos materiales, humanos y económicos.
Desde la aparición de las computadoras y algunas
alternativas eficientes en los medios de comunicación, muchos procesos de control en la industria
eléctrica y la del petróleo sufrieron transformaciones sustanciales.
La tendencia tecnológica busca innovar el manejo de información específica en las organizaciones e instituciones, tal como: transacciones,
modificaciones, arreglos y todo tipo de operaciones
informáticas.
La industria petrolera por ejemplo, se vio interesada
en el desarrollo de un sistema informático capaz de
llevar una administración de los equipos eléctricos
instalados en su SEP. En las siguientes secciones se
describe el desarrollo del sistema de información, la
arquitectura de software y su puesta en servicio en
la industria petrolera.
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Aplicaciones tecnológicas
Antecedentes
El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), realizó un levantamiento de datos técnicos del equipo eléctrico instalado en una refinería del noreste del país, para la industria
del petróleo.
En el 2005 se obtuvieron los datos fidedignos de 70 subestaciones eléctricas, 6 generadores eléctricos, 7 reactores de potencia, 9 torres de enfriamiento, 25 casas de bombas,
34 plantas de proceso y 317 tableros de distribución.
Derivado del levantamiento en campo, se almacenó la información de más de 4000
equipos que forman el sistema eléctrico de potencia de la refinería e inicialmente se
almacenó la información en hojas de cálculo que relacionan los equipos instalados con
su clasificación, características técnicas y ubicación dentro de la refinería.
En el 2005, el personal encargado de almacenar la información estuvo de acuerdo que
la hoja de cálculo no cumplía con la funcionalidad de consultar y modificar la información de manera eficiente. Por ejemplo, en la edición de la sección de transformadores, el
usuario responsable de actualizar la hoja de cálculo no era la misma persona que modificaba la sección de motores, generando así duplicidad e inconsistencia de archivos.
Ahora bien, para mejorar y optimizar el manejo de la información, los autores coincidieron en el desarrollo y diseño de un sistema informático que administrara la información
del levantamiento en campo de una forma automática y eficiente.
Al inicio del 2006 se planteó crear una base de datos (BD) portable. Sin embargo, se concluyó que el desarrollo de un archivo ejecutable tendría portabilidad con “duplicidad de
información”, si se instalaba en dos o más computadoras. Para evitar dicha duplicidad,
se recurrió al uso de las tecnologías de la información, que permiten diseñar sistemas
informáticos mediante la intranet de la industria del petróleo, con posibilidad de edición
múltiple en línea por diferentes usuarios en una base de datos.
En el 2007, el IIE definió los alcances del desarrollo de este tipo de sistemas para la gestión en la utilización de las tecnologías de información en el área eléctrica. Asimismo,
el personal de la industria del petróleo que coordina los proyectos de modernización,
solicitó analizar la posibilidad de desarrollar una metodología para tener sistemas de
información de tal índole.
La finalidad de este artículo es describir la metodología, esquematización y desarrollo
del sistema de información propuesto, para el control de información en los sistemas
eléctricos de potencia de la industria del petróleo, que proporcione una funcionalidad
más específica y asertiva.
Planteamiento del problema
La industria del petróleo cuenta con seis refinerías en el país, cada una tiene un sistema
eléctrico de potencia conformado por equipos eléctricos instalados. En la Fig. 1 se muestra un esquema típico de un diagrama unifilar1 simplificado de un SEP. En la tabla 1 se
muestran fotografías típicas representativas del equipo eléctrico instalado en un SEP.
Actualmente, las refinerías no cuentan con una herramienta auxiliar de fácil acceso para
el personal operativo, que proporcione información de los equipos eléctricos instalados.
Por tal motivo, la industria del petróleo solicitó al IIE un levantamiento de datos técnicos
1
Diagrama unifilar. Representación gráfica mediante símbolos de los componentes eléctricos de
un sistema de potencia, que suministra en forma concisa información significativa.
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de una de las refinerías localizada en el noreste del
país, que incluyera una validación con la información de las hojas de cálculo existentes del personal
operativo.
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Figura 1. Diagrama unifilar de un sistema eléctrico de potencia (SEP) típico de una refinería.
Durante la validación se observó que la información presentaba inconsistencia, ambigüedad y
duplicidad.
La problemática de la validación dio como resultado el refuerzo de la idea de desarrollar un sistema informático, con la posibilidad de optimizar y
eficientar el control de la información. Se inició con
el desarrollo de una base de datos única, instalada
en un servidor local y con posibilidad de accederla
mediante la intranet de la refinería.
La tendencia de no contar con un sistema capaz de
gestionar la información de los equipos eléctricos
instalados en la refinería, es un problema latente.
El principal objetivo propuesto es elaborar un sistema informático que permita darle un seguimiento
eficiente a los equipos eléctricos instalados en la
actualidad, que sea utilizable en el futuro para agregar nuevos equipos y modificar las características
técnicas de los ya existentes.
Se planteó la siguiente hipótesis: con la creación de
un sistema automatizado, basado en la utilización
de un sistema gestor de base de datos y un intérprete de implementación de páginas web dinámicas, es posible darle un seguimiento eficiente a los
datos técnicos de los equipos eléctricos instalados
en la refinería.
Tabla 1. Equipo eléctrico típico instalado en un SEP.
Motores
Generadores
Transformadores
Tableros
Reactores Circuitos de fuerza
Los pasos a seguir en el proceso de diseño del sistema informático están centrados en las siguientes tareas
que facilitan el desarrollo de la hipótesis.
También se concluyó que la utilización de la ingeniería de software en este tipo de problemática, es una
solución ideal para administrar la información de los equipos eléctricos instalados, asimismo proporciona
una planificación confiable de las etapas de vida de la aplicación o sistema informático.
Análisis de requerimientos y desarrollo del sistema
Con el objetivo de desarrollar un sistema informático para la industria petrolera, se tomó como base la
ingeniería de software, que consiste en diferentes métodos del ciclo de vida para el desarrollo de sistemas.
Uno de los métodos es el modelo en cascada, el cual utiliza un enfoque metodológico donde cada una de
sus etapas está ordenada de manera estratégica. Dichas etapas son: a) análisis de requerimientos, b) diseño del sistema, c) diseño del programa, d) codificación y pruebas y e) implantación.
A continuación se mencionan las etapas que se consideraron para desarrollar el sistema informático,
según el modelo en cascada.
Aplicaciones tecnológicas
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Análisis de requerimientos
Se requiere de un sistema automatizado que proporcione la información del sistema eléctrico de potencia
de la refinería, desde cualquier computadora que tenga acceso a la intranet de la empresa. Para representar el modelado, se decidió incluir una lista de requerimientos en cada etapa del modelo en cascada como
sigue:
Requerimientos de funcionalidad
El sistema informático fue planteado con los siguientes criterios:
v Debe ser capaz de consultar, crear, editar e imprimir la información relevante de cada equipo eléctrico.
v Debe ser utilizado como un sistema de información con un inventario electrónico. Asimismo, utilizarse
como tecnología de información.
v Debe contener las características técnicas de cada equipo eléctrico del sistema eléctrico de potencia.
v Debe proporcionar el acceso a la refinería mediante la intranet.
v Debe realizar la consulta de diagramas unifilares de las 70 subestaciones eléctricas.
v Debe permitir el acceso a cuatro niveles de sesión:
– invitado, usuario que realiza consulta e impresiones;
– registrado, usuario que tiene privilegios; modifica, agrega, elimina y consulta datos técnicos;
– administrador, además de los privilegios del usuario registrado, administra a usuarios registrados,
plantas, subestaciones eléctricas y termoeléctricas;
– máster, incluye los privilegios del usuario administrador, controla y verifica a usuarios
administradores.
Requerimientos de arquitectura
La arquitectura para el sistema informático debe:
v Ser una tecnología cliente/servidor o comúnmente conocida como arquitectura de
dos capas.
v Contener una base de datos (BD) centralizada, que almacene la información técnica
del SEP y sesiones de trabajo (invitado, registrado, administrador y máster).
v Permitir la consulta de los datos técnicos y ubicación física de los equipos eléctricos
del SEP, a todos los niveles de sesión.
v Crear nuevos registros del equipo eléctrico.
v Eliminar información que ya no sea requerida.
v Modificar datos del equipo eléctrico que hayan sido alterados.
v Desplegar gráficos del equipo eléctrico mediante fotografías.
Requerimientos de software
Para la creación del sistema, se propuso documentar y especificar los criterios de funcionalidad y arquitectura común, describiendo modelos. También se decidió utilizar un
sistema gestor de base de datos (SGBD) para realizar las consultas a las bases de datos
(MySQL®); una aplicación desarrollada en PHP para el manejo interno de la base de datos (phpMyAdmin®); un lenguaje de programación para la creación de contenido para
sitios web dinámicos (PHP®); un lenguaje diseñado para dar formato a texto, enfocado a
páginas web (HTML®); un lenguaje de programación orientado a la validación de datos
del lado del cliente, a través de una red (JavaScript®); una aplicación que permita poner
en servicio un servidor web y un servidor de base de datos mediante un archivo ejecutable (Xampp®) y un lenguaje de diseño que permita interactividad, edición multimedia y
edición para sitios web profesionales (Macromedia®).
Diseño del sistema
En esta etapa del desarrollo, se utilizó como herramienta de modelado el UML (Unified
Modeling Languaje), ya que forma la estructura global del diseño del sistema.
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UML es un lenguaje para visualizar, especificar,
construir y documentar los elementos de un sistema informático.
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Tabla 2. Requerimientos del sistema utilizando UML.
El lenguaje UML trabaja con orientación a objetos
y esto cubre las expectativas y necesidades de la
arquitectura del sistema. UML también considera la
elaboración de una “tabla de requerimientos”, que
contempla 2 de los siguientes criterios: a) Consultas
y reportes, b) almacenamiento y c) procedimientos.
Este último no se toma en consideración, dado que
no fue requerido por el tipo de sistema o aplicación
que se desarrolla.
En el modelado de la tabla de requerimientos se
elaboraron diagramas de casos de uso. En la tabla 2
se muestran los requerimientos del sistema.
Base de datos
El sistema debe contar con una base de datos centralizada de la información del SEP.
Debe tener la capacidad de almacenar grandes volúmenes de información, que permita
un desarrollo estratégico.
Para el diseño de la BD, se le dio seguimiento a las tres etapas del modelado en análisis y
diseño de sistemas de información.
Diseño Conceptual
El diagrama general se diseñó con base en los requerimientos funcionales (Fig. 2).
También se utilizó un diagrama particular para cada uno de los tres niveles de sesión. Por
ejemplo, en la Fig. 3 se muestra el diseño conceptual de la sesión de usuario registrado.
El diseño conceptual se basó en el diagrama general del caso de uso, mostrado en
la Fig. 4, el cual especifica los requerimientos del cliente y las funciones básicas. Este
diagrama omite las funcionalidades técnicas del sistema, pues únicamente considera
aquéllas que cubren los requerimientos planteados por el cliente y las acciones futuras
que podrá realizar. En el diagrama se utilizan elementos gráficos de fácil comprensión
por parte del cliente.
Con base en dos de los criterios marcados por UML,
se plantearon las funcionalidades consideradas en
el sistema a desarrollar:
Figura 2. Diagrama conceptual general de la base de datos del sistema.
v Requerimientos de consultas e informes que
contienen:
a) los diagramas unifilares, b) los datos técnicos de
equipos eléctricos, c) las trayectorias de los circuitos de fuerza y d) la información de los usuarios o
actores.
v Almacenamiento, que guarda las características
típicas de los equipos eléctricos instalados, tales
como generadores, transformadores, interruptores,
relevadores, circuitos de fuerza, tableros, reactores
y motores eléctricos, entre otros.
Aplicaciones tecnológicas
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Figura 3. Diagrama conceptual del nivel de sesión
“usuario registrado”.
En el modelado UML se representan funciones específicas denominadas “subcasos de uso”.
Diseño lógico
Mediante una abstracción del funcionamiento
real del sistema se elaboró el diseño lógico y se
propusieron los siguientes pasos: a) obtención de
esquemas lógicos locales; b) validación de dichos
esquemas; c) derivación de un conjunto de tablas;
d) validación de tablas con normalización; e) validación de tablas contra transacción del usuario y g)
creación del diagrama entidad-relación.
Figura 4. Diagrama general de casos de uso para los niveles de sesión.
El diseño lógico del sistema fue elaborado con el
uso del modelo de entidad-relación, debido a que
proporciona un enfoque semántico de la información, es decir, genera una correspondencia entre
expresiones de símbolos o palabras y situaciones o
conjuntos de cosas existentes en el mundo físico o
abstracto. Para el caso del sistema desarrollado, el
diagrama entidad-relación representa la arquitectura de la base de datos del sistema eléctrico de
potencia de la refinería. En la Fig. 5 se muestra una
fracción del diseño lógico.
Diseño físico
Figura 5. Diseño lógico (entidad-relación) del sistema
El diseño físico representa de manera esquemática, la integración de la información de la base de
datos mediante tablas, campos y las relaciones. Al
sistema informático se le dio el nombre de Sistema
de Bitácora para Sistemas Eléctricos de Potencia y
se definió para su comprensión con el acrónimo de
sus siglas SIBISEP.
La base de datos fue nombrada “bdsibisep” y está
compuesta por un conjunto de 39 tablas. El diseño físico fue desarrollado con el sistema gestor de
base de datos MySQL®, que permite realizar manipulaciones de la base de datos, tales como actualizaciones, exportaciones e importaciones, manejo
gráfico, determinación de tablas y establecimiento
de usuarios.
Por tratarse de una base de datos relacional, los
autores utilizaron la técnica de normalización en
el diseño físico. Asimismo, se validaron las tablas
y sus relaciones para que no generen información
redundante.
Uno de los conceptos que se relacionan con el diseño físico es la arquitectura del sistema de información,
que incluye aspectos estáticos y dinámicos significativos. En el inciso de “requerimientos de arquitectura”
se mencionó que la arquitectura debe situar físicamente los componentes lógicos, es decir, situar el software en el hardware que lo contiene.
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Por esta razón el SIBISEP, se estableció instalarlo
mediante un diagrama de despliegue, donde el
hardware se representa como un nodo. En la Fig. 6
se muestra un esquema descriptivo del diagrama
de despliegue del SIBISEP, y representa conceptualmente el modelo de implementación originado por
el diseño, donde interviene el término de “desambiguación” o conocido como ADO2.
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Figura 6. Esquema descriptivo del diseño físico del sistema.
Diseño de interfaces de usuario
El sistema debe mostrar una interfaz con términos
comunes para los usuarios de refinería, mensajes de
advertencia, una sección de ayuda rápida, colores
agradables y sencillez en la identidad gráfica.
Además, su funcionamiento debe ser de fácil comprensión mediante los siguientes procedimientos:
v Optimización de tiempos al navegar por la aplicación.
v Títulos que proporcionen indicaciones y ubicación del proceso
que se está realizando.
v Íconos representativos comunes para la ilustración de
funcionalidades.
v Distribución estratégica de menúes.
v Visualización de fotografías representativas del equipo eléctrico.
v Secuencia estratégica del uso.
v Efectos del “mouseover” de los vínculos.
Seguridad del sistema
Se propuso que los usuarios se crearan con base en el rol que desempeñan. Para poder
acceder al sistema, se habilitaron cuatro sesiones. Asimismo, se consideró seguridad en
lo siguiente:
v Autenticación de sesiones.
v Validación de nombre de sesión para evitar duplicidad de usuarios.
v Protección del servidor con software de anti-ataques en línea como virus, intrusos
(usuarios externos), troyanos, etc.
v Protección de la base de datos mediante técnicas de encapsulamiento y encriptación
de datos.
v Respaldos automáticos de la base de datos.
Diseño del programa
Es la etapa donde se desarrollan los algoritmos de acuerdo a los requerimientos del
cliente y que serán de utilidad para la codificación del sistema, de igual forma que en
el diseño del mismo se recurrió a la modelación en UML, utilizándose “los diagramas de
actividades” que son una herramienta enfocada al auxilio visual del programador, pues
muestra la secuencia lógica de una forma detalla y gráfica de cada uno de los procesos
que realiza el sistema. Este diagrama es más específico y hace referencia a procedimientos automáticos que realiza el software del sistema. Cabe mencionar que se diseñó un
diagrama por cada una de las actividades del sistema.
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ADO (ActiveX Data Objects) mecanismos que usan los programas de computación para comunicarse con las
bases de datos.
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Codificación y pruebas
La codificación fue elemental para desarrollar el SIBISEP. Se codificó mediante PHP® para crear la relación
entre cliente y servidor con accesos a MySQL®. En la interfaz se codificaron las páginas de información con
HTML® y Java Script®.
Los archivos de código fuente se nombraron siguiendo la metodología del diseño y un orden establecido,
considerando los espacios determinados entre bloques de código de acuerdo a la función que representan, la identificación de código y la declaración de variables y bibliotecas al inicio.
Pantalla principal
Está dividida en dos áreas: a) La barra de vínculos o acceso al sistema, declarados como “consulta al equipo
eléctrico” y “administración del sitio” y b) la definición conceptual del SIBISEP, con una portada representativa de la refinería.
Los dos principales vínculos que engloban las funcionalidades del sistema se definen a continuación.
Consulta al equipo eléctrico
Vínculo que permite al usuario hacer una consulta de un equipo específico. Mediante un menú vertical se
puede acceder a nueve secciones de consulta: a) motores, b) transformadores, c) tableros, d) generadores,
e) reactores, f ) relevadores, g) circuitos de fuerza, h) diagramas unifilares e i) sectores eléctricos.
Además, se incluyó una área para los niveles de sesión que pueden autentificarse y hacer uso de los privilegios para la edición de los datos técnicos de cualquier equipo.
Administración del sitio
Esta sección requiere una autentificación del usuario como administrador, que le otorga
privilegios dentro del sistema. Este nivel de sesión permite la edición de los datos de
subestaciones, plantas y usuarios registrados dentro de la base de datos y permite el
registro de nuevos elementos.
Implantación
Durante la fase del desarrollo del sistema se elaboró un disco de instalación, que le permite al usuario final en la refinería, instalar las aplicaciones necesarias para la puesta en
marcha del SIBISEP.
Durante la puesta en servicio surgieron algunos detalles de instalación, tales como: 1)
existencia del software AppServ® que es similar al Xampp®, por lo que se realizó el cambio
de software en el servidor; 2) existían rutas estáticas del servidor de prueba, que tuvieron
que ser modificadas por las del nuevo servidor y 3) existía una incompatibilidad de software comercial de Autocad® para visualizar los diagramas unifilares que tienen extensión
DXF, por lo que se actualizó la versión del visor de archivos para solucionar el problema.
A pesar de que es un sistema de información, era necesario capacitar a los usuarios finales de la industria del petróleo, por lo que se realizó una presentación a nivel ejecutivo y
operativo, detallando las bondades y el uso del SIBISEP.
Conclusiones
Existe una gran inquietud de la industria petrolera en México, para tener sistemas informáticos que les ayuden a administrar sus activos o equipos eléctricos instalados en cada
SEP, mediante bitácoras de mantenimiento.
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El esfuerzo realizado por los autores para el desarrollo e implantación del SIBISEP, ha sido recompensado
con la solicitud por parte del coordinador de refinerías (cliente) para el desarrollo de otros cinco proyectos
similares.
Debido a las aportaciones del sistema, se han generado buenas expectativas para la aplicación de las
tecnologías de información.
Por lo anterior, los autores han propuesto el desarrollo de un sitio web dinámico para las seis refinerías del
país, que permita el acceso a las bases de datos de un servidor dedicado, utilizando plataforma “.NET” y
realizar una migración del SGBD a SQL®.
Llegar a desarrollar este tipo de sistemas en el país y contribuir en un futuro con la aplicación de conceptos
como calidad de software y auditoria informática, es una meta de los autores.
Referencias
Libros
Booch Rumbaugh, Jacobson, Addison-Wesley. The unified Modeling Languaje User Guide. págs. 14-116.
Artículos técnicos
L. Iván Ruiz, D. Judith Cortés F., Ingeniería de Software: Automatización de los Procesos de un Laboratorio de Equipos Eléctricos. Parte I: Planteamiento del Problema y Análisis de Requerimientos, ROC&C de la IEEE, México, 2006.
Luis Iván Ruiz Flores
Ingeniero Eléctrico, egresado del Instituto Tecnológico de Orizaba en 1999.
Becario AIT del IIE en la Gerencia de Simulación de 1999 a 2000. Desde 2001
colabora como investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos del IIE, en
proyectos relacionados al análisis y diseño de sistemas eléctricos de potencia
en plantas industriales. En 2004 terminó su Maestría en Ingeniería Industrial
en la UAEM. Actualmente es jefe del laboratorio de equipos eléctricos del IIE y
contribuye con el diseño de sistemas informáticos para optimizar los procesos
de licitación y modernización en la industria petrolera.
[email protected]
Dolores Judith Cortés Flores
Egresada del Instituto Tecnológico de Zacatepec en 2005. En este mismo año
ingresó al IIE como becaria del XXIX Programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica. Actualmente colabora en el IIE con bases de datos y software
de aplicación para la industria del petróleo.
[email protected]
Fátima Chávez Almanza
Becaria de residencias profesionales en el IIE, egresada del Instituto Tecnológico de Zacatepec en 2007 que colabora en los diseños de sistemas de información para la industria petrolera. Actualmente está realizando el trámite para
obtener su título como Licenciada en Informática.
[email protected]