Fundamentos del Telecontrol

Transcripción

1 Alfonso Cervantes Díaz-Toledo Laboratorio Central de Ensayos y Materiales de Riego T E L E C O N T R O L > Mando de un aparato, máquina o sistema, ejercido a distancia. 1

2 CONCEPTO DE TELECONTROL DE RIEGO > TELEGESTIÓN: Posibilita el conocimiento y gestión, de un modo remoto, de determinados parámetros y señales medibles en una instalación dotada de sensores o captadores. > CONTROL REMOTO: Posibilita el manejo y actuación a distancia de los actuadores de una instalación, en un momento dado o mediante una determinada programación de actuaciones que se ejecutarán en el futuro. > TELECONTROL: Concepto que integra la telegestión y el Control remoto. Control a distancia a través de un medio de Telecomunicación. T E L E C O N T R O L > Mando sobre un hidrante ejercido a distancia. PRETENDE Medir variables Actuar sobre elementos A distancia ya que están dispersos en una extensa superficie. 2

3 CONDICIONANTES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE TELECONTROL No existe un único diseño que sea válido, en todos los aspectos, a todas las zonas regables de España, y hay que tener en cuenta, entre otros, estos factores: Condiciones climáticas: Zona de relevantes tormentas eléctricas,problemas cable Sur de España, paneles solares Fríos en zonas continentales, baterías y electrónica Zonas de costa, antenas Condiciones orográficas: Zona muy montañosa, cobertura de radio puede complicarse aumentando potencias colocando elementos de repetición Configuración de la red de riego: Si se trata de una red mallada o una red arbórea: dificultad de crear mecanismos de simulación Configuración de hidrantes: Idoneidad de agrupaciones Incrementa el coste remota/válvula Facilita operaciones de mantenimiento Menor coste inicial de instalación del telecontrol Ausencia de alimentación eléctrica PARA CONSEGUIRLO NECESITAMOS > Medio para comunicarnos > Electrónica que permita la interacción con el usuario > Elementos que nos posibiliten actuar sobre nuestro sistema y otros que nos recojan información del mismo INSTRUMENTACIÓN > Transforman una magnitud física en eléctrica > Transforman una señal eléctrica en una acción sobre el sistema que en nuestro caso es una red de riego 3

4 Los parámetros más característicos de una red de distribución de agua CAUDAL PRESIÓN No menos importante La base para la facturación VOLUMEN SERVIDO A CADA USUARIO Un sistema de telecontrol permite actuar sobre elementos que hay en la red Puesto de control Móvil Internet Para ello Actuadores Ante pequeños estímulos eléctricos pueden desencadenar acciones más o menos importantes en elementos de la red: Accionar una válvula hidráulica Una válvula motorizada Abrir o cerrar una compuerta Poner en marcha o parar una bomba 4

5 MODOS DE FUNCIONAMIENTO > La Telegestión Se define como la posibilidad de conocer, de un modo remoto, centralizado y en tiempo real, algunos parámetros medibles del estado de una instalación. De acuerdo a esta definición, los sistemas que se ajustan a estas funcionalidades son sistemas que su fin último es el de recoger señales de sensores y enviarlas a un centro de control, pero no tienen posibilidad de actuar sobre ninguno de los elementos sobre los que obtienen información. Aplicaciones en regadío: Telelectura de contadores Aplicaciones basadas en un datalogger MODOS DE FUNCIONAMIENTO > Control local: El control local es la posibilidad de manejar, de un modo local, los actuadores de una instalación. Incluso la programación, de un modo local, de actuaciones que se ejecutarán en el futuro. Aplicaciones en regadío: Programadores de parcelas: es un grado de automatización muy básico, pero es de gran ayuda y en las zonas regables es muy importante, dada la configuración y diseño de las redes hidráulicas, pues a menudo, aunque el hidrante sea para una parcela, el regante dadas las características de Presión y Caudal que tiene, está obligado a sectorizar su parcela. 5

6 MODOS DE FUNCIONAMIENTO > El Control Remoto Es la posibilidad de manejar, de un modo remoto, centralizado y en tiempo real, los actuadores de una instalación. Incluso la programación, de un modo remoto y centralizado, de actuaciones que se ejecutarán en el futuro. En el control remoto no es necesario colocar sensores en el punto que tenga el control remoto, y sólo será necesario, por ejemplo, comandar una válvula o abrir una compuerta. Aplicaciones en regadío: Lectura de Contadores Apertura y cierre de Válvulas mediante electroválvulas Lectura de indicadores de presión (Transductor de Presión) En todos los casos sin necesidad de sensores para su actuación. MODOS DE FUNCIONAMIENTO > El Telecontrol: El concepto de telecontrol integra la telegestión y el control remoto. Como se puede ver, el mayor grado de automatización y el que más funcionalidad puede llevar a cabo al respecto del hidrante es el telecontrol. Así el Telecontrol integra el control remoto de los elementos de campo, con la información transmitida por los diferentes sensores. Aplicaciones en regadío: Lectura de Contadores Apertura y cierre de Válvulas mediante electroválvulas Lectura de indicadores de presión (Transductor de Presión) Lectura de los sensores de nivel, presión, temperatura, detectores de flujo, etc... 6

7 FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA DE TELECONTROL Podríamos definir la funcionalidad de un sistema de Telecontrol como la capacidad que presenta dicho sistema para responder a las necesidades de los diferentes sistemas de riego. Una buena capacidad de actuación, que permita su uso en diferentes situaciones podría abarcar: > Ser robusto y de funcionamiento riguroso y seguro. > Ser configurable en todos los aspectos posibles. > Ser modificado o ampliado sin que se altere su capacidad de trabajo. > Posibilidad de telecambio del firmware, es decir, poder reprogramarlo de forma remota sin tener que llegar hasta él. FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA DE TELECONTROL > Poder aceptar la conexión de entradas y salidas digitales y analógicas suficientes para completar el control sobre el hidrante. > Ser capaz de interpretar y registrar medias analógicas con la resolución necesaria. > Utilizar diferentes sistemas de alimentación: Energía solar fotovoltaica, baterías, pilas de litio, y pilas recargables. > Controlar el sistema de alimentación, cuando esta sea autónoma (instalación fotovoltaica). > Ser configurado para varios modos de funcionamiento. Continuamente encendido (activo), sólo encendido en determinados momentos (dormido) y la combinación de ambos (mixto). 7

8 FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA DE TELECONTROL > Ser controlado manualmente, guardar información de funcionamiento y permitir modificar el estado de las válvulas fuera de la programación. > Tener la posibilidad de admitir varios medios de comunicación, cable, radio UHF, tecnología móvil. > Admitir tarjetas de ampliación de entradas y salidas. > Permitir la ejecución de varios programas de riego por válvula, no condicionados a tiempos e intervalos fijos. > Poder establecer coordinación con programadores de riego en parcela (control local) como programador. > Poder integrar dentro de su lógica de funcionamiento, rutinas de funcionamiento superautomáticas que coordinan datos y sensores agroclimatológicos e información edafológica y de cultivos, que decidan cuándo y cuánto se debe regar. FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA DE TELECONTROL > Tener implementadas funcionalidades propias de control de válvulas en hidrantes, ya sea generando alarma, evento o registro en memoria ante situaciones de: Válvula abierta y no se detectan pulsos de contador. Válvula cerrada y se detectan pulsos de contador. Orden de abrir válvula y no confirmación por final de carrera de válvula. Orden de cerrar válvula y no confirmación por final de carrera de válvula. 8

9 POSIBILIDADES QUE OFRECE UN TELECONTROL > Capacidad de controlar y gestionar el recurso, el agua. > Introducción en el mundo rural de las nuevas tecnologías. > Profesionalización de las Comunidades de Regantes. > En regadíos bien dotados y caracterizados por la progresiva carencia de mano de obra, posibilita mantener la actividad del regadío : Disminuyendo el tiempo dedicado al regadío por parte del regante Aumentando el control de los elementos productivos del regadío Estableciéndose como elemento de apoyo en Planes integrales de Desarrollo Rural al colaborar por el carácter multidisclipinar del regadío contribuyendo a: Fijar la población y Conservación del paisaje > En regadíos infradotados, el telecontrol puede contribuir a optimizar la disponibilidad de agua, aumentando la eficiencia en el uso del recurso. > Con una perspectiva general, a nivel del Estado, la aplicación de las Directivas comunitarias en materia de agua y medio ambiente, es necesario contar con información verídica y contrastable del uso que se hace del agua en el regadío. > En las grandes comunidades de regantes, ayuda a : Mejora de la competitividad Facilitar la planificación y ejecución de labores de mantenimiento Facturación de consumos y adjudicación analítica de costes vinculados al uso del agua Posibilita una autogestión integral, moderna y eficiente. GIS > Medio de telecomunicación: Cable Cable eléctrico: El tipo de cable para líneas de comunicaciones tendrá el propósito de servir de soporte para el envío de una señal codificada. En este caso, la eficiencia vendrá determinada por: por la menor pérdida de intensidad posible de señal por la menor distorsión en la pureza de la señal recibida. - Ventajas: Puede permitir enviar datos y alimentación por el mismo cable. No se necesitan fuentes adicionales de alimentación. Fáciles de instalar si la zanja para el cable está sin realizar y se introduce conjuntamente con los tubos. Amplio ancho de banda - Inconvenientes: Vulnerables a roturas que cortan la comunicación y alimentación En caso de tormentas eléctricas es un posible foco de transmisión de grandes voltajes que pueden dañar la instalación. Requiere un costoso mantenimiento: deterioro progresivo del cable 9

10 > Medio de telecomunicación: Fibra óptica Fibra óptica: Los cables de fibra óptica contienen, en general, varios conductores ópticos. Cada conductor suele tener una sección muy pequeña (del diámetro de un cabello) y está formado en el núcleo, generalmente de cuarzo o de material plástico sintético. Los conductores ópticos presentan una atenuación, que depende de la longitud de la onda (0,2 a 0,6 db/km). Así pues, las distancias de enlace dependen de: Tipo de fibra empleado Calidad de los conectores - Ventajas: Capaces de transmitir gran cantidad de información, amplio ancho de banda. Es inviolable : Resulta muy complicado sacar información que transmiten. Inmune a interferencias electromagnéticas. - Inconvenientes Instalación muy cara. Caro y difícil de reparar posibles roturas. Material no específico para este tipo de instalaciones > Medio de Telecomunicación :Vía Modem: Radio Para transmisión de señales de proceso a distancias muy grandes se pueden conectar puntos mediante módem telefónicos o radio módem. Radio: Se suelen emplear para distancias de unos km como máximo y, generalmente, con una portadora en la banda de UHF. Permite transmisión a distancias considerables con una potencia muy baja. - Ventajas: No requiere pago por uso del sistema No depende de operador Cierta libertad de ubicación de las remotas, necesario cobertura de radio Precios competitivos Resolución de anomalías en red de comunicaciones muy rápida Coste de comunicaciones bajo Permite comunicaciones en tiempo real Simple de instalar y mantener 10

11 - Inconvenientes: - A potencias efectivas superiores a 100mW es necesario legalización de frecuencias, y se pueden cubrir distancias cercanas a 1 km. - La radio UHF es sensible a las variaciones de tensión, el cable de antena y el conector han de protegerse de electricidad estática. - Comunicaciones vía radio son sensibles a interferencias. - Poco ancho de banda. - Puesta en marcha compleja de las comunicaciones - Gestión compleja de las colisiones en las comunicaciones entre Centro de Control y remotas. > Medio de Telecomunicación: Vía GSM y GPRS Además de la comunicación vía radio en banda UHF, para frecuencias en torno a los MHz, si se trata de frecuencias superiores, MHz, tratándose de comunicaciones vía movil, se empieza a utilizar el GPRS como opción de soporte de comunicaciones. - Ventajas: Auge actual de desarrollo Mayor ancho de banda y velocidad de transmisión que la radio Antenas de menor tamaño y requerimientos de localización y altura Mayor facilidad de instalación Proporciona nueva forma de manejo del sistema Acceso WAP y WEB del regante a su válvula 11

12 -Inconvenientes - Coste de comunicaciones, tarificación por paquetes de datos - Necesario cobertura proporcionada por operador de telefonía - Para obtener precios asequibles es necesario negociar. - Consumo energético muy alto si canal de comunicaciones activo en permanencia. -Dificultad grande para resolver problemas técnicos cuando aparecen -No permite tiempo real (algo que debe ser sustancial en un sistema de telecontrol) -No se tiene conocimiento del estado del propio sistema de telecontrol - Una actualización remota del firmware es lento y no puede hacerse de manera simultánea. ARQUITECTURAS DE SISTEMAS DE TELECONTROL DE HIDRANTES CENTRO CONTROL CENTRO CONTROL 0 2 CENTRO CONTROL

13 Topología de árbol Centro de Control Nodo de Riego Estación Concentradora SISTEMA DE ALIMENTACIÓN: Aspecto fundamental > Influencia en protocolos de comunicaciones Ventanas, encolamientos, sistemas dormidos > Manejo de la instalación No tiempo real, sistemas off-line > Interacción del usuario con el Sistema: órdenes no inmediatas > Condicionamiento de hardware a instalar: soluciones a menudo más caras > Concepto de tiempo real en el regadío se desvirtúa, es necesario? 13

14 Por cable: > Coste elevado del propio cable > Debe poder estar enterrado, con su consiguiente protección mecánica contra paso de maquinaria, protegido contra roedores, etc. Debe tener un buen aislamiento (para protección contra corrientes debidas a descargas atmosféricas). > También debe tener una buena protección contra la humedad, rayos ultravioletas (zonas aéreas), temperatura, etc. > Instalación costosa: Apertura de zanjas, registros para conexiones, etc. > Mantenimiento costoso: Difícil de reparar en caso de avería Sensible a producir averías en los equipos debidas a descargas atmosféricas > PILAS Las pilas son elementos de generación de energía a través de la interacción química entre metales distintos. Las pilas que más se usan, son las pilas de litio. > Las principales ventajas de las pilas son: Alta concentración de energía Su instalación es sencilla No ofrecen impacto visual Bajo coste Amplio rango de temperatura de operación (-30 ºC a +70ºC) Permite stock (autodescarga de sólo 10% en 10 años en almacén) Pequeño tamaño 14

15 > Los principales inconvenientes son: No es posible tener la remota siempre activa: Condicionan el manejo del sistema de telecontrol Se trata de elementos de corta e indeterminada duración, en función del gasto y de las condiciones de temperatura. Se trata de elementos de corta e indeterminada duración, en función del gasto y de las condiciones de temperatura. Tienen una autodescarga propia: pérdida de capacidad con el tiempo En general, pueden ser elementos sensibles al robo, que requieren de algún tipo de sistema de protección, lo que aumenta el coste. > PANELES SOLARES Compuesto por varios elementos. Para que sea fiable es necesario que todos los elementos sean de muy buena calidad y un diseño integrado: Panel fotovoltaico Panel fotovoltaico de calidad para larga vida. Resistente a granizo, etc. Buen sistema de conexión. Cargador de batería Cargador de batería inteligente: Debe aprovechar toda la energía disponible del panel, para que este sea lo más pequeño posible. Debe poder cargar la batería tomando en consideración la temperatura, estado de carga, energía disponible, etc. 15

16 Batería Batería recargable: Debe ser de tecnología no contaminante, como Li-ion. Debe ser compatible con carga mediante panel fotovoltaico (se dispone de energía limitada y no controlable). Debería ser de 1 sólo elemento para poder garantizar una carga de precisión y por tanto maximizar su vida. Todo esto implica: - Coste elevado (sistema de calidad) - Necesita sustitución de la batería cada 3-4 años - Sensible a la suciedad en el panel (polvo, acumulación de productos químicos debidos a procesos de tratamiento de plantas, deposiciones de pájaros, etc.). - Necesitan una limpieza periódica. - Sensible a robo - Depende de insolación (debe soportar períodos largos sin sol en algunas zonas) Los paneles solares son elementos de producción de tensión de alimentación continua basados en células fotovoltaicas (es decir, elementos de silicio que producen una diferencia de potencial al ser directamente iluminados por el sol). > Las principales ventajas de los paneles solares son: Se trata de elementos de larga duración (vida útil entre 10 y 20 años) en condiciones normales. El tiempo medio entre fallos es elevado (alrededor de un año), Su instalación es sencilla Posibilita el tener la remota siempre activa. > Los principales inconvenientes son: Baja concentración de energía por metro cuadrado, lo que hace que los paneles solares sean elementos grandes comparados con otras formas de obtener energía (algo menor de 1 metro cuadrado por cada 100W) La parte expuesta al sol de los paneles solares es de vidrio, con el consiguiente riesgo de rotura. Los paneles con cubierta de plástico laminado proporcionan pequeñas potencias. En general, son elementos sensibles al vandalismo, que requieren de algún tipo de sistema de protección, lo que aumenta el coste. 16

17 Por microturbinas: Turbina de pequeña potencia que genera potencia eléctrica mediante el paso de agua. Compuesto por varios elementos. Para que sea fiable es necesario que todos los elementos sean de muy buena calidad y un diseño integrado: Turbina Debe tener un diseño eficiente. Debe emplear un sistema que sea robusto frente al paso de elementos sólidos en la conducción de agua. Debe incorporar filtros de protección. Cargador de batería Cargador de batería inteligente: Debe controlar el arranque y el paro de la turbina en función de las necesidades de carga de la batería. Debe poder cargar la batería tomando en consideración la temperatura, estado de carga, presión disponible, etc. Batería Batería recargable: Debe ser de tecnología no contaminante, como Li-ion.. Debería ser de 1 sólo elemento para poder garantizar una carga de precisión y por tanto maximizar su vida. Todo esto implica: - Coste elevado (sistema de calidad) - Necesita sustitución de la batería cada 3-4 años - Elementos mecánicos (desgaste, lubricación, etc.) - Consumo de agua para carga de batería - Carga de batería sólo posible si hay presión en la tubería. Que sucede después de un período sin presión (fuera de temporada de riegos). 17

18 APLICACIÓN DEL TELECONTROL EN UN HIDRANTE Aunque no se puede establecer una configuración única de un hidrante, de forma genérica el hidrante puede estar formado por los siguientes elementos: > Contador volumétrico: Una de las principales funcionalidades que debe realizar el sistema de telecontrol aplicado a regadíos es la posibilidad de registrar la lectura de contadores. Para ello el contador debe comportarse como un sensor. La forma de conseguir esto es incorporando a los contadores un emisor de pulsos, que emitirá una señal eléctrica y que será recibida por el elemento de telecontrol correspondiente. Contadores : Los sensores/conmutadores Reed de proximidad son muy tolerantes al desalineamiento y se ajustan bien a entornos contaminados por polvo y líquido. Constan de dos partes, el conmutador reed y el actuador magnético. El conmutador reed cambia su estado cuando el actuador magnético se acerca a él, sin necesidad de que exista contacto físico entre ambos. La distancia de operación puede variarse con una adecuada elección del actuador magnético. Las configuraciones del conmutador con contactos normalmente abiertos o intercambiables. 18

19 APLICACIÓN DEL TELECONTROL EN UN HIDRANTE > Electroválvula o solenoide: Normalmente el hidrante tiene una válvula para el paso o no de agua, mediante diferencias de presión. La electroválvula es el elemento necesario para controlar dichas diferencias de presión. El sistema de Telecontrol debe ser capaz de controlar la electroválvula mediante una señal eléctrica. > Electroválvulas: Es una válvula accionada por señales eléctricas que provocan que la válvula se abra permitiendo establecer o cortar la conexión hidráulica entre dos vías.). Las válvulas se componen de dos partes principales: - Cuerpo de la válvula, por la que fluye el líquido. - Electroimán o bobina, que activa la válvula para que abra o cierre. Funcionamiento: Cuando se aplica corriente a la bobina, se forma un campo magnético que atrae el inducido hacia arriba. De esta manera se abre el orificio de paso de la válvula y el medio podrá fluir sin impedimento a través de la válvula. Cuando la corriente se interrumpe, el inducido se mueve hacia abajo y cierra el nuevo orificio de paso de la válvula. Características técnicas: -Intervalo de presiones 0-10 bar -Temperatura del medio 10ºC a 90ºC -Tensión 12VDC /9VDC /6VDC +- 10% -Duración mínima impulso >20 ms Transductores de presión:. Proporcionan un valor analógico, señal de 4-20 ma o 0-10V. Los mejores son los de membrana aflorante. > Presostatos: De mínima o máxima. Proporcionan un flanco de subida único 19

20 > El Centro de Control es donde tiene que existir un interfaz cómodo y práctico que de información veraz de lo que ocurre o ha ocurrido en la instalación. - Debe poder : Publicar las alarmas del sistema Habilitar herramientas de programación de válvulas Posibilitar la configuración de parámetros de funcionamiento de los elementos de campo (remotas). Gestionar avisos vía GSM o teléfono. Guardar de forma segura configuración elementos del sistema - Normalmente se ha hecho a través de software SCADA, pero los SCADAs que provienen del entorno industrial, si bien son muy útiles como herramientas de adquisición de datos, dan una funcionalidad muy basta y poco eficiente en cuanto a la gestión se refiere, en los aspectos: El interfaz gráfico, que no es lo suficientemente potente La emisión y configuración de informes Gráficos de la red de riego Facturación y gestión de programación > Por lo que acaban rodeados de programas que sí desarrollan esas funcionalidades de forma más eficiente, cómoda y personalizada. Centro de Control (SCADA) Software donde se reflejan el estado de las comunicaciones de las concentradoras,de los nodos y de sus válvulas 20

21 CONTACTO Alfonso Cervantes Díaz-Toledo Responsable de Telecontrol del Center Laboratorio Central de Ensayos y Materiales de Riego acervant@tragsa.es laboratorio5@marm.es Tel: / Fundamentos del telecontrol 21