IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA NOROCCIDENTE EMAAPQ

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1 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA NOROCCIDENTE EMAAPQ Luis Enrique Dalgo, Ing. Luis Tapia Calvopiña, Ing. MSc ESCUELA POLITECNICA NACIONAL Resumen El presente proyecto tiene como finalidad diseñar e implementar un sistema de detección de fugas de cloro y el control de posición de las válvulas de entrada y salida, a ser aplicado en la planta de tratamiento de agua Noroccidente de la EMAAP-Q, por medio de un sistema SCADA y un HMI para el control, supervisión y almacenamiento de variables importantes en el sistema. El sistema implementado mejora la seguridad mediante un control de fugas del Gas Cloro, el cual tiene alto riesgo para la salud de las personas por su alto grado de toxicidad. Por lo tanto es necesaria una correcta monitorización de la cantidad de cloro en el ambiente mediante una medición de partículas por millón (ppm) para ventilar el sitio, y generar una alarma general cuando exista una fuga y a través de un HMI monitorear las fugas en tiempo real. Se mejora la operatividad de la válvula con 3 tipos de control: Control local manual: con un volante físico mecánico y una caja reductora para mejorar la operación del mismo. Control local eléctrico: gracias a un motor trifásico eléctrico y botones locales para apertura y cierre de la válvula con un display local que indica la posición de la válvula. Control Remoto: desde la sala de control con un HMI que ayuda a visualizar la posición en tiempo real y alarmas de mal funcionamiento del actuador eléctrico mediante una red industrial Modbus RS-485. Se pretende tomar este modelo para diferentes plantas de tratamiento de agua para mejorar su control y seguridad. 1. INTRODUCCIÓN El proyecto se encuentra dividido en 2 sistemas a través de los cuales se identifica el problema y se elabora una solución del mismo. Sistema 1: sistema de control de fugas de gas cloro con la supervisión y almacenamiento de datos de fugas del gas, el cual además permite la ventilación automática del sitio. El sistema permite la actuación de una alarma general para alertar al personal de la planta tanto en el sitio como en el cuarto de control, mediante un HMI. Sistema 2: sistema de control de posición de la válvula con un sistema de control automático de posición mediante un set point en tiempo real a través de un HMI. 3. SISTEMA ANTERIOR 3.1 Sistema de control de fugas de gas cloro. La planta no posee un sistema de control de fugas de gas cloro por lo que la operación normal de la planta puede ser peligrosa para el personal de la planta y el medio ambiente cercano a la planta, ya que se dosifica gas cloro las 24 horas, los 365 días del año sin excepción. Debe recordarse que que la dosificación de cloro garantiza la desinfección de bacterias que pueden existir en el agua. 3.2 Sistema de control de posición de válvulas Existe una válvula mariposa de 20 a la entrada y salida de la planta, que funciona con un volante perpendicular a la válvula accionado manualmente. Figura 1 Control actual de la válvula El control de la válvula actualmente se lo efectúa manualmente y sólo permite determinar si está totalmente abierta o cerrada pero no se puede visualizar su posición intermedia. La operación de esta válvula es incómoda y puede ocasionar ruptura del eje por ejercer mucho torque al volante aislando el único control que se tiene de la válvula. 4. SIMULACIÓN DEL SISTEMA ANTERIOR En el presente proyecto se realizará la simulación del Sistema de control de posición de la válvula. Para determinar el modelo del sistema se debe conocer el tiempo que se demoran en ir de la posición totalmente abierto a la posición totalmente cerrado para determinar las constantes. Sistema de 1er orden La función de transferencia para este sistema es: 2. OBJETIVO Para desarrollar el proyecto se parte de un diagnóstico del actual sistema de control de fugas de cloro y del control de la posición de la válvula, con el objeto de para dar la solución más adecuada a los problemas que se presentan en dichos aspectos técnicos.

2 De esta simulación se observa la manera como la válvula llega a 90 grados en un tiempo de 120 segundos. Figura 2 Función de transferencia La constante K se obtiene de la siguiente relación Para hallar el valor de T se debe tomar en cuenta que el sistema en 120 segundos se cierra completamente con la ayuda de los 2 operadores. Se considera que el sistema es estable en 4*T, por lo que: Con estos parámetros se determina la función de transferencia: 4.1 SIMULACIÓN DE POSICION DE VALVULA ANTERIOR La simulación se realiza considerando que el sistema es de lazo abierto. 5. DEFINICIONES Y GENERALIDADES 5.1 Definición de sistema scada SCADA Supervisory Control And Data Adquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Un sistema SCADA permite supervisar y controlar a distancia dispositivos de campo de un proceso, así como todos sus elementos para un adecuado funcionamiento. Además se puede generar históricos para luego adquirir los datos para realizar: control de calidad, supervisión de variables, mantenimientos programados. 5.2 CONCEPTO DE UN SISTEMA SCADA Un sistema SCADA esta preparado para: -Adquirir datos de campo -Proporcionar una Interfaz hombre-máquina (HMI) -Generar y grabar históricos (data logger) -Crear lazos de control. 5.3 ELECCION DE ELEMENTOS DEL SISTEMA SCADA Se debe considerar criterios para adquirir datos de campo para los dos sistemas: -Sistema de detección de fugas de cloro -Sistema de control de posición de la válvula 5.4 SISTEMA DE DETECCIÓN DE FUGAS DE CLORO Los elementos del sistema SCADA para la detección de fugas de cloro deben permitir la monitorización en tiempo real de fugas de cloro y controlar ventiladores que se deben situar en los sitios de dosificación de gas cloro (cuarto de tanques de gas, dosificadores de cloro) para evacuar el gas cloro del sitio y evitar el contacto con personal de la planta. También deben existir indicadores de alarma cuando se presenten fugas en el sitio y en el HMI ELECCIÓN DE LOS SENSORES DE CLORO Se necesita sensores de cloro para monitorear el gas cloro que existe en el ambiente, en el sitio de cloración para evitar fugas para lo cual se necesitan 2 sensores: -Para la cámara donde se encuentran los cilindros -En el cuarto donde están los dosificadores de cloro -Se necesita un visualizador en el sitio que pueda dar una alarma sonora y además ayude a activar unos ventiladores para evacuar el gas cloro. Por esto se debe seleccionar sensores electroquímicos crowcon con un rango de medición de 0 a 10 ppm, que se conectan a un equipo visualizador gasmaster el cual dará medidas en tiempo real del gas cloro y permite, con salidas de 4-20 ma, enviar las señales a un PLC. Se necesita que detecte 0.1ppm para determinar que existen fugas en el sistema. Figura 3 Simulación de estado actual

3 5.4.2 ELECCIÓN DEL PLC Para el sistema se necesita un PLC que posea entradas analógicas y digitales, además de comunicaciones MODBUS RS-485 En este proyecto se ha elegido al PLC OMRON CJ1M que permite conectar hasta 100 módulos adecuados para entradas y salidas analógicas y digitales, con comunicación ETHERNET, Rs232, MODBUS RS485. Para monitorear las señales analógicas de los sensores de cloro existentes se necesita que el PLC tenga entradas analógicas 4-20ma, por lo que se seleccionó un modulo de 4 entradas analógicas, que va a servir para enlazar los sensores de cloro y 2 equipos adicionales. En el caso de esta planta se conectará un medidor de cloro residual a una entrada de 4-20 ma, para monitorearla a futuro y un medidor de turbiedad. El PLC seleccionado debe considerar la posibilidad de ampliaciones futuras. Características del PLC: Alimentación 120v 60Hz 2 Entradas análogas 4-20mA 4 Entradas digitales 24v VCC Comunicación modbus rtu Rs485 El master del sistema va a funcionar desde un HMI que debe ser configurado en una pantalla touch screen a través de una red MODBUS para adquirir datos de: Medida de cloro en el ambiente en el cuarto de dosificación y en los cilindros de gas cloro en tiempo real. Control de posición de válvula con set point, adquisición de señales de torque y posición en tiempo real así como también alarmas por mal funcionamiento del actuador eléctrico que ayudan a ubicar la falla o error en tiempo real RED DEL SISTEMA Para el sistema se necesita un tipo de red que sea estable y que se pueda expandir sin problema. Debe ser simple para administrar y expandir. No se deben requerir de configuraciones complejas cuando se añade una nueva estación a la red. También hay que tener en cuenta la cantidad de equipos que se van a conectar en esta red y la distancia que va a existir en los equipos, en este caso la distancia entre el panel de control y el actuador eléctrico es 600m y se van a enlazar 3 equipos Lo más aconsejable es elegir una red MODBUS RS-485 que se acopla con las necesidades y tiene además las siguientes ventajas: Se pueden conectar hasta 32 equipos simultáneamente con una distancia de 1200m máximo entre equipos, es decir que el sistema queda abierto para ampliarlo con más equipos que tengan este tipo de comunicaciones Transmisión en un par de cables, lo cual mejora la facilidad de expansión y verificación de ruptura de cable más fácil Configuración de MODBUS RS485 Figura 4 Sistema de detección de fugas de gas cloro SISTEMA DE CONTROL DE POSICIÓN DE VÁLVULA Para el sistema de control de la válvula se necesita de una válvula mariposa de 20 y un actuador eléctrico ¼ de posición para válvulas mariposa con comunicaciones MODBUS RS485 para realizar los siguientes tipos de control: Control manual local con volante mecánico y caja reductora Control manual eléctrico: con motor eléctrico y botonera en actuador eléctrico con visualizador de posición. Control remoto automático: con control de set point a través de un panel de operador conectado a una red MODBUS RS485 La referencia debe ser a través de una pantalla máster. El controlador viene incluido en el actuador eléctrico PANEL DE OPERADOR 1 maestro será el panel de operador y habrá hasta 32 esclavos. Figura 5 Configuración de las redes Se debe mantener la siguiente configuración en todos los equipos MODBUS, para que coincida la configuración de red del sistema: Tipo de protocolo MODBUS RTU, 2 cables Tiempo de respuesta de esclavo: 600ms Configuraciones del puerto: Velocidad: 9600bps Numero de bits:8

4 Bit de parada:2 Paridad: ninguna La función step inicia en 1 segundo, varía desde 0 hasta 1 y va a sobrepasar el límite de 0.1 El límite de sensores de cloro es 0.1 ppm y a partir de esta señal se activan unos relés para activar unos ventiladores de seguridad Figura 6 Sistema completo Todo el sistema completo va a trabajar con el panel de operador con referencia al siguiente diagrama de flujo para monitorear y controlar al sistema. Se tiene un menú de inicio desde el cual se selecciona el sistema de control de fugas y sistema de control de posición de válvulas para facilidad del operador y rápida operación del mismo. Figura 8 Simulación de respuesta de controlador de fugas Estos ventiladores se apagaran cuando la señal es menor de 0.1. Figura 9 RESPUESTA DE CONTROLADOR DE FUGAS Figura 7 Diagrama de Bloques 6 SIMULACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL 6.1 Sistema de fugas de cloro: Para este sistema sólo se necesita la comparación de los sensores de cloro con un control on off, para cuando se tenga 0.1ppm de cloro se activen 2 ventiladores para evacuar el área y suena una alarma en el equipo para alertar con una alarma sonora. 6.2 Sistema de control de posición de la válvula. Se deben definir las variables que se van a ocupar en el modelo Figura 10 Control de posición de la válvula con referencia

5 6.2.1 Referencia: La señal de control va a salir desde el operador dando la posición que se desee para accionamiento de la válvula con el actuador con un rango de 0-100% para manipular la válvula. Figura 11 Señal de referencia de posición con referencia Medición de posición de válvula: La realimentación del modelo se la hace internamente con el actuador eléctrico donde la medición de la posición angular consiste en contar los pulsos que entrega el encoder, y relacionar esta cantidad con un número de grados de giro del eje del motor Simulación con realimentación Esta simulación es conocida también como sistema en lazo cerrado y se obtiene una realimentación de la posición. La respuesta del sistema Función de transferencia del control de la válvula Figura 12 Simulación de función Donde mejora el tiempo de operación de la válvula a 30 segundos La entrada es la suma entre la señal de error y señal realimentada RESPUESTA DEL SISTEMA SCADA La respuesta real del sistema debe tomar en cuenta que la posición inicial es en 0 o cerrado y que en 100 es la posición totalmente realizada.

6 Para esto se coloca en el set point la posición 100 desde la pantalla y se toma el tiempo que lleva en abrirse al 100 por ciento. Se realizan mediciones visualizando la posición en el Master touch screen con una variación de 0 totalmente cerrada hasta 100 totalmente abierta, obteniendo la siguiente grafica que se asemeja al simulado y mejorando la respuesta inicial del sistema en estudio. tiempo 0 0 4,8 10 7,2 20 9, , , , , , , ,2 100 posición Tabla 1 Respuesta en el tiempo de operación de válvula -El nuevo sistema se acopla al anterior con los equipos e instrumentos que funcionaban originalmente en la planta, mejorando el sistema, donde permite monitorear el cloro y controlar la posición de la válvula local y remotamente. 8. BIBLIOGRAFIA [1] EMAAPQ (2009). Normas Emaap-q para potabilización del agua, para uso y consumo.ecuador [2] OGATA,Katsuhico (1998). Ingeniería de control moderno. Tercera edición, Prentice Hall Hispanoamericana. México [3] SMITH, Carlos (1991). Control automática de procesos. Teoría y práctica.editorial Limusa sa, México [4] Underwriters Laboratories(2010). Normas de seguridad UL. Estados Unidos [5] IEC (2007). International Electrotechnical Commission. Estados Unidos [6] OMRON (2009). Manual User CJ1M, Omron electronics. Japón [7] AUMA (2009).Manual User Part Time Actuator.AUMA. Mullheim Alemania [8] RED LION (2009).Manual User touch screen g306,estados Unidos [9] Crown cown(2009).manual user gasmaster. Estados Unidos [10] KSB(2009).Manual user Valve butterfly,francia [11] Juan Antonio Aguirre (1985).Introducción a la evaluación económica y financiera de inversiones. Editorial Iica,Costa rica. DIRECCIONES WEB [12] [13] [14] [15] [14] 9. BIOGRAFIA Figura 13 RESPUESTA DE SISTEMA REAL 7 CONCLUSIONES -El sistema funciona adecuadamente según el diseño de este proyecto, mejorando la seguridad y operabilidad de la planta desde un HMI amigable para el operador. LUIS DALGO, Nació en Quito el 25 de Noviembre de 1980, obtuvo el título de bachiller técnico en el colegio técnico salesiano Don Bosco y sus estudios superiores en la Escuela Politécnica Nacional obteniendo el título de ingeniero eléctrico en marzo de 2010,Actualmente trabaja en CORPECEL en el área Técnico Comercial.

7 LUIS TAPIA CALVOPIÑA, Ingeniero Eléctrico de la Escuela Politécnica Nacional 1976,Magíster en Tecnologías de la Información para Fabricación de la Universidad Politécnica de Madrid 2001, Director del Instituto de Tecnólogos, Coordinador de Electromecánica, Jefe del Departamento de Energía Eléctrica, profesor Principal de la EPN.