RED DE TOMA DE DATOS Y TELEMANDO DEL CANAL DE ISABEL II Juan I. Zubizarreta Canal de Isabel II 1. INTRODUCCIÓN El agua potable es un elemento escaso, variable en aportación y de primera necesidad, relacionado tanto con el medioambiente como con el desarrollo social e industrial. La gestión que realizan las empresas, como es el caso del Canal de Isabel II, requiere elevados niveles de eficacia y eficiencia que no pueden lograrse sin un adecuado sistema de monitorización remota que haga posible un seguimiento del sistema hidráulico disperso en una gran área geográfica. 2. OBJETIVOS En este artículo se pretende realizar una descripción y transmitir los principios de operación del sistema de monitorización y control del Canal de Isabel II, así como ciertos conceptos relacionados con el sector del agua. 3. DESCRIPCIÓN 3.1 EL CANAL DE ISABEL II La actividad del Canal de Isabel II se centra en el ciclo integral del agua. Básicamente supone el conjunto de los procesos de captación, producción de energía hidroeléctrica, tratamiento, transporte distribución y comercialización del suministro agua potable en cantidad y calidad adecuadas a la población; y una vez hecho esto se encarga de la depuración de las aguas residuales a fin de devolverla a los cauces de los ríos en condiciones similares a las que fue obtenida de ellos. La empresa matriz del grupo tiene su ámbito de competencia en la Comunidad de Madrid, abasteciendo a una población de más de cinco millones de habitantes. La empresa Canal de Isabel II fue creada en 1851. En aquellos tiempos la población de Madrid era de 200.000 Atazar habitantes y las fuentes de agua se basaban en un conjunto de minas de origen árabe que llegaban a proporcionar 7 litros por habitante y día; esta escasez unida al hecho de la no existencia de redes de saneamiento provocaban, como no era raro en las grandes ciudades de aquellos tiempos, problemas importantes de salud pública. -1-
El problema llegó a ser tan grave que obligó a considerar el traslado de la capitalidad de la nación a otra urbe con mayor abundancia de recursos hídricos. La solución pasaba por utilizar los ríos de la sierra Madrileña creando embalses de regulación y almacenamiento y transportando el agua por medio de un canal. Las obras llevadas a cabo, que hoy en día serían muy costosas, en aquella época resultaron de proporciones sin precedentes. Puesto que la infraestructura de mayor envergadura era un canal de transporte, en honor a la reina regente, la empresa fue llamada Canal de Isabel II. Hoy en día, además de ser la empresa pública más antigua de España es moderna, suministra agua gestionando su ciclo integral para 164 municipios dispersos en los más de 8.000 Km 2 de la Comunidad de Madrid a través de 10.200 km de tuberías para una población por encima de los 5 millones de habitantes que consumen 300 litros por habitante y día; además se depuran las aguas residuales de más de 160 municipios. Como fuente principal de recursos hídricos cuenta con 14 embalses, localizados en 7 ríos, que proporcionan una capacidad máxima de 946 hm3 para un consumo medio anual de 576 hm3. 3.2 EL AGUA Volviendo a la visión retrospectiva, una vez que Madrid fue abastecido por agua potable en cantidad y calidad adecuadas aumentó la demografía así como el consumo. En los datos históricos disponibles desde 1858 se aprecia una tendencia continua de crecimiento con algunas variaciones debidas a los comportamientos en épocas de 700 escasez. El reparto del consumo entre la población creció 600 con bastante rapidez con una tendencia a una estabilización a valores cercanos a los actuales 300 litros 500 por persona y día. 400 Casi toda el agua susceptible de utilización por el ser humano tiene su origen en las lluvias y una de las principales características de las mismas es su variabilidad, lo que hace que en ciertos años las aportaciones sean menores que la demanda 300 200 100 0 1858 1905 1927 1937 1947 1957 1967 1977 1987 1997 En tales momentos el CYII utiliza recursos alternativos Consumo total en hm 3 desde 1858 constituidos, principalmente por el trasvase desde la cuenca del río Alberche y la utilización de aguas subterráneas. Ambos recursos requieren costes elevados por bombeos, son limitados en cantidad y en el caso de las aguas subterráneas requieren un periodo largo de regeneración. Un aspecto de interés relacionado con el agua lo constituye su precio. Si bien éste ha ido aumentando con el tiempo, su efecto neto sobre la economía familiar ha ido decreciendo. Para realizar un ejercicio de valoración sobre el precio del agua, podemos emplear un valor de referencia de cerca de un euro por metro cúbico, es decir, por 1000 litros de agua. En el caso del CYII esto implica llevar hasta el propio domicilio del cliente 1.000 Kg de producto obtenido desde más de 80 Km, adecuadamente tratado y, una vez utilizados, gran parte de ellos son recogidos del mismo domicilio depurado y devuelto a los cauces de los ríos. Al contrario del resto de los productos y bienes, el precio del agua penaliza el exceso de utilización de manera que éste es mayor cuanto mayor sea el consumo. Además, la empresa realiza campañas de concienciación para animar al uso responsable y, en definitiva, a la reducción del consumo. -2-
3.2 EL SISTEMA DE TELECONTROL En el CYII se conoce como Telecontrol al sistema de monitorización permanente de la red hidráulica y telemando. Es una actividad tecnológica multidisciplinar que el CYII utiliza para monitorizar y de este modo poder conocer el estado hidráulico de sus instalaciones. Los requisitos de gestión que la amplitud del sistema y complejidad de las redes hidráulicas requieren con sus embalses, canales y conducciones, plantas, etc., así como los requisitos de calidad y seguridad del abastecimiento, hacen obligado la existencia de un sistema que permita disponer de información veraz y actualizada a fin de tener la seguridad que el complejo e interrelacionado conjunto de procesos se realizan de forma coordinada, segura y óptima. Para ello, el telecontrol es la herramienta indispensable. El concepto de telecontrol en el CYII nació a finales de la Centro Principal de Control década de los 70. Desde entonces, la obligada evolución de la tecnología electrónica, informática y de comunicaciones, así como las cada día mayores necesidades de cantidad, calidad e inmediatez en información exigen una constante y permanente actualización y modernización. En la actualidad se está controlando las siguientes instalaciones:?? Aducción de agua a Madrid. Desde los 14 embalses y 50 pozos de captación de aguas subterráneas hasta los depósitos urbanos de regulación.?? Aforos. Puntos singulares de medida de caudal en canales y ríos.?? Auscultación de presas. Medida de parámetros de auscultación y control estructural de presas.?? Infraestructuras municipales de abastecimiento. Supervisión de 140 depósitos, elevadoras, reductoras de presión y chimeneas de equilibrio de la red de abastecimiento de los Municipios de la Comunidad de Madrid.?? Redes de distribución y nudos neurálgicos. Agua entregada a las redes de distribución y control sobre las principales arterias?? Meteorología. Información sobre precipitación, temperatura y humedad relativa en todos los embalses controlados por el CYII y en distintos puntos característicos de la Comunidad de Madrid (cuencas intermedias).?? Calidad de agua. Control sobre la cantidad de cloro, amonio, nitritos y sobre los valores de ph y conductividad del agua entregada a los depósitos y en las redes de transporte.?? Minicentrales hidroeléctricas. Control sobre las magnitudes eléctricas, hidráulicas y de producción de las minicentrales. -3-
3.2.1 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN De manera simplificada el Telecontrol se compone de dos mundos:?? Centro Principal de Control (CPC), junto con el software, que actúa como de centro de recepción, análisis, seguimiento, cálculo, emisión de órdenes, etc.?? Instalaciones de campo que comprenden sistemas de comunicaciones, autómatas de control, los propios instrumentos de medida y los sistemas de alimentación eléctrica CPC Software Comunicaciones Control Instrumentación Energía eléctrica Las instalaciones de campo se encuentran organizadas en estaciones de las Modelo jerárquico que hay más de 250 en toda la Comunidad de Madrid. Cada estación tiene asociado un conjunto de entre 8 y 80 instrumentos en un entorno inmediato o de unos 2.000 m de radio como máximo. La conexión entre las estaciones y el Centro Principal de Control se realiza mediante la red troncal de comunicaciones en configuración de anillo o bien mediante el apoyo de sistemas de telefonía móvil de la compañía. Por regla general cada estación puede comunicarse con el centro por vías alternativas. El tiempo de refresco de la información es dependiente de la estación, de su criticidad, tipo y modo de comunicaciones empleado. Básicamente existen dos grandes grupos, uno con 30 segundos de refresco de la información y otro con 15 minutos. 3.2.2. EL CENTRO PRINCIPAL DE CONTROL (CPC) Constituye el ápice del modelo del telecontrol. Es una sala en la que 24 horas al día, 365 días al año un mínimo de dos personas supervisan la información recibida y la gestionan de acuerdo a los planes de explotación hidráulica, comprobando el perfecto estado de los sistemas y actuando ante la presencia de alarmas o desviaciones sobre lo previsto. El aspecto fundamental de la operación del CPC lo constituye el software. Un sistema Scada comercial realiza las labores estándar de adquisición de la información de campo concentrada en los autómatas programables, el almacenamiento de los mismos en su base de datos en tiempo real y la presentación de la información al operador mediante imágenes gráficas donde se visualizan los esquemas hidráulicos de las instalaciones junto con los valores recibidos de los captadores y las alarmas generadas. En la actualidad, hay dibujadas más de 250 imágenes distintas por las que se puede navegar a través de un sistema de menús desplegables y por medio de enlaces directos entre los esquemas relacionados, que permiten seguir el recorrido del agua a lo largo de las conducciones. Por encima del dicho sistema se ha desarrollado internamente en el CYII un software hidráulico específico que se encarga del tratamiento de la información siendo sus principales características son las siguientes:?? Está basado en la programación de maniobras y acciones sobre el sistema hidráulico así como en la generación de alarmas y avisos ante cualquier situación no prevista por el operador en la explotación del complejo hidráulico. Entre otras cosas tiene en consideración los gradientes (variaciones bruscas de las medidas de campo), la superación de límites de explotación, las maniobras no previstas en válvulas o compuertas, la variación en los caudales consigna de explotación, las -4-
órdenes de maniobras no ejecutadas, los vertidos y sobrepresiones, así como las posiciones incorrectas de cierres (de guarda o de selección).?? Realiza un tratamiento distinto de la información dependiendo del tipo de medida o señal recibida (caudalímetro, manómetro, estado de válvulas, etc.) y de su posición, o función, en el sistema hidráulico (caudalímetro en salida a la red de distribución, caudalímetro en conducción de transporte, etc.) estableciendo los controles necesarios (alarmas), que serán distintos para cada tipo.?? Sistematiza la detección de posibles fallos en los captadores, encaminado a la eliminación de valores erróneos que podrían ser usados como datos históricos. De esta forma se ayuda, también, al mantenimiento de las instalaciones.?? Sistematiza el ajuste de la formulación hidráulica utilizada para el cálculo de caudales circulantes por cada elemento de regulación, y en las estaciones de aforo de los canales, en función de su tipología (compuerta sector, válvula de chorro hueco, compuerta canal, etc.) y de las condiciones hidráulicas del entorno (desagüe libre/desagüe inundado).?? Gestiona una base de datos histórica. El flujo de información Teniendo como origen la información que proporciona la instrumentación de campo, el Centro Principal de Control (CPC) se contempla como centro neurálgico y destino principal de la información que recibe, gestiona, analiza, almacena y trata. Este centro también facilita información a otros usuarios o destinos dentro de la empresa, tales como?? Intranet. Todos los días a las 9:00 de la mañana se genera un boletín con los datos hidráulicos más identificativos del día anterior, que pueden visualizarse desde cualquier ordenador de la empresa a través de la Intranet. Además, se puede obtener la misma información para cualquier día de los cinco años anteriores.?? Data Warehouse. Además de la información que para todos los usuarios pueda obtenerse a través de la Intranet, hay otro tipo de información más específica dirigida a los responsables de la explotación general. Dicha información permite análisis gráficos complejos y correlación de parámetros.?? Monitores remotos. Comúnmente llamados CPCillos permiten a los responsables de centros de explotación ubicados en cualquier emplazamiento del Canal de Isabel II disponer de la misma información que el C.P.C. está gestionando, permitiendo tener visiones a la vez concretas y globales del área de su influencia y de conjunto general.?? Otras Aplicaciones.- La información del C.P.C. se envía automática y permanentemente a un conjunto de aplicaciones informáticas a las que alimentan datos, tales como la página web, diversos modelos de la red de explotación y de distribución y al sistema de información geográfica (GIS) -5-
3.2.3. LAS INSTALACIONES EN CAMPO Las instalaciones de campo de Telecontrol pueden ser representadas adecuadamente a través de un modelo que relaciona los cuatro elementos o sistemas constitutivos, que se describen a continuación. ENERGÍA Comunicaciones Las comunicaciones posibilitan la transmisión de información de y desde los autómatas de control de las estaciones de campo con los sistemas del Centro Principal de Control. INSTRUMEN TOS CONTROL COMUNIC. La dificultad del Canal de Isabel II al respecto radica en que sus centros de interés hidráulico están dispersos por la práctica totalidad Modelo de las instalaciones en campo de la Comunidad de Madrid (más de 8.000 Km 2 ) y la mayor parte de ellos se encuentran en zonas no urbanas sin infraestructura de comunicaciones pública o privada existente, por lo que es necesario la presencia de una red de comunicaciones específica para estos fines. Además, dicha red ha de tener unas características de redundancia y seguridad que la hagan muy fiable en cualquier circunstancia. En el CYII esto se logra mediante una Red de Comunicaciones digital, basada en 12 anillos de tramas de 34x2 Mbps con 82 nodos o estaciones en los principales puntos de interés de la Empresa en toda la extensión de la Comunidad de Madrid. La conexión entre los nodos se realiza o bien por cables de fibra óptica instalados en paralelo a los canales y grandes conducciones o por enlaces de microondas en la banda de 18 GHz. La topología de anillo empleada asegura caminos alternativos de forma automática en caso de fallo del principal, esto unido a los planes existentes de mantenimiento proporcionan una disponibilidad mejor que el 99,96%, obteniéndose así unos niveles de servicio adecuados. Aunque la necesidad de transmitir información generada por los sensores hasta un centro de control fue la génesis del sistema de comunicaciones del CYII y supone una de sus principales tareas, es cierto que en la actualidad tal necesidad supone un porcentaje ínfimo en cuanto a la capacidad de la red de comunicaciones, ya que también es empleada para la transmisión telefónica (2.000 teléfonos privados), la transmisión de datos entre ordenadores (1.100 ordenadores personales) y la telefonía móvil (2 sistemas trunking). Muchas de las estaciones de Comunicaciones lo son también de Telecontrol; en tal caso la transmisión se realiza por canales dedicados dentro del sistema. Cuando no se da esta coincidencia, como está ocurriendo en la mayoría de las implantaciones de los últimos años, se Estación de Comunicaciones emplean los sistemas de telefonía móvil propios, que implican una capa técnica adicional obteniéndose una gran flexibilidad en cuanto a la ubicación. El Sistema de Comunicaciones dispone de un Sistema de Telesupervisión con el que se realiza un seguimiento las 24 horas al día que hace posible la configuración y monitorización remota de los distintos elementos que componen la red. -6-
Control En cada estación un autómata programable se encarga de:?? La adquisición de datos de los instrumentos correspondientes a dicha estación, a su pretratamiento y acondicionamiento?? La transmisión con el Centro Principal de Control a través del sistema de comunicaciones.?? Las automatizaciones y regulaciones locales?? Gestión local de telemandos?? Visualización local de la información Los sensores o instrumentos les hacen entrega de su información centralizando de este modo la de un conjunto, en base a criterios geográficos. La conexión entre los sensores y los autómatas históricamente se realizaba mediante cables de pares de algunos de cientos de metros por donde se transmitía corriente analógica en el rango de 4 a 20 ma proporcional al valor físico de la medida. La tendencia hoy en día consiste en que dicha conexión se realice mediante bus de fibra óptica de manera digital mejorando los errores de conversión y proporcionando separación galvánica. En los telemandos los autómatas cumplen, también, la función del control coordinado, de acuerdo a estrictos criterios de seguridad de todos los parámetros medidos y de la actuación de motores de accionamiento de válvulas y compuertas. En los casos en los que las estaciones no cuentan con energía eléctrica el autómata empleado no es un producto comercial sino un desarrollo propio orientado a la operación intermitente y manejando el encendido y apagado completo de la estación. Instrumentación Conjunto de sensores que, agrupados en estaciones, se encargan de medir determinados parámetros, entre los que cabe destacar:?? Presión, en el rango de 1 a 15 atmósferas mediante procedimiento piezoresistivos.?? Caudal, mediante caudalímetros ultrasónicos por tiempo de tránsito y electromagnéticos?? Nivel de embalses, mediante equipos de variación de frecuencia de resonancia, con precisiones del 1 por mil?? Nivel de depósitos y canales mediante dispositivos de radar ultrasónico.?? De auscultación, extensiómetros, péndulos, aforos, piezómetros, termo resistencias.?? Posición de válvulas y compuertas, mediante un conjunto de equipos basados en principios de medida digital de movimiento angular, potenciométricos y de capacidad diferencial?? Físico-químicos, para Cloro, Amonio, Nitritos, ph, Conductividad y Turbidez?? Finales de carrera y medidas digitales de alarmas eléctricas y mecánicas. Todos ellos son equipos electrónicos profesionales de elevado coste, precisión y adecuados para trabajar bajo unas estrictas condiciones ambientales. En la actualidad, el Sistema de Telecontrol dispone de 5.000 instrumentos de medida. La tasa de incorporación anual de instrumentos al telecontrol es de 700, coincidente con los planes de 4 a 5 años de implantación en marcha -7-
Uno de los aspectos más destacables del sistema de instrumentación radica en su mantenimiento. El hecho de que estos elementos electrónicos se encuentren en lugares desatendidos y en entornos agresivos hacen que la actividad de su mantenimiento constituya una labor fundamental. Sin embargo hay dos aspectos que inciden considerablemente sobre el correcto funcionamiento de los instrumentos, uno es la alimentación eléctrica y el otro las tormentas atmosféricas. Una medida del nivel de dicho mantenimiento lo constituye la disponibilidad de la instrumentación que definimos en relación al porcentaje medio diario de sensores fuera de servicio, siendo actualmente del 3,6%, lo que implica una disponibilidad de 96,4%. Energía eléctrica Al ser electrónicos todos los equipos requieren de energía eléctrica para su funcionamiento. En ciertas instalaciones tales como embalses, plantas o nudos importantes, esto no supone ningún problema. La situación no es la misma en puntos de menos relevancia pero de interés hidráulico y ubicados lejos de zonas urbanas y dispersos por un toda el área de acción del CYII. En tales casos el problema de disponer de energía eléctrica para alimentar los equipos de medida, de control y de transmisión es tal que determina el diseño de la estación empleando paneles solares de pequeñas dimensiones (del área equivalente de una hoja DIN A4 ó A3) y técnicas de funcionamiento intermitente que reducen a menos de una décima parte sus necesidades energéticas. En todas las instalaciones la energía eléctrica de red se convierte en corriente continua a 48V, 24V ó 12V empleándose grupos de baterías para asegurar el servicio en caso de fallo que proporcionan autonomías de 20 horas a varios días. En algunas instalaciones se emplean, además, onduladores para volver a generar 220Vac para alimentar equipos alejados. El sistema eléctrico es crítico en el sentido que sin energía eléctrica no puede funcionar ningún otro equipo y requiere atención especial en cuanto al mantenimiento 3.3 MANTENIMIENTO La actividad de mantenimiento del Sistema de Telecontrol se realiza con personal propio que desarrolla tres tipos de funciones distintas:?? Mantenimiento en campo de aquellos equipos que requieren atención, en función del análisis conjuntos con el CPC.?? Diseño y tareas de oficina técnica para la redacción de pliegos de obras a realizar, ya sean nuevas instalaciones o remodelación de existentes. La mayor parte de las mismas se subcontratan.?? Seguimiento de las actividades de empresas contratistas. La coincidencia de los tres tipos de actividades sobre el mismo grupo de técnicos genera sinergias al competer al mismo equipo humano el ciclo completo de diseño de la instalación, seguimiento de la implantación y mantenimiento. 3.4 TENDENCIAS Y FUTURO Las descripciones anteriores intentan transmitir una imagen a día de hoy del Sistema de Telecontrol. Pero dicha imagen es dinámica, en permanente modificación y adaptación a las necesidades. Básicamente hay dos ópticas en cuanto al futuro del sistema: -8-
?? La permanente mejora de los sistemas e instalaciones existentes. A este aspecto corresponden las líneas de trabajo de modernización cuyo principal proyecto en las grandes instalaciones es el empleo de buses de datos de fibra óptica desde los sensores o instrumentos hasta los 5000 autómatas de control eliminando el uso de los pares de cobre. Con esto se consiguen 4000 menores errores y, sobre todo, mejorar la 3000 disponibilidad. 2000?? Las nuevas instalaciones. La mayor parte de instalaciones que se realizan en los últimos años se refieren a estaciones pequeñas, la tendencia es a continuar los ritmos de instalación, incluso a reducir el tamaño o complejidad de la instalación y medir cada día más cerca del usuario final. Todo esto supone un permanente aumento en el número de instrumentos a emplear; está previsto llegar a los 7000 en un periodo de 2 a 3 años más. Relacionado con las nuevas instalaciones y concretamente con las que se acometerán en los próximos años, se han iniciado planes de I+D para buscar mejores soluciones a ciertas cuestiones técnicas que limitan futuros proyectos. Uno de dichos planes consiste en la fabricación de mini-generadores eléctricos a fin de obtener electricidad en pequeñas cantidades pero suficiente para alimentar equipos de medida a partir de las propias conducciones hidráulicas, de manera que no haga falta acometida eléctrica ni paneles solares. Otro versa sobre las posibilidades de emplear el agua en las propias conducciones como medio de comunicación de datos entre autómatas, a modo de guía de ondas de ultrasonidos, a fin de no tener la necesidad de emplear cables ni enlaces de radio. 1000 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 1985 Evolución del Nº de instrumentos instalados -9-