Proyecto_Grupo09.docx

Presentado al tutor Ing. Alfredo López

Grupo 299020_9

2014

Sistema de control planta de agua potable

Josué Farley López Carvajal (6391335) – ANGEL MARIN (4375696)

1 Electrónica Industrial Avanzada – Proyecto Final

Contenido1. INTRODUCCION...............................................................................................2

2. OBJETIVOS.......................................................................................................3

3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.......................................................................4

3.1. REQUERIMIENTOS DE CONTROL...........................................................4

4. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL.................................................5

4.1. HARDWARE REQUERIDO.........................................................................5

4.1.1. Sensores..............................................................................................5

4.1.2. Actuadores...........................................................................................5

4.1.3. Controlador...........................................................................................5

4.1.4. Equipo de Operación............................................................................6

4.1.5. SCADA.................................................................................................6

5. DESARROLLO..................................................................................................7

5.1. PROGRAMACION DE HARDWARE..........................................................7

5.1. PROGRAMACION SOFTWARE.................................................................8

5.1. DISEÑO HMI...............................................................................................9

6. HISTORICOS..................................................................................................10

7. ADMINISTRACION DE USUARIOS...............................................................11

8. SIMULACION..................................................................................................12

9. CONCLUSIONES...........................................................................................15

10. Bibliografía....................................................................................................16


1. INTRODUCCION

El presente trabajo se concibe como la compilación de los conocimientos adquiridos durante el semestre en el ámbito de los sistemas de control y adquisición de datos, más conocidos como SCADAs.

Esta labor de apropiación de conocimientos se realiza a través de la solución de un problema práctico, aplicando los conocimientos sobre control de procesos sumados a las herramientas de los sistemas automáticos. El proceso como tal es descrito en el primer punto del desarrollo, mientras que los puntos siguientes presentan la evolución de los pasos dados en la resolución del problema.

Las imágenes adjuntas generalmente son capturas de pantalla de las actividades desarrolladas en la programación y simulación del sistema.

Los sistemas SCADA fueron diseñados para desarrollar soluciones y optimizar procesos industriales, en la actualidad estos sistemas han incursionado en el ámbito de servicios y se han convertido en elementos imprescindibles para el control y la automatización, ya que pueden llevar toda la información proveniente de campo hacia una PC, y así poder monitorear e incluso comandar diferentes estaciones remotas. Además pueden generar bases de datos, reportes históricos y de esta manera poder programar el mantenimiento de los equipos. Los nuevos sistemas de distribución de agua potable implementados en nuestro país son monitoreados, controlados y supervisados por sistemas SCADA, debido a sus grandes beneficios. Para ello se usa una variedad de software de monitoreo, buses de campo y distintas tecnologías para las comunicaciones, como GPRS (servicio general de paquetes vía radio) o la banda libre de 2.4 GHz.

El presente trabajo tiene como objetivo principal aplicar un sistema SCADA, para control y supervisión desde un centro de control para la supervisión del sistema de control de la planta de agua potable. Además, se busca reducir los costos de operación, desarrollando una lógica de funcionamiento para las estaciones de bombeo, de tal manera que puedan funcionar automáticamente sin intervención de operadores. También es de mucha importancia conseguir que a la población del no le falte agua en ningún momento del día, ya que las estaciones de bombeo deben operar de manera continua. Finalmente, además de supervisar y comandar el proceso desde un centro de control, también se desea poder hacerlo desde la misma estación de bombeo, con el uso de un panel de operador. Para conseguir los objetivos planteados, se deberán realizar trabajos tales como, desarrollar la lógica de control para aplicaciones en controladores, así como también desarrollar la interfaz gráfica en un software de monitoreo y además configurar distintos instrumentos de campo para llevar la información del proceso de forma confiable al software de monitoreo.


2. OBJETIVOS

- Apropiar conceptos y criterios para el desarrollo de un sistema de control.

- Realizar el proceso de investigación, planeación, diseño e implementación (simulada) de un proceso productivo, acorde a los requerimientos de un sistema de supervisión y control.

- Dejar evidencia escrita y fotográfica del proceso realizado, siguiendo las pautas de la guía de actividades.


Requerimientos para Implementar un Sistema SCADA

Para desarrollar un sistema SCADA en este tipo de proyectos, se necesitan de 4 sistemas fundamentales: Telecomunicaciones, Sistema Eléctrico, Instrumentación y Control.

El estudio hecho en este documento es sobre el sistema de control, se hace énfasis en el desarrollo de las aplicaciones tanto del controlador como del software SCADA. Pero para lograr la automatización y el desarrollo del software se tuvo que hacer un análisis de las partes mencionadas líneas atrás. Para desarrollar las aplicaciones en los controladores, fue necesario revisar los planos eléctricos para conocer los elementos eléctricos que permiten arrancar las bombas, tales como relés de nivel de máximo de reservorios o estado del arrancador de la bomba. Las comunicaciones formaron un papel muy importante en el sistema SCADA, se tuvo que desarrollar una lógica en el controlador para detectar la pérdida de comunicación con la estación de bombeo, al ocurrir determinada pérdida de comunicación, las bombas de las estaciones solo podían ser operadas en forma local. Para todo sistema de control es muy importante la instrumentación, ya que gracias a los instrumentos de campo es que se puede recopilar toda la información del proceso. Parte del trabajo realizado fue configurar instrumentos e integrarlos al controlador.

Protocolos de Comunicación y Buses de Campo.

Los buses de campo permiten unir todos los elementos de control necesarios, de forma que puedan cambiar mensajes entre ellos. Deben tener ciertas reglas, el lenguaje debe ser explícito, el vocabulario debe ser conocido por todos los interlocutores y las normas de cortesía deben respetarse.

Algunas de las ventajas son

- Reduce el cableado, ya que la interconexión de equipos ya sean elementos de campo (sensores) o elementos de control (PLC), se realiza mediante el mismo cable de bus.

- Las tareas de auto diagnóstico pueden mostrarse de manera amigable para el operador, reduciendo el tiempo de mantenimiento o parada del sistema.

- La estandarización permite que un integrador pueda escoger dispositivos de múltiples fabricantes.


3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Una planta de tratamiento de agua potable, tiene como finalidad la obtención de agua apta para el consumo humano (Wikipedia, 2014).

La etapa inicial del proceso consiste en la desinfección y adecuación del agua para los procesos siguientes: floculación, sedimentación y filtrado (Ramirez, 2014). La desinfección, tiene como propósito eliminar los microorganismos presentes en el agua captada. Para este proceso se utiliza cloro el cual es regulado para Colombia por el Ministerio de la Protección Social. De acuerdo a la resolución 2115 de 2007, el cloro residual (que llega al usuario final) presente en el agua debe estar entre 0.3 y 2.0 mg/L. La cantidad aplicada en el proceso de desinfección depende de análisis químicos y microbiológicos que establecen la demanda de cloro. (Ministerio de la Protección Social, 2007)

La planta de Puerto Mallarino en Cali aplica el cloro en relación de 5.7 ppm para precloración y 1.4 para poscloración. (Rosero, Latorre, Torres, & Delgado, 2005). Se tomará como base esta proporción para el proceso a controlar.

La turbiedad o turbidez en el agua se refiere a la presencia de sólidos en suspensión que tienen efectos nocivos debido a que se puede tratar de material biológico (fitoplancton, microorganismos), sedimentos minerales y otros elementos químicos y/u orgánicos debidos a descargas de afluentes mezclados con el agua captada. De acuerdo a la normatividad de la OMS, la turbiedad no debe superar las 5 NTU (Nephelometric Turbidity Units, Unidades Nefelométricas de Turbidez) e idealmente mantenerse por debajo de 1 NTU. (Wikipedia, 2014).

De acuerdo al concepto técnico usado en la planta de tratamiento de EMCALI (Puerto Mallarino), el hidróxido de sodio se aplicará cuando los niveles de turbiedad en el agua captada superen los 100 NTU. (EMCALI, 2014). Se utiliza como alcalinizante para ajustar el pH del agua y facilitar los procesos de coagulación, medio para reducir la turbiedad. (Organizacion Panamericana de laSalud, 2004).

1.1. REQUERIMIENTOS DE CONTROLDe acuerdo a los parámetros de la guía, el sistema de control solicitado se establecerá en el tanque captador de agua, fase inicial del proceso donde se realizarán los procesos de desinfección y alcalinización del agua.

El objetivo del control es mantener la dosificación de cloro acorde a los parámetros establecidos con un setpoint variable ajustado por el operador de acuerdo a los análisis químicos, y la alcalinización de acuerdo al pH del agua. La turbiedad y color del agua se evaluarán y en caso de exceder los niveles permitidos se generará una alarma.


Se asumirá una población atendida de 50 mil personas. Según la OMS el consumo promedio por persona es de 150 a 200 L diarios (Wikipedia, 2014), lo que supone un flujo entre 313 y 417 m³/h.

4. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL1.2. HARDWARE REQUERIDO

Para realizar el control del proceso se propone el siguiente sistema de control.

1.1.1. SensoresSe requieren los siguientes elementos sensores para el proceso:

Transmisor de nivel por presión diferencial o radar, con rango de 0 a 5m y salida por corriente de 4 a 20 mA.

Flujómetro magnético con rango de 100 a 500 m³/h, salida de 4 a 20 mA. (medición de agua).

2 Flujómetros magnéticos con rango de 0 a 50 m³/h, salida de 4 a 20 mA. (medición de cloro e hidróxido de sodio).

Sensor de pH (electrodo y transmisor) con rango de 0 a 14, salida de 4 a 20 mA.

Nefelómetro con rango de 0-200 NTU, salida de 4 a 20 mA. Analizador de Cloro con rango de 0 a 10 ppm, salida de 4 a 20 mA.

1.1.2. ActuadoresPara el control de las variables de proceso se proponen los siguientes actuadores:

Válvula de 10” de diámetro tipo mariposa con actuador neumático. Posicionador con retransmisión de posición. Entrada y salida de control proporcionales de 4 a 20 mA.

2 válvulas de 4” de diámetro tipo mariposa con actuador neumático. Posicionador con retransmisión de posición. Entrada y salida de control proporcionales de 4 a 20 mA.

Válvula de 10” de diámetro tipo cortina con actuador neumático. Posicionador con interruptores de posición. Entrada y salida de control discretas (on/off) a 24 VDC.

Alarma tipo sirena con acción sonora y lumínica, tensión de alimentación de 110 V AC.

1.1.3. ControladorPara cumplir a cabalidad con las funciones requeridas, el sistema planteado cuenta con tolerancia a fallas mediante modo redundante en CPU y redes de


comunicación y alta capacidad de procesamiento. El equipo de control es un PLC S7-400 que consta de:

Rack redundante Siemens. 2 Fuentes de 10 A. Entrada de 120/230 VAC, salida a 24 VDC. 2 CPU S7-414-4H con capacidad de redundancia. Estas CPU tienen 1.4

MB de memoria de trabajo siendo equipos para procesos no muy complejos con el fin de no elevar excesivamente los costos del proyecto.

2 Tarjetas CP 413-1 para comunicar las CPU via Ethernet con el equipo de operación.

1 Unidad Remota de Entradas y Salidas ET200M con 2 tarjetas de comunicación Profibus DP para conectarse a ambos controladores. Cuenta además con 2 tarjetas de 8 entradas analógicas cada una, 1 módulo de 8 salidas analógicas, 1 módulo de 8 entradas y otro de 8 salidas digitales.

1.1.4. Equipo de OperaciónPara que el operador interactúe con el proceso se instalará un equipo tipo PC (Torre) con el sistema SCADA PCS7. Este equipo hará las veces de equipo de ingeniería (ES) y de operación (OS). Para comunicarse con el PLC se usarán switchs de red Scalance formando una red redundante tipo anillo.

1. Aproximación de una red redundante con Scalance

1.1.5. SCADAPCS7 (Process Control System) es un software propietario perteneciente a la compañía alemana Siemens. La trayectoria de esta compañía en el área de control de procesos es muy amplia y cuenta con una amplia gama de soluciones para muchos tipos y tamaños de procesos.


Este SCADA cuenta con una cobertura amplia de características: No sólo puede conectarse a sistemas propios Siemens, también cuenta con protocolos de comunicación como OPC que le permiten adquirir datos de controladores de otras compañías, sin embargo, la configuración y programación con sistemas Siemens está mucho más desarrollada, permitiendo que una gran parte del desarrollo del HMI se realice desde la misma programación del controlador. Cuando se agregan algunos controles prediseñados, estos generan sus propios iconos y ventanas de control, lo que reduce enormemente el tiempo que el diseñador utiliza para la creación de las pantallas de operación.

También se cuenta con registro de alarmas y eventos, histórico de variables, administración de usuarios, generación de reportes entre otros. Se escogió este software por sus prestaciones y la experiencia que uno de los miembros del equipo tiene con él.

5. DESARROLLO1.3. PROGRAMACION DE HARDWARE

Se toman los datos de sistema previamente descrito y se plasman en la programación del hardware del controlador quedando definidas las direcciones de comunicación, así como las direcciones de datos y las características de los elementos: entradas y salidas analógicas se configuran por corriente en el rango de 4 a 20 mA con frecuencia de perturbación de 60 Hz (red eléctrica nacional).

La siguiente es una imagen del sistema programado para el PLC donde se ven los dos controladores compartiendo una RTU:

2 Hardware del PLC Programado


De igual forma, el PC es configurado dependiendo si tiene una tarjeta de red genérica o especializada (CP) y el tipo de software a usar (Mono usuario, Servidor, Cliente). Como en el PLC, se define la configuración de red Ethernet del mismo:

3 Hardware del PC

1.1. PROGRAMACION SOFTWARE

Una vez descrito el sistema físico a utilizar, procedemos a desarrollar la lógica de control del sistema. La programación gráfica por CFC (Control Flow Chart) utiliza módulos de programa prediseñados los cuales se visualizan como bloques, los cuales son conectados entre sí de acuerdo a los requerimientos del proceso. A continuación un ejemplo sencillo (control de turbiedad) donde se observa un bloque driver (INPUT-CH_AI) que se encarga de manejar la lectura de la entrada física y escalar el valor digital obtenido a unidades de ingeniería. El bloque adiciona a través de las salidas QBAD y QUALITY información sobre el diagnóstico del canal físico de lectura del transmisor.

El valor obtenido se lleva a un bloque de monitoreo de valores analógicos (I-MEAS_MON) donde se fijan unos valores de alarma o advertencia alta y/o baja y un nivel de histéresis para ellas. La salida digital que indica que se activó el nivel de alarma alta es llevada a un bloque para manejo de salidas digitales (ALARMA-CH_DO) donde se conectará la alarma sonora.


4 Programación de Alarma por Alta Turbiedad

1.1. DISEÑO HMI

Una vez compilado el software, PCS7 generará unos iconos para los bloques prediseñados que se usaron en el control. En este punto el desarrollador simplemente debe dibujar los aspectos importantes de la planta pare entendimiento del proceso y ubicar los iconos de acuerdo al flujo del proceso:

5 Diseño de la pantalla


Algunos elementos pueden personalizarse. En la siguiente gráfica se puede observar cómo se agrega el aviso visual de alta turbiedad:

6 Configuración de Alarma Visual

6. HISTORICOSPara archivar valores de variables se ingresan las variables al aplicativo TagLogging, se ajustan los tiempos de adquisición y almacenamiento. Cuando el software este ejecutándose (modo Runtime) se puede acceder a un wizard para configurar la visualización.

7 Creación del grupo de valores a archivar


8 Selección de variables

9 Ventana para ajustes de propiedades

7. ADMINISTRACION DE USUARIOSUn elemento de gran importancia en un SCADA es la seguridad. El aplicativo Users Manager permite crear, eliminar y modificar usuarios del sistema de control, así como otorgar y/o restringir el acceso a áreas, niveles operativos y herramientas administrativas.


10 Administración de Usuarios

8. SIMULACIONSe coloca el software en modo de simulación. Para ello se simula el PLC con PLCSIM y se coloca el WinCC en modo de Runtime normalmente. Aquí podemos visualizar los valores del proceso o manipular valores de setpoint, salida manual, etc.

11 Visualización y Operación


También podemos configurar e invocar la visualización de datos históricos

12 Wizard configuración y visualización de tendencias – creación de un nuevo gráfico

13 Wizard configuración y visualización de tendencias – selección de variables


14 Wizard configuración y visualización de tendencias – personalización del menú

15 Wizard configuración y visualización de tendencias – visualización del nuevo gráfico


9. CONCLUSIONES

Se desarrollaron capacidades de análisis en la selección, diseño, planeación y producción de sistemas de control basados en SCADA.

Se ha desarrollado el software de un sistema SCADA para distribución de agua potable de acuerdo a lo requerido para mejorar la calidad de vida de la comunidad.

El sistema SCADA desarrollado cumple con los requerimientos de comunicación en tiempo real, dado que las pruebas realizadas demuestran que los valores leídos en campo son iguales a los recibidos en el Centro de Control y en un tiempo esperado.

Con el sistema implementado el proceso funciona de manera automática dado que en adelante no será necesario operar las bombas de manera manual. Con esto se comprueba la optimización de recursos tanto humanos como materiales (movilidad de operadores) gracias a la automatización del proceso.

La lógica de control implementada cumple los requerimientos para este tipo de proceso en lo que respecta a abastecimiento de agua para la población, ya que a los reservorios en ningún momento del día les falta agua.

Los programas desarrollados para los HMI o paneles de operador cumplen con los requisitos para el control local, lo cual permite controlar y monitorear los equipos de determinada estación.


10. BibliografíaDirect Industry. (2014). Nefelómetro Swan AG. Recuperado el 7 de Diciembre de 2014, de sitio web de Direct Industry: http://www.directindustry.es/prod/swan-ag/nefelometros-66154-1243361.html#product-item_544500

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Ministerio de la Protección Social. (22 de Junio de 2007). Resolución 2115 de 2007. Recuperado el 7 de Diciembre de 2014, de sitio web del Instituto Nacional de Salud: http://www.ins.gov.co/tramites-y-servicios/programas-de-calidad/Documents/resolucion%202115%20de%202007,MPS-MAVDT.pdf

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http://www.elaguapotable.com/tratamiento_del_agua.htm

Rosero, M., Latorre, J., Torres, W., & Delgado, L. G. (2005 de Octubre de 2005). Presencia de Materia Organica y Subproductos de la desinfeccion con cloro. Caso Sistema de de Tratamiento de Agua para consumo humano, Puerto Mallarino, cali-Colombia. Recuperado el 7 de Diciembre de 2014, de sitio web del Banco de Objetos de la Universidad del Valle:

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http://es.wikipedia.org/wiki/Estaci%C3%B3n_de_tratamiento_de_agua_potable

Wikipedia. (3 de Diciembre de 2014). Turbidez. Recuperado el 7 de Diciembre de 2014, de sitio web de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Turbidez

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