Sistema de telegestión para una red pública de suministro de aguas

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1 Sistema de telegestión para una red pública de suministro de aguas J. L. Romeral Martínez Departament d Enginyeria Electrònica. Universitat Politécnica de Catalunya Colón 1, Terrassa (Barcelona). Spain Tel.: , Fax.: romeral@eel.upc.es Resumen En este trabajo de describe un sistema completo de telegestión aplicado a una red de extracción, tratamiento y distribución de aguas. En particular, se tratan con detalle las consideraciones a tener en cuenta en una explotación de aguas, y las especificaciones del sistema de telegestión, comunicaciones y software de supervisión y control. 1. Introducción Los sistemas de abastecimiento de agua potable a núcleos poblacionales de cierta entidad han ido evolucionando a lo largo de los años, incorporando los avances tecnológicos disponibles para la mejora de la eficiencia en los procesos de captación, tratamiento y distribución. El progresivo deterioro de la calidad de los recursos hídricos y el aumento del volumen a procesar motiva la necesidad de la existencia de plantas de tratamiento y/o potabilización del agua para adecuar sus características físico-químicas a niveles aceptables para el consumo. Ésta tendencia, como en la mayoría de los procesos similares, a sido motivada principalmente por las crecientes exigencias de reducción de los costes asociados al proceso y por la evolución paulatina de los criterios de calidad aplicables. Los sistemas de explotación del ciclo del agua potable actuales, para poblaciones pequeñas o medianas (de a habitantes) razonablemente agrupados geográficamente suelen estar constituidos, a grandes rasgos, por: Núcleos de captación de agua por bombeo o gravedad (de pozos, lagos o ríos) Infraestructuras de transporte hacia plantas de tratamiento y potabilización Planta/s de tratamiento Depósitos primarios de almacenaje del agua tratada Grupos de impulsión hacia depósitos secundarios de distribución Depósitos secundarios de distribución Pequeños grupos de presión para núcleos específicos Redes de distribución primarias y secundarias (canalizaciones en red o ramificadas) Elementos de medida y contabilización de los volúmenes suministrados Los sistemas descritos presentan un gran número de parámetros de funcionamiento que deben ajustarse a valores adecuados que permitan una explotación racional del proceso con objeto de conseguir reducir los costes asociados posibilitando, a su vez, el suministro de agua a todos los abonados al servicio en condiciones adecuadas de caudal y presión. Con ello, se pretende conseguir el máximo rendimiento del sistema sin deterioro de las condiciones de suministro. Se requiere entonces una supervisión periódica, o preferiblemente continua, del estado y régimen de funcionamiento del sistema de explotación. Uno de los principales factores de afectación de la explotación es el rendimiento volumétrico de la red. Existen diversas formas de cuantificar dicho rendimiento, pero la más usual, sobretodo desde el punto de vista de rentabilidad económica, es la obtenida de la diferencia entre el volumen de agua captado por los medios de que disponga la explotación y el volumen de agua facturado por la empresa dentro del mismo período de tiempo. Para obtener datos fiables de ambas magnitudes, resulta evidente la necesidad de poder medir el agua que se inyecta en el sistema desde la captación y la medición del agua facturada, cifra obtenida de la lectura periódica de los contadores volumétricos de los abonados al servicio. Dado que la estructura de la red obedece en general a sucesivas ampliaciones sobre la red original y su trazado, resulta necesario conocer en cada momento el estado de las diferentes partes de la red para mejorar las condiciones de almacenamiento, transporte y distribución. Los dos grandes aspectos de optimización de la explotación contemplan, por tanto, la reducción de volúmenes no registrados y la máxima seguridad en la continuidad del suministro, asegurando el aprovechamiento máximo de los recursos disponibles. 1

2 Es evidente que ambos aspectos dependen de las mediciones efectuadas sobre los parámetros fundamentales del proceso, realizadas de forma periódica o, en el mejor de los casos, de una forma continuada. Datos como los consumos instantáneos de las canalizaciones de distribución principales, presiones instantáneas de suministro, niveles de los pozos de captación o consumos de energía eléctrica pueden ofrecer grandes ventajas a los equipos de análisis de datos. El registro de la medida de estos y otros parámetros pueden ofrecer datos estadísticos reveladores sobre la tendencia evolutiva de los mismos y su interrelación con otros procesos. Dada la dispersión geográfica del sistema, estas medidas y actuaciones para la mejora de la explotación sólo pueden efectuarse mediante un sistema de Telegestión. 2. Evolución de los Sistemas de Telegestión La mejora de la gestión de la explotación de las redes hidráulicas con el concurso de las nuevas tecnologías pasa por sucesivas etapas, que van desde el control local más simple, hasta la automatización integral centralizada. Desde hace mucho tiempo, el sistema bomba-depósito se ha venido automatizando sobre la base de las señales de nivel provenientes del depósito o, de una forma aún más simple, mediante un control horario a lazo abierto, independientemente del nivel del depósito de destino. Esquemas algo más complejos en que los niveles del depósito se combinan con el control horario a fin de conseguir una cierta optimización local, exigen ya la instalación de un cuadro eléctrico, construido tradicionalmente basándose en relés y lógica cableada. El sistema se complica notablemente cuando en lugar de un solo equipo de bombeo, la instalación cuenta con dos o más bombas, cada una de ellas con sus órdenes de arranque y paro debidamente programadas. Si a ello añadimos la necesidad de contemplar en la maniobra del cuadro eléctrico las señales indicadoras de anomalía (temperatura, falta de agua en la aspiración, fallo de alimentación, etc.), interruptores de arranque y paro, mandos para el funcionamiento manual y/o automático, no resulta sorprendente concluir que la automatización, lejos de mejorar la explotación del sistema, viene a constituir mas bien una nueva fuente de averías a añadir a las ya tradicionales. La mejora ha venido de la mano de la electrónica y los microprocesadores y, más en particular de los PLC. La posibilidad de programar en un sistema estanco de pequeño volumen cuantas órdenes y lógica de control fuera requerida, libres prácticamente de fallos al eliminar la multiplicidad de contactos, abre las puertas a una automatización cada vez más exigente. Ello ha provocado también en los últimos tiempos la mayor sofisticación de los actuadores y aparatos de medida, cuyas señales de entrada y salida son hoy casi siempre de tipo eléctrico conforme a unos estándares comúnmente aceptados, aunque sigan incorporándose los clásicos sistemas de visualización de medidas y de accionamiento manual en caso de avería. Los instrumentos y accionamientos se comunican con los PLCs, haciendo de este modo posible el control local mediante el programa Fig. 1. Sistema de Telegestión y Control centralizado SCADA IC PLC que éstos llevan incorporado que es, en definitiva, quien determina las actuaciones en función del estado de las señales de entrada detectadas. Los PLCs incluyen, además, una novedad muy atractiva: la posibilidad de comunicar con el exterior y recibir órdenes externas por líneas de comunicación convencionales además de poder proporcionar a otros sistemas los datos albergados en su memoria. Ello ha dado pie a la concepción de sistemas de telemando y telemedida y, en general, al control centralizado (Fig. 1), que se suele realizar mediante un ordenador de procesos y un programa encargado de gestionar las comunicaciones y realizar las lecturas de los datos y su posterior tratamiento (SCADA). El programa debe ser capaz de incorporar sucesivas mejoras bajo la forma de cambios en la configuración o la adición de módulos específicos de tratamiento (alarmas, generación de informes, tratamiento estadístico, gráficos de tendencia, etc.). El control centralizado descrito puede cualitativamente caracterizarse como: Telemedida, que consiste en recoger información de los parámetros de funcionamiento de la red (caudales de inyección, presiones de suministro, niveles de depósitos, estado de los grupos de bombeo, alarmas de estaciones, etc.) y centralizarla en el puesto de control para el conocimiento del operador del sistema, así como su almacenamiento para su uso posterior. Con este primer nivel puede obtenerse un conocimiento del funcionamiento de la red suficiente siempre que los parámetros integrados sean realmente representativos del proceso. Telemando, donde se trata de añadir al sistema de telemedida la posibilidad de realizar controles manuales a distancia sobre los elementos más representativos que intervienen en el funcionamiento de la red. Existirá en este caso un flujo de información bidireccional entre el centro de control y las estaciones remotas. Telecontrol, que constituye la extensión natural de los dos sistemas anteriores ya que además de las posibilidades descritas en los puntos anteriores, el ordenador central y/o los PLCs de las estaciones estarán programados para planificar y/o controlar de forma automática la explotación de la red. Así, tras procesar la información recibida de cada estación y/o de estaciones diferentes (niveles de depósitos, presiones, caudales, etc.) determinan sobre la base de unos determinados algoritmos cuáles son las actuaciones que se deben efectuar sobre los elementos de mando que actúan en 2

3 la red (paro y marcha de bombas, apertura y cierre de válvulas, cambios de consignas de funcionamiento, alternancia de elementos, etc. Normalmente, no se realizan implantaciones de sistemas de telegestión hasta que las etapas de menor grado de automatización (telemedida y telemando) se han implementado satisfactoriamente, aunque en los últimos años, la enorme reducción de costes de implantación de sistemas de éste tipo permite disponer de equipos polivalentes susceptibles de adoptar todos los grados de automatización merced únicamente a cambios en los programas que ejecutan y la ampliación de las señales de entrada y salida de que disponen. Por ello, los sistemas de nueva implantación de grados inferiores de automatización suelen llevar asociados pequeños trazos de telegestión más compleja para resolver determinados procesos puntuales, y tras la explotación exhaustiva de dichos sistemas con el consiguiente acopio de datos, suele ampliarse la capacidad de telegestión del sistema con algoritmos más complejos en los que intervienen mayor número de variables. 3. Descripción de la Red a controlar La red pública que se pretende controlar está constituida por los siguientes elementos (Fig. 2): a) Subestaciones de captación y suministro de agua hasta la Planta de Tratamiento de la explotación (C4, C5, y C6). Se encuentran situadas en las proximidades del río Tordera, y constan, cada una, de uno o varios pozos de los cuales se extrae el agua de los diferentes acuíferos, a la vez que se le da la energía suficiente para el transporte de la misma hasta la Planta de Tratamiento mediante bombas hidráulicas sumergidas accionadas por motores eléctricos de instalación superficial. actual.. Por ello, la explotación cuenta con una Planta de Tratamiento, en la que se somete al agua a los procesos físico-químicos que permiten cumplir los condicionantes técnico sanitarios reglamentados. La Planta incluye, tras el depósito de recepción, lo siguiente: Cuba de oxidación por aireación forzada Adición de reactivos Cámaras de mezcla y floculación Filtraje por gravedad Almacenamiento intermedio Filtraje por carbón activo Cloración Almacenamiento y distribución El caudal medio de tratamiento para el que está diseñada la planta es de 540 m 3 /h (150 l/s) con un caudal punta admisible de 810 m 3 /h (225 l/s). 4. Descripción del Sistema de Telegestión Para posibilitar una gestión eficaz de su funcionamiento y proporcionar a la explotación herramientas eficaces de mando y adquisición de medidas, el sistema de telegestión deberá satisfacer los siguientes requisitos : a) Sobre las captaciones a.1) Medidas Nivel continuo de agua de cada pozo Medida de la presión de la impulsión común Caudal instantáneo de la impulsión común Contaje del volumen de agua captado Tiempo de funcionamiento de cada grupo Estado de funcionamiento de las bombas Captación C-4 Captación C Planta de Tratamiento Captación C-6 Captación C-2 Captación C-3 Fig.2. Esquema general de la Red a.2) Alarmas Dispositivos de protección de los motores b) El agua proveniente de las captaciones de la Niveles mínimos de aspiración de cada pozo explotación posee, por lo general, contenidos de Intrusión en el recinto hierro y manganeso superiores a los valores máximos Fallo de suministro de energía eléctrica especificados por la reglamentación técnico-sanitaria 3

4 a.3) Gestión automática local Arranque/paro de motores con telemando desde la central Gestión de los grupos según alarmas del sistema Gestión de las comunicaciones con la central b) Sobre la Planta de Tratamiento La gestión de la Planta de tratamiento constituye el centro neurálgico de las infraestructuras de captación y tratamiento del agua que se suministra a los abonados. En ella se llevan a cabo las tareas de dosificación de reactivos, filtraje por gravedad, filtraje a presión, cloración, almacenamiento y distribución primaria de agua tratada. Para posibilitar una gestión eficaz de su funcionamiento y proporcionar a la explotación herramientas eficaces de mando y adquisición de medidas, el sistema de telegestión deberá satisfacer los siguientes requisitos : b.1) Medidas Nivel continuo de los depósitos de Planta Nivel continuo del aljibe de aspiración de filtraje a presión Concentración de Cloro residual en el agua a almacenar Concentración de Cloro gas en ambiente del recinto de cloración Caudales instantáneos de suministro Volúmenes totales de suministro Estados de los sistemas de seguridad b.2) Alarmas Nivel máximo y mínimo de los depósitos de Planta Nivel máximo y mínimo del aljibe de aspiración del filtraje a presión Anomalía detector de fugas de Cloro gas Niveles máximo y mínimo de concentración de Cloro libre en el agua b.3) Gestión automática local Gestión de las comunicaciones entre estaciones de Planta La Central de Telegestión deberá ser pues un puesto de supervisión donde se posibilitará la supervisión de los parámetros de las estaciones al personal operador del sistema. Deberá realizar automáticamente y, de forma transparente para el operador las siguientes tareas : Funciones : Gestión automática de las comunicaciones Presentación de las medidas de cada estación en pantallas sinópticas Registro y almacenamiento de datos de forma periódica o en función del estado del sistema Impresora Gráfica Elaboración de gráficos temporales de evolución de los parámetros más significativos Detección de eventos particulares del sistema y ejecución de aciones programadas Detección, registro y gestión de alarmas de las estaciones Monitorización de alarmas en curso y registradas Envío de órdenes de mando y consignas de funcionamiento a las estaciones remotas Control centralizado de captaciones Una vez especificadas las medidas a obtener para la evaluación de los parámetros de funcionamiento de las estaciones, y la gestión automática local que debe implementarse en cada una de ellas, se indica a continuación cómo se van a implementar, en cada núcleo, las estructuras necesarias de equipos y sistemas que permitan integrar todo el conjunto. En las captaciones, los equipos que constituyen la estación remota de adquisición de datos, registro y automatización de procesos locales deberán albergarse en un cuadro eléctrico independiente con alimentación eléctrica. De este modo se evitará la invasión de equipos ajenos en los actuales armarios de potencia y maniobra de los equipos de bombeo. Del mismo modo, quedarán reducidas las posibles interferencias que puedan ocasionar los dispositivos existentes en los cuadros sobre la estación remota de control. Los diferentes sensores quedarán instalados en los puntos de medición, y se realizará la instalación de los correspondientes cables de señal hasta el cuadro de adquisición de medidas. La instalación del sensor de medida de nivel de agua en el pozo se realizará mediante la inmersión de un transductor sumergible de presión en el interior de una tubería habilitada en la perforación, y adyacente a la impulsión destinada a albergar la sondas conductivas de umbral de nivel. De este modo, el sensor queda protegido y se aísla la medida de las perturbaciones producidas por el cono de aspiración de la bomba, obteniéndose así, un nivel de agua amortiguado del cual puede extraerse una medición fiable del estado del pozo. La señal eléctrica que proporcione el sensor podrá ser interpretada por la unidad de proceso de dato para obtener el nivel de agua existente en cada captación y el estado de cada acuífero. En cada uno de los pozos que constituyen unas captación se instalará un sensor de medida de nivel para permitir un análisis exhaustivo del comportamiento de cada captación. La presión de impulsión se obtendrá del sensor correspondiente instalado en la conducción de impulsión, para poder observar el comportamiento de los grupos que se encuentren en funcionamiento en cada momento, pudiendo obtener medidas de las condiciones de altura de elevación en las que trabajen los grupos especificados, así como el comportamiento de los grupos antiariete existentes. La ubicación del sensor de presión en la conducción puede realizarse mediante una toma específica en la tubería. Software SCADA RS-232-C Interface RS-232-C DH485 4 RS-232-C Radio PLC

5 Fig. 3. Sistema de Telegestión La medida de caudal de cada captación deberá obtenerse de los caudalímetros instalados en las estaciones. Así, se dispone de señales de salida de caudal instantáneo y volumen circulante acordes con la indicación de la pantalla que podrán conectarse al equipo de captación de datos de la estación remota para su proceso y monitorización. Todas las señales detalladas anteriormente y que provengan del cuadro de potencia y maniobra de los equipos de bombeo se obtendrán mediante contactos auxiliares libres de tensión cuyas señales se llevarán al equipo de control remoto mediante conjuntos de cables eléctricos habilitados a tal efecto. Las señales de arranque y paro correspondientes a las órdenes que realizará el equipo de automatización de procesos sobre los elementos de actuación provendrán de contactos libres de tensión de relés de salida incluidos en el armario de la estación remota La señales correspondientes a parámetros internos del equipo de gestión remota se obtendrán de transductores y relés contenidos en el propio cuadro eléctrico que albergue a los nuevos equipos. En la Planta de tratamiento, y de forma análoga a la estructura definida para la adquisición de medidas en las estaciones remotas de captación, se obtendrán las señales necesarias de sensores distribuidos por la Planta e instalados en los puntos de medición más convenientes. Las señales que proporcionen, se conectarán a los equipos de adquisición de medidas que procesarán la información y la comunicarán a la central de telegestión. Para reducir al máximo la intervención en el cuadro existente de automatización del proceso de filtraje, se instalarán el/los equipos de adquisición de medidas de forma independiente pero con previsión de incorporar dichos equipos a una red de comunicaciones en la que se integrarán los sistemas existentes y los de futura implementación. Ello permitirá el intercambio de información entre los nuevos equipos y los existentes. Para la medición de nivel de los diferentes depósitos de agua de la planta, y de forma análoga a los pozos de las captaciones, se instalarán sondas sumergibles de presión dentro de los tubos de medición existentes. Puesto que todos los depósitos de reserva de agua de la Planta se encuentran interconectados y están todos construidos a la misma cota y tienen la misma altura útil, únicamente será necesaria la instalación de un solo sensor en cualquiera de los depósitos que constituyen la estructura de almacenamiento. El caso del aljibe de aspiración para el filtraje a presión deberá contar con un sistema de medición similar pero independiente ya que no puede compartir parámetros con ninguna otra estructura. Ambas medidas de nivel deberán complementarse con boyas de medida de umbral de nivel para asegurar la detección de dichos umbrales en caso de fallo de las sondas continuas. Para realizar la medición de los parámetros que intervienen en el proceso de post-cloración, bastará con dotar a la estación de adquisición de datos de entradas a las que se conectarán todas las señales de estado y alarmas de que disponen los equipos de regulación existentes detalladas en los capítulos anteriores. Para la obtención de las medidas de caudal de consumo de las diferentes redes principales a las que la Planta abastece bastará conectar a los equipos de adquisición de datos las señales de volumen registrado de los contadores volumétricos existentes. 5

6 Puesto que las señales a obtener se encuentran dispersas por diferentes zonas de la Planta, será de especial importancia la ubicación del cuadro que contendrá el equipo de adquisición de datos para intentar simplificar al máximo la instalación de cables de señal hasta los sensores especificados. La Central de Gestión deberá integrarse al sistema de estaciones remotas de captación y Planta de tratamiento mediante su conexión a las redes de comunicaciones establecidas de forma que pueda acceder a los datos contenidos en todas y cada una de las estaciones remotas para su monitorización, registro y almacenamiento. Puesto que la gestión automática local la llevará a cabo cada estación, la central no realizará funciones de regulación ni de automatización de procesos. La central de telegestión dispondrá de acceso a la redes de comunicaciones de los equipos de planta y estaciones remotas. Será conveniente la ubicación de todos los elementos que constituyen la central de telegestión en una zona de la Planta que permita un acceso viable a las redes de comunicación pero que permita a la vez al operador del sistema la supervisión simultánea de los procesos existentes que no están contemplados en este proyecto. Por ello, deberá integrarse el sistema en las dependencias actuales de supervisión de procesos que ya cuentan con elementos necesarios como emisoras de radio, infraestructuras de soporte de antenas, líneas telefónicas, cuadros sinópticos y presencia continuada de personal de supervisión y vigilancia. La configuración de la estación estará basada en un ordenador tipo PC con los elementos más comunes de operación más los equipos de comunicación y una impresora para el registro gráfico o textual de eventos, tendencias e incidencias. 5. Red de Comunicaciones El sistema precisa conocer la información referente a los parámetros de funcionamiento de cada estación en tiempo real según las órdenes del operario de Planta. Esto implica el poder conocer, en el momento que éste lo demanda, la situación actual de la estación afectada. Por otra parte, los eventos que se suceden en las estaciones no tienen lugar de una forma periódica, sino que se producen en situaciones inciertas o en circunstancias dificilmente previsibles (a excepción de las señales generadas por maniobras remotas), de modo que debe estructurarse el sistema de forma que sea la propia estación remota la que informe a la estación central de los sucesos que la primera detecta sin que se obligue al operador del sistema a realizar exploraciones contínuas de todas las estaciones para asegurarse la recepción de la información correspondiente a eventos de indicadores, alarmas, etc. Asimismo, el sistema debe disponer de información periódica de los parámetros de los que se desea obtener, posteriormente, gráficos de evolución temporal sin depender de los instantes de tiempo en que el operario realiza exploraciones de las estaciones. En el caso de las captaciones, no existe ninguna información que deba intercambiarse entre estaciones, luego, el flujo de información resultará siempre de la estación remota a la Central y vicevera. No resulta así en el caso de las estaciones de Planta ya que, en este caso, si existe un flujo de información entre estaciones ya que éstas comparten elementos comunes (medidas, sirenas, niveles, etc. ). Debe preverse entonces, una arquitectura de flujos de información que permita a todas la estaciones comunicar datos a la central y entre ellas para dotar al sistema de una mayor flexibilidad en cuanto a la distribución de sensores dispersos y a la gestión de subsistemas dependientes de otros. Al igual que en el caso de las estaciones remotas, las estaciones de Planta deben comunicar a la central de datos, la detección de eventos que se deseen detectar en el momento en que éstos tienen lugar sin estar el sistema supeditado a las peticiones de exploración del operador del sistema. Ninguna de las dos arquitecturas de comunicaciones debe quedar supeditada al correcto funcionamiento de todos los elementos, sino que debe adaptarse a la pérdida momentánea o total de nodos o estaciones activas en la red sin que las prestaciones del sistema queden drásticamente penalizadas por este motivo. Según las especificaciones anteriores quedan definidas dos arquitecturas diferenciadas para los nodos proveedores de información a la central, ya que los equipos de comunicación de que disponen ya presentan una característica diferencial. Para las estaciones remotas se ha establecido un enlace de radio que permite la comunicación en un solo sentido ya que los equipos no permiten la emisión y recepción de mensajes en un mismo instante de tiempo. Por ello, será necesaria la utilización de protocolos del tipo Half-Duplex basados en el sistema pregunta/respuesta que impidan la colisión de mensajes provenientes de distintas fuentes a la vez. En cambio, en la red de comunicaciones habilitada para la red de autómatas de la Planta de tratamiento, es posible la transmisión y recepción de mensajes de forma simultánea, de modo que podrán emplearse protocolos de comunicación de ambos tipos, Half y Full Duplex. La utilización de protocolos del tipo Half-Duplex en la red de estaciones remotas implica la existencia de una estación maestra que sea la que genere las preguntas a las estaciones remotas y procese las respuestas que éstas generen. Del mismo modo, será esta estación maestra o central la que realice exploraciones periódicas de las estaciones para pedir el estado de sus parámetros. Este tipo de estructura no permite que una estación remota o esclava genere mensajes sin que la estación maestra se los pida. De este modo, la estación maestra siempre posee el control del flujo de la información y permitirá la utilización de los equipos de radio de forma eficiente sin que existan emisiones simultáneas de información desde dos o más puntos. Aunque los autómatas a instalar en las estaciones remotas de las captaciones pueden configurarse como estaciones maestras o esclavas resulta mucho más adecuado 6

7 aprovechar las posibilidades de estación maestra que posee la interfase de comunicaciones del programa SCADA ya que será esta estación la que estará sometida a una supervisión más frecuente por parte del personal técnico del servicio y, es la estación que debe centralizar todos los datos para su monitorización y almacenaje. De modo que será necesario configurar una de las interfases de comunicación del programa SCADA como estación maestra de una red de estaciones remotas con utilización de un protocolo del tipo Half-Duplex para la interrogación cíclica de las estaciones esclavas que conformen la red. En el caso de la Planta de tratamiento y las estaciones que conforman la red a instalar podría definirse una estructura similar pero es preciso dotar a las estaciones de la capacidad de generar mensajes entre ellas sin la dependencia de la estación maestra ya que se agiliza el traspaso de información y se reduce la ocupación de la red y el tiempo de CPU que la gestión de mensajes de estación a estación pasando por la central requiere de ésta. Así, resulta mucho mas eficiente dotar a esta red de una estructura de tipo anillo con protocolos del tipo paso de testigo (Token-Pass) en que cada estación realiza las tareas de comunicación que tiene pendientes antes de dar paso a la estación siguiente para que realice el mismo trabajo. Puesto que la estación de supervisión de la planta debe surtirse de la información que las estaciones poseen, será necesario intergrar esta estación en la red de la Planta como un nodo más. Tanto los PLC de la Planta como el programa SCADA permiten la configuración de sus puertos de comunicación para este tipo de redes. En el caso del SCADA deberá configurarse otra de sus cuatro interfases de comunicación para la gestión de protocolos de este tipo. Para la conexión de los equipos de radio a los PLC de las estaciones remotas se utilizará y se configurará el puerto serie de comunicaciones de que disponen para los protocolos especificados. Para la integración de los PLC de Planta a la red de comunicaciones, se utilizarán los puertos de comunicación tipo DH485 de que éstos disponen, quedando el puerto serie libre para comunicaciones suplementarias o ampliaciones del sistema. Este tipo de red permite además la programación remota desde la central de las estaciones de planta, lo que resultará en una mayor comodidad durante la puesta en marcha del sistema y en posteriores operaciones de mantenimiento. En el caso del PC de la Planta será posible la gestión diferenciada de los dos tipos de redes gracias a la configuración específica de las interfases de comunicación, que se realizará mediante la utilización de los dos puertos serie de que dispone, siendo posible la ampliación de éstos mediante tarjetas específicas añadidas. Puesto que las características eléctricas de la red del tipo DH485 de la planta no resultan compatibles con el estándar RS-232-C del puerto serie del PC será necesaria la instalación de una interfase convertidora entre ambos proporcionada por el fabricante. Los equipos PLC utilizados en las estaciones permiten la utilización del protocolo DF1 estándar de la marca Allen Bradley. Los autómatas disponen de un puerto serie configurable por el usuario y admiten la programación de protocolos ajenos a la marca pero se desaconseja esta opción por el tiempo de desarrollo que esta opción requiere. El protocolo DF1 resulta ampliamente adecuado para los dos tipos de red de comunicaciones que precisa la instalación, ya que soporta su utilización en estructuras de Half y Full duplex, así como redes de tipo paso de testigo. Además se cuenta con la experiencia adquirida de miles de instalaciones donde su utilización está sobradamente probada. La estructura de este protocolo, puesto que está desarrollado por el propio fabricante de los autómatas permite la utilización de todos los recursos de las redes y de los equipos y permite, asimismo, la implementación de equipos y sistemas desarrollados por otros fabricantes que incluyan este protocolo de comunicación. La utilización de este protocolo no representa una dificultad añadida en la programación de las comunicaciones ya que la implementación ya está realizada por el fabricante y resulta trasparente al programador que solo deberá preocuparse de configurar adecuadamente los parámetros del puerto de comunicaciones e implementar mensajes orientados a la información que se desea recibir o transmitir sin recabar en la construcción de paquetes de información que cumplan el protocolo. Con la configuración de redes definida y el protocolo DF1 el flujo de información para las redes a instalar será el siguiente : a) Red Captaciones - Central de Planta La estación maestra generará mensajes de lectura de los parámetros de las estaciones según los períodos de refresco de los mismos especificados en la base de datos del SCADA de forma secuencial. Las estaciones remotas responderán a las peticiones realizadas desde la central proporcionando la información que ésta les haya pedido De forma combinada, la central realizará un ciclo de muestreo (polling) a intervalos regulares programados a las estaciones para dar pie a que éstas respondan con información sobre los eventos que se registren en cada una. Este ciclo de polling se realizará con mayor rapidez que la lectura periódica de parámetros ya que será necesaria la mayor celeridad en la detección de alarmas. No se incluirá en este muestreo la lectura periódica de parámetros ya que no se precisa una frecuencia alta de refresco y, de este modo, no se realizará una ocupación excesiva del canal de radio, quedando éste libre para el polling y la posible compartición de frecuencia con otros servicios. Se programará en las estaciones remotas la generación de mensajes de respuesta al polling con la información puntual de los eventos detectados cuando se realice la interrogación. b) Red Planta de tratamiento La red de Planta permite que cualquier nodo integrado en ella pueda generar mensajes de lectura y/o escritura de información de/para otros nodos. Por ello, el flujo de información se realiza de igual a igual entre nodos. 7

8 Cada nodo dispone de un permiso cíclico (paso de testigo) para realizar toda la gestión de lectura/escritura que tenga pendiente según su programación antes de dar paso al siguiente nodo. La no existencia de nodos o la ausencia temporal de los mismos en la red no penaliza la rapidez del proceso del paso de testigo. Tal y como se han estructurado las estaciones, los flujos de información dependerán de los mensajes programados en los PLC y la actualización de datos de la central. De este modo, la central de datos realizará lecturas periódicas de los datos de los nodos de la planta en función de los períodos de scan programados en la base de datos del SCADA. Los mensajes de escritura entre estaciones, los llevará a cabo el autómata de Planta para proporcionar información esencial sobre el nivel del aljibe de aspiración al autómata existente de control del filtraje a presión para la posterior automatización del proceso. También se realizará un mensaje de escritura de la señal de alarma en el momento de la detección al PLC existente para aprovechar la infraestructura que posee de gestión de bocina y piloto de alarma de Planta. 6. Central de Telegestión La aplicación que debe ejecutarse en el ordenador destinado a las tareas de supervisión y telecontrol de la instalación deberá cumplir los siguientes requisitos y ofrecer las siguientes características: Gestión automática de las comunicaciones con las estaciones remotas de las captaciones y con los autómatas de planta Actualización periódica de los valores de las variables de la base de datos Presentación de los parámetros y de los estados de funcionamiento en sinópticos animados Detección y presentación de las alarmas detectadas Reconocimiento y registro histórico de alarmas y sumario de alarmas activas Detección de eventos del sistema y ejecución de acciones programadas Cálculos y elaboración de variables internas Telemando del automatismo de las captaciones Registro periódico de los datos de trabajo de las estaciones Elaboración y tratamiento de los datos almacenados para su presentación gráfica Registro de alarmas en impresora Estas funciones se realizaran con los equipos disponibles en la Estación Central, a saber, Ordenador de sobremesa tipo PC Impresora Software SCADA RSView Works 1500 Software de comunicaciones RSLinx Módulo interfase de comunicaciones RS-232-C/DH PIC para la red de Planta Módem radio T-MOD para la red de estaciones remotas 6.1 Gestión de comunicaciones El paquete de software que llevará a cabo la gestión de las comunicaciones (RSLinx 2.0) deberá configurarse para llevar a cabo el enlace de datos entre el paquete SCADA y otros paquetes adicionales que puedan añadirse en un futuro y los PLC de las estaciones remotas y Planta de Tratamiento. Para las comunicaciones con las estaciones remotas, se utilizará el canal de comunicaciones de radio integrado por los modem-radio. El equipo se conectará al puerto 1 de comunicaciones serie RS-232-C. El driver utilizado será el denominado DF1 Polling Master Driver. En la configuración del Driver deberán detallarse las estaciones y sus direcciones diferenciadas para evitas colisiones. En esta red, la velocidad de trabajo queda limitada por la capacidad de los modem. La configuración del puerto de comunicaciones será: Baudios: 2400 Bits de datos: 8 Paridad: No Bits de Stop: 1 Para la comunicación con las estaciones de planta mediante la red local tipo DH485 será necesario configurar un Driver compatible con el dispositivo utilizado, el PIC. Este Driver se denomina 1747-PIC Device y permite gestionar las comunicaciones integrando el PC en la red como un nodo más perteneciente a ella. Es necesario destacar que la estación central dispone de direcciones diferentes para ambas redes, el MODEM-radio y la red local DH45. En esta última se puede trabajar a velocidades más altas. La configuración del puerto de comunicaciones será: Baudios: Bits de datos: 8 Paridad: No Bits de Stop: 1 En la aplicación RSView deberán definirse tantos nodos como estaciones existan, asignando a cada uno el nombre y dirección descritos anteriormente. Para el refresco de la información se fijará una periodicidad de 5 segundos para las estaciones enlazadas por radio y de 1 segundo para las estaciones integradas en la red local de Planta. 6.2 Base de datos La base de datos que aloja las variables de información sobre el estado de la planta se organizará asignando un directorio para cada estación, incluyendo la estación central, donde se alojarán las variables o Tags agrupados por elementos comunes. 8

9 En la definición de cada Tag se especificará un nombre identificativo, el tipo de tag, los márgenes de trabajo y escalado, la estación donde se encuentra, la dirección de memoria correspondiente, etc. siguiendo los requerimientos del editor de la base de datos. También deberán incluirse en la elaboración de la base de datos de la aplicación los tags correspondientes a cálculos intermedios y consignas de funcionamiento. 6.3 Sinópticos de pantalla La información contenida en la base de datos, convenientemente actualizada por el gestor de comunicaciones, deberá presentarse al operador del sistema por medio de pantallas de tipo sinóptico donde los estados del sistema se mostrarán mediante animaciones y/o cambios de color de los dibujos que representen cada dispositivo susceptible de representar información. Hay que prestar particular atención al diseño de las pantallas y, en particular, a la distribución de las mismas y la interrelación entre ellas para posibilitar un navegación cómoda entre todas las posibilidades de representación disponibles. El accionamiento sobre los elementos susceptibles de realizar una acción se efectuará, situando el cursor sobre el elemento deseado y accionando el botón izquierdo del ratón. No se realizarán acciones mediante el teclado excepto las que requieran la introducción de datos alfanuméricos. Las pantallas a considerar se describen a continuación Pantalla general Una pantalla donde figure una lista de todas las estaciones disponibles (y permita albergar las futuras) en la que el acceso a cualquier estación debe poder realizarse con una sola pulsación del ratón. Desde la pantalla general o de presentación, también podrá accederse a una pantalla de selección de gráficas de evolución y a la pantalla de alarmas. Para una mayor comodidad de selección, se mostrará un plano de situación con botones de navegación para cada estación ubicados en la zona geográfica donde éstas se encuentran. Éste tipo de diseño, permitirá ir añadiendo paulatinamente estaciones de nueva integración en etapas posteriores del proyecto. Podrá accederse a esta pantalla desde cualquiera de las otras pantallas y es la que quedará siempre presente en la aplicación cuando no se esté trabajando con otras. Como en las demás pantallas, incorporará un barra de estado común donde se muestren los botones de navegación y la última alarma detectada presente no reconocida. Uno de los botones de navegación deberá proporcionar la posibilidad de salida al sistema operativo, previa confirmación de la operación Pantallas de estaciones de captación Se diseñará una pantalla de tipo sinóptico para cada estación remota de captación. En cada pantalla se mostrará toda la información correspondiente a la estación (estados, alarmas, telemandos y contadores) y se habilitarán botones de navegación para acceder secuencialmente a la estación siguiente o a la precedente, ordenadas por números. También se habilitarán botones de navegación para acceder a la pantalla principal, a la pantalla de selección de gráficos de evolución y a la pantalla de gestión de alarmas. Los criterios de diseño comunes a todas las estaciones son los habituales: cambios de color para indicar el estado de bombas, textos animados para indicar el estado de funcionamiento manual o automático, conmutadores animados marcha/paro, indicadores de alarma con pantalla específica de advertencia, etc Pantallas de Planta Debido a la naturaleza de los datos que deben monitorizarse de la Planta de tratamiento, éstos pueden agruparse en dos grandes bloques que servirán para dividir el sinóptico de Planta en dos pantallas: Recepción y filtraje, donde se mostrarán los parámetros de trabajo correspondientes a la etapa de recepción y, en etapas posteriores, las correspondientes al filtraje y a la impulsión hacia los filtros y depósitos, y Depósitos, cloración y salida, donde se mostrarán los parámetros de trabajo correspondientes a la etapa de post-cloración del agua, nivel actual de los depósitos de Planta y caudales y volúmenes registrados de salida hacia la red primaria. Las medidas de los parámetros figurarán en un indicador numérico adyacente al símbolo del sensor de medida donde se mostrará el valor numérico actual en el formato adecuado y las unidades de ingeniería correspondientes a cada medida. Otros aspectos a tener en cuenta son: Alarmas, que indicarán su estado con cambios de color en el símbolo correspondiente a cada alarma, y Consignas, que permitirán la entrada para la introducción de los datos correspondientes al umbral superior de alarma de Cloro en agua y la temporización que debe filtrarlo Pantalla de selección de gráficos Se habilitará una pantalla donde se mostrarán, ordenados por estaciones, los gráficos de evolución disponibles de la aplicación con un pequeño botón adyacente cuya pulsación provocará la presentación de la pantalla de gráficos seleccionada, como por ejemplo Niveles de Pozos, Presiones de impulsión, Caudales, etc Gestión de Alarmas La gestión de las alarmas se realizará cuando el sistema detecte la aparición de una alarma, que quedará registrada en el sumario de alarmas, y en el fichero de registro de alarmas junto con información referente a la misma. En el sumario de alarmas solamente se registran las activaciones de alarma. En el registro de alarmas quedan reflejados todos los tipos de eventos. Se creará una pantalla de alarmas a la cual se podrá acceder desde cualquier otra pantalla, pulsando el botón correspondiente, donde se visualizará el sumario de alarmas y se definirán botones para realizar las siguientes acciones: Reconocer todas las alarmas del sumario 9

10 Reconocer únicamente la alarma seleccionada del sumario Visualizar el archivo de registro de alarmas Para mayor comodidad en la monitorización de las alarmas, cuando el sistema detecte una anomalía, emitirá un sonido intermitente durante unos segundos y presentará la pantalla de sinóptico donde ésta está localizada Registro de datos Se definirá un módulo de registro de datos independiente para cada estación de captación y otro para la Planta. Los módulos de registro de datos, entrarán en funcionamiento cada vez que la aplicación se inicie y guardarán todos los datos necesarios para elaborar los gráficos de tendencia descritos anteriormente, en el disco duro del ordenador. Cada módulo de registro de datos generará archivos diarios y guardará la información correspondiente a un año. Superado este límite, se irán reescribiendo los archivos más antiguos con los nuevos registros. Estos archivos serán de tipo.dbf compatibles con la mayoría de bases de datos y hojas de cálculo, Gestión de gráficos Para permitir la gestión gráfica de datos históricos, se diseñarán pantallas gráficas conteniendo elementos que permitan observar la evolución de los valores registrados y almacenados en la memoria del ordenador. Para ello, se aprovecharán las posibilidades del sistema en cuanto a la presentación de gráficos de tendencia y su manejo. El acceso a cada pantalla de gráficos, se realizará desde la pantalla de selección de gráficos. Cada pantalla de gráficos deberá reunir las siguientes características: Ventana de visualización de los datos en forma gráfica Ventana de visualización numérica de los datos en un instante determinado Cursor de selección de instante para consultar valores Botones de navegación para el eje de tiempo para desplazar la ventana gráfica Campos de entrada para fijar el intervalo de tiempo del eje X Cursor para escoger el escalado del eje Y (zoom vertical) Cursor para desplazar la ventana en el eje Y (offset vertical) Selección de gráfico histórico o en tiempo real + intervalo Botón de impresión del gráfico representado Barra de estado análoga a las otras pantallas De este modo, podrá visualizarse la evolución de los datos en intervalos de tiempo seleccionables y desplazar la ventana gráfica a través del tiempo con ayuda de los botones de navegación, poder consultar los valores de las variables en un instante determinado y ajustar el escalado del eje Y para detallar, si es necesario, el trazado de la gráfica. En caso de resultar interesante, puede imprimirse cualquier gráfico presentado en la pantalla. 7. Conclusiones Este trabajo presenta un sistema de telegestión aplicado a una red pública de extracción, tratamiento y distribución da agua potable. Se describen las especificaciones que debe cumplir el sistema, y la solución adoptada, que pasa por establecer una red radio entre autómatas programables controlados desde una estación central donde corre un software de supervisión y control. Asimismo, se describe en detalle el sistema de comunicaciones y la estructura de intercambio de datos entre estaciones, y la estructura y funciones del software de supervisión. La aplicación presentada puede considerarse un ejemplo típico de funcionamiento de sistemas de telegestión, en los que resulta fundamental la definición de las funciones a ejecutar, la estructura de la red de comunicaciones, y la programación del software de control. Agradecimientos Este trabajo ha sido posible gracias a los datos e informaciones extraídos del Proyecto Final de Carrera del alumno Ingeniero D. Xavier Mir, dirigido por el autor en el año