Ing. Luis Enrique Escobedo Ortega ( Fresnilloplc)Ing. Hugo Dello (Howden Montreal)

V=VENTILACIONO= SOBRE D=DEMANDA

Introducción

La ventilación según demanda, es un concepto que ha sido discutido en la disciplina de la ventilación durante muchos años. Los avances tecnológicos recientes han permitido el concepto para convertirse económico y fiable permitiendo así un análisis de rentabilidad positivo para la implementación de VOD. Tiene por objetivo ventilar las operaciones subterráneas de acuerdo a los niveles variables de demanda, es decir, de acuerdo a los diferentes requerimientos de caudal de aire, tanto dentro de cada turno laboral, como en los instantes de cambio de turno. Dicha demanda, es dependiente de los niveles de concentración (ppm; mg/m3) de los diferentes contaminantes ambientales y de las diversas operaciones minero-subterráneas. Nuestro país (MEXICO), no es ajeno a esta realidad; Y FresnilloPLC en sus minas: Fresnillo, Ciénega, San Julián, Saucito, Juanicipio han desarrollado las tecnologías concernientes a tal materia tecnológica, con el propósito de poder implementarla en sus propias operaciones subterráneas.

1.-ANTECEDENTESDebido al tipo de operaciones, la minería enfrenta numerosos desafíos relacionados con la seguridad industrial, la oferta y la demanda, la escalada de precios hidroeléctricos y la capacidad de atraer personal calificado. Como tal, la industria está buscando constantemente nuevos métodos de verter la seguridad del trabajador, aumentar el volumen de producción y reducir los costos de operación. Los avances en la tecnología han seguido haciéndose pública y el precio de estas tecnologías disminuye, más

Herramientas están disponibles para ayudar a convertirse minas automatizadas, sistemas de Localización, VOD etc. implementando estrategias para realizar las siguientes metas.

• Asegurar la salud en general y la seguridad en el lugar de trabajo “tan bajo como razonablemente posible “que es lo primordial para Minera Fresnillo• Aumento de la productividad• Aumentar la rentabilidad siendo más competitivos en costos operativos.

1.2 VOD VFD DESCRIPCIONSe han logrado resultados significativos reduciendo el costo energético en los sistemas de ventilación, una de las medidas implantadas en Minera Fresnillo fue introduciendo el uso de la Frecuencia Variable (VFD) donde los beneficios incluyen el rendimiento y funcionamiento de la demanda pico de corriente y el uso de energía optimatizado. Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que recibe el motor. Estos dispositivos electrónicos permiten variar la velocidad y el par de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables. Logrando resultados significativos, en la búsqueda de la reducción de los costos de operación. La Variación (Aumento o disminución) del caudal movido por los ventiladores de frecuencia eléctrica (VFD) conectados a Motores de ventiladores. Tales dispositivos eléctricos, permiten variar de manera local o remota y en forma Dinámica, es decir, sin detención del ventilador, la velocidad de rotación (RPM) del motor del Ventilador, Y, por ende, variar el caudal de aire movido por dicho equipo.

SISTEMA DE VENTILACION BAJO DEMANDA MINERA FRESNILLOVentilación Según requerimientos de aire en términos tecno-económicos.

Los desembolsos económicos generados por disminuciones reiterativas del caudal movido por ventiladores principales, al interior de un turno , lo cual implica un menor consumo de energía eléctrica, y aún más, en cambios de turno (período de bajísimo requerimiento de caudal de aire, dado que los equipos operativos por ejemplo, camiones de transporte, de bajo perfil se encuentran temporalmente fuera de servicio), generan ahorros significativos en un Sistema de Ventilación Principal, que considere ventilar según demanda. Minera Fresnillo se vio en la necesidad de evaluar sus sistemas de ventilación y la metodología, la escalada de los precios de la energía, el medio ambiente asociado con el consumo de energía, la profundidad de las minas, el aumento de costos y el transporte de mineral. Todas estas mejoras a los procesos para seguir siendo más competitivos.

El diseño, implementación y mantenimiento de los circuitos de ventilación es un asunto complejo y costoso debido a la amplia variedad de parámetros en cada instalación individual, ya que es responsable de entregar el flujo de aire requerido con la correcta distribución como ventiladores auxiliares, puertas, y reguladores.

Los requerimientos de ventilación se calcularon en base a la infraestructura operativa de mina considerando.

- Equipo Diésel y los Factores de Utilización.C=Gf/QF

- Consideración de las áreas de producción y equipos de desarrollo Q=100*A*a/d*t

- Personal operario.- Qperl=212*Personal*1.1- La temperatura ambiente

WBGT=0.7Twb+0.3Tdb- Equipo eléctrico.

El enfoque de VOD depende de las siguientes estrategias1.-Programacion Diaria2.-Control Tiempo Real3.-Eventos de Control Voladuras, acarreo mineral4.-Control de activos y supervisión

5.- Control Ambiental.

1.3 Minera Fresnillo plc VODMinera Fresnillo está desarrollando con Howden Simsmart, SmartEXEC (Smart EXpandable Energy Control system). Este sistema para lograr el VOD en minas subterráneas.Para Calcular la resistencia de la Mina se ha utilizado el software de simulación de redes de ventilación VentsimVisual, Generando el Modelo a partir de los distintos niveles a proyectar, Por Planeación de acuerdo al modelo Geológico, Para determinar las dimensiones físicas de esta (longitud, sección trasversal, coeficiente k, etc.). También se consideró las pérdidas de carga por choque en cada intersección, curva o cambio de sección según los valores por Hartman. El programa VentsimVisual permite fijar un Caudal y obtener la presión necesaria para suministrarlo.

SmartEXEC cuenta con un sistema de modelamiento en 3D que permiten un análisis de los circuitos de ventilación y su desempeño en los diferentes escenarios de acuerdo a plan de mina. Esto permite a los ingenieros de ventilación identificar problemas y realizar infraestructura de ventilación necesaria.

1.4 Modelo 3D

La ventaja de simulación del modelo 3D es que permite probar los controles diseñados en un escenario de simulación previo a la instalación en sitio para asegurar que el sistema operará de acuerdo a lo esperado y validar su funcionamiento. Los simuladores de ventilación minera comunes utilizan Interacciones Hardy-Cross para determinar el flujo en los diferentes segmentos de la red. El control de flujo del modelo en tiempo real utilizando los cálculos Hardy-Cross en estado estacionario tiene limitaciones en su fidelidad en cuanto al tiempo ya que el proceso de ventilación es transitorio por naturaleza. En lugar de este método se pueden utilizar algoritmos de matrices de ecuaciones diferenciales. La simulación y control de este tipo de cálculos para simular redes transitorias de ventilación.

Mientras los cálculos toman efecto en tiempo real, el controlador PID (proporcional integral y derivado.) puede ser utilizado para controlar el equipo de la misma manera que se realiza con los sensores de medición de flujo. La diferencia es que la variable del proceso sería el flujo del modelo en lugar del flujo medido. Al tener la habilidad de realizar el control basándose en el flujo medido y el flujo del modelo se aumenta la confiabilidad de un sistema VOD, dado que cualquiera de los dos métodos puede ser utilizado si alguno falla. El modelo también puede ser utilizado como un indicador de algún cambio en la configuración de la ventilación primaria. Por ejemplo, si una puerta o regulador de ventilación se rompe, el modelo no se adaptará inmediatamente y por lo tanto la diferencia con el flujo medido generará una alarma del problema. El modelo puede reducir el número de sensores de flujo requeridos para realizar el VOD y por lo tanto, reducir significativamente el costo capital del sistema. El sistema controla el flujo en zonas auxiliares con VFDs y sin mediciones físicas de flujo. Esto puede generar ahorros significativos del costo operativo y capital ya que no requiere un sensor de flujo.

1.5 Interfaz y configuración

El sistema cuenta con diferentes niveles de implementación. Cada nivel aporta sus propias ventajas y una mina puede usar cualquier combinación

de ellos, dependiendo de sus objetivos de productividad, salud,

Seguridad, y ahorro de energía. Estos niveles de implementación son conocidos como modos de control y comprenden desde un nivel básico manual con ventiladores ON/OFF hasta niveles avanzados VOD (Ventilación bajo demanda), optimizadores de velocidad, entre otros.

El usuario puede agregar y conectarse fácilmente a cualquier equipo de control de ventilación sin necesidad de conocimientos de programación. Mientras exista automatización básica de la ventilación, el usuario puede agregar un arrancador, VFD o actuador de un regulador o puerta y controlar el equipo asignado. Este tipo de actualización en el sistema puede realizarse mientras el sistema se encuentra operando; no es necesario apagar el sistema cuando se agrega un equipo nuevo, todos los cambios se activan dinámicamente. La interfaz HMI puede mostrar cualquier información tal como configuraciones de equipos y mediciones de flujo en una página de resumen configurable por el usuario. También puede mostrarse como una capa sobre el plano de nivel con un icono configurable. Los iconos pueden ser agregados fácilmente, eliminados o colocados sobre el plano del nivel. El sistema también cuenta con una función que permite graficar las tendencias y cualquier parámetro medido dentro del sistema. Este tipo de sistema de control se ajusta al sistema dinámico de las minas subterráneas que cambia y crece constantemente a través de sencillas configuraciones y sin necesidad de programación. Realizar un control de este tipo a través de un sistema de PLCs que a su vez requerirían del tiempo de los Ingenieros de Ventilación para entender el sistema VOD para asegurar que funcione adecuadamente y seguro. El Ingeniero de Ventilación controla directamente la ventilación reduciendo significativamente el tiempo de trabajo y minimizando el riesgo de errores.

El usuario agrega o modifica la ubicación del equipo en la interfaz cada vez que sea necesario. Los ventiladores auxiliares pueden ser operados en diferentes modos (manual, flujo, VOD) y ser agregados a un evento programado. Todos los controles y cambios se actualizarán en las pantallas HMI de todos los usuarios sin ninguna programación o descarga.

1.4 Funciones de los controles

También tiene la capacidad de combinar el control de flujo o VOD con otros parámetros tales como la concentración de gases o temperatura. Cualquier equipo de control de ventilación (ej. Regulador de flujo) tiene la habilidad de realizar controles simultáneos basados en variables diferentes. Por ejemplo si una zona controlada por VOD se basa en la demanda de flujo de un vehículo (ej. 100 cfm/bhp) y el límite de concentración de gases de esta zona se encuentra elevado, el flujo puede aumentar hasta que los niveles de gases vuelvan a un nivel aceptable y después volver al control basado en la demanda del vehículo. En otras palabras, el sistema puede adaptarse a cualquier tipo de operación cuando las regulaciones estén en función de la demanda de vehículos, exposición de gases, límites de temperatura o las tres simultáneamente. De igual forma, este tipo de lazo de control no requiere ninguna programación. El sistema tiene múltiples capacidades referentes al control de la ventilación para proveer una operación segura y más eficiente.

1.5 Optimizador de Velocidad

El objetivo principal de realizar el control de flujo en una red principal de ventilación es optimizar la distribución del flujo en la mina. En los casos en que el flujo dentro de la mina es distribuido por reguladores en paralelo, es posible realizar VOD controlando cada

regulador de manera independiente y satisfaciendo el flujo de aire requerido. Desafortunadamente, este tipo de estrategia puede llevar a ciertas ineficiencias ya que todos los reguladores se afectan entre sí y la configuración general del sistema será impredecible y probablemente ineficiente. Para lograr la configuración óptima, los reguladores deben adoptar una estrategia de control que minimice la resistencia general del sistema mientras satisface la demanda de cada zona de trabajo. La estrategia requiere tener uno de los reguladores cercano a la resistencia mínima (cerca de la apertura máxima del regulador). Los ventiladores principales en superficie pueden ajustarse para mantener el regulador en la apertura dada; si el regulador alcanza una apertura mayor a esta (menor resistencia), el ventilador principal en superficie aumentará su velocidad. En cambio, si la posición del regulador es menor (mayor resistencia), la velocidad disminuirá. Al adoptar esta estrategia se minimiza la resistencia del sistema, reduce el consumo de energía en los ventiladores y al mismo tiempo satisface las demandas de flujo. Combinar la estrategia de control de los reguladores con la estrategia óptima de control de los ventiladores principales permite que los ventiladores principales operen en el punto de

operación óptimo, tal como se muestra en la Figura Este tipo de estrategia también es aplicable para un sistema de ventilación compuesto por ventiladores subterráneos y reguladores.

1.5 Curva de operación con punto óptimo de operación

Howden Simsmart también es el creador de la familia de instrumentación MCS, unidades que son utilizadas para controlar físicamente la infraestructura de ventilación, comprendiendo ventiladores, reguladores y puertas. Además estos equipos tienen la capacidad de lectura de sensores de gases, flujo, presión, temperatura y velocidad, entre otros. La familia de instrumentación MCS está completamente

sincronizada con el sistema SmartEXEC, lo que reduce significativamente el tiempo de instalación y puesta en marcha en sitio (pruebas SAT).

1.6 Diseño preliminar Sistema VOD

En el cuadro de los proyectos subterráneos, se elabora un diseño inicial, basado en el modelo considerando las exigencias del proyecto. Incluye la implementación del sistema como Sistema de Control de Ventilación (SCV) y Sistema de Ventilación en Demanda (VOD). La diferencia entre ambos sistemas consiste en el nivel de optimización e integración. Al inicio del proyecto, el sistema funcionaría basado en sus sensores y controladores, funcionando como un sistema de SCV por concentración de gases y flujos. Al integrarse con el sistema de localización, la plataforma de control central y otros sistemas, se aumentaría el nivel de optimización, pasando a funcionar como un sistema de VOD. La siguiente Tabla muestra los niveles de control, siendo el nivel 3 equivalente a un SCV y el nivel 5 al sistema VOD según la especificación solicitada:

Niveles de Controles SmartEXECDescripción

1 Control manual: control remoto desde sala a través de una interfaz inteligente

2Control por eventos y horarios: programación de acuerdo a requerimientos especiales de ventilación en eventos de voladura, cambio de turno u otro.

3Control por concentraciones y flujo (SCV): control sistema de ventilación de acuerdo a calidad y cantidad del aire.

4

Control de flujo por demanda: control basado en requerimiento de aire fresco por uso de equipos y presencia de personas, requiriendo la integración con sistema de localización.

5 Control de Optimización (VOD optimizado): rutinas de

control complejo basadas en:Distribución del flujo de aire en la minaRegulación de múltiples dispositivos mecánicosDemanda de aire fresco

C

Las fases de implementación son descritas en el

siguiente modelo:

Comentarios.

En la búsqueda de ser más eficientes en los procesos

operativos VOD debe ser considerado como una parte

integral y estratégica de control basado en la

oportunidad de optimizar el uso de energía a través de

un control preciso y aumento de la eficiencia del sistema

de Ventilación.