Repositorio Institucional de Documentos

Proyecto Fin de Carrera Técnicas y Procesos de Calibración de Calibración de Redes Colectivas de Riego a Presión con Aplicaciones al Telecontrol Autor Jairo Labarta Otín Directores Ricardo Aliod Sebastián Jara Paño Lacasa Escuela Politécnica Superior de Huesca 2013 1 Índice 1. OBJETIVO SINTÉTICO Y RESUMEN Pag 3 2. ANTECEDENTES Y MOTIVACIÓN Pag 4 2.1 Introducción a la calibración Pag 4 2.2 Necesidad de calibración de modelos Pag 7 2.3 Presentación TeleGestar y funcionalidad de calibración: Arquitectura y Operativa Pag 8 2.4 Necesidad de calibración inicial de contraste Pag 11 2.5 Objetivos de sincronización y completitud de la información. Pag 12 3. PRESENTACIÓN DE LA METODOLOGÍA Pag 13 4. TOMA DE MEDIDAS EN CAMPO Pag 28 4.1 Presentación de caso piloto Pag 28 4.2 Diseño y construcción del modelo Pag 32 4.3 Desarrollo de campaña de medidas en campo Pag 33 Instrumentación utilizada Pag 33 Calibración de la instrumentación Pag 37 Selección y ubicación de puntos de medida. Pag 41 Colocación de las sondas Pag 43 Fechas de adquisición de datos Pag 44 Secuencia de medida, frecuencia de captura de información Pag 44 Incidencias. Pag 45 5. PRE-PROCESADO DE DATOS. Pag 46 5.1 Volcado de datos de campo y de TeleGestar Pag 46 2 5.2 Comparativa de datos brutos de sondas y telecontrol Pag 51 5.3 Depuración y filtrado de datos de campo Pag 55 a) Sincronización de los datos de las sondas con los datos del Telecontrol Pag 55 b) Sincronización de presiones y consumos Pag 57 c) Filtrado de datos Pag 57 6. PROCESO DE CALIBRACIÓN Pag 61 6.1 Descripción del algoritmo de calibración Pag 61 6.2 Descripción del funcionamiento de las herramientas informáticas de calibración Pag 61 6.3 Estudio de las calibraciones Pag 69 6.4 Extrapolación de resultados Pag 107 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Pag 112 BIBLIOGRAFÍA Pag 115 3 1. OBJETIVO SINTÉTICO Y RESUMEN En el caso de las redes de riego a presión que ya se encuentran en funcionamiento, es imposible conocer el verdadero estado de algunas variables tales como las rugosidades de las tuberías, por lo que es necesario realizar un proceso de ajuste de modelos hidráulicos, para que éstos tengan la capacidad de reproducir correctamente el funcionamiento del sistema real. Dicho proceso se conoce como calibración y engloba la creación de un modelo que se ajuste lo máximo posible a la realidad. La calibración es un proceso complejo ya que es necesario manejar muchas variables, tanto hidráulicas, como topológicas. Este modelo debe convertirse en una herramienta operacional que permita, entre otras cosas, detectar zonas con problemas, modelar hipótesis de cambios de operación y mantenimiento, detectar zonas de la red con altas concentraciones de fugas y probar métodos de operación óptima de la presión. Este proyecto tiene como objetivo establecer un protocolo para la calibración de redes facilitando el manejo de dichas variables. En este trabajo interviene la aplicación informática TeleGestar, que tiene como misión principal realizar la simulación en tiempo real de una determinada red, además de mejorar la gestión y optimización del consumo energético procedente de las estaciones de bombeo existentes. Para crear el protocolo de calibración, se calibrará una red piloto. En este caso se ha elegido la red de riego La Violada de Almudévar. Se ha seleccionado esta red de riego por su ubicación y por disponer de datos suficientes para realizar una calibración factible. Así pues, el objetivo principal que se persigue con este proyecto fin de carrera es: Establecer un protocolo para efectuar la calibración de redes utilizando las herramientas de TeleGestar, utilizado como caso de estudio las medidas en la red de la Violada. 4 2. ANTECEDENTES Y MOTIVACION 2.1 INTRODUCCIÓN A LA CALIBRACIÓN El término de calibración de modelos hidráulicos deberá entenderse como la terea o proceso en el que se determinan parámetros que al ser alimentados al modelo de simulación permitirán aproximar los valores estimados con el modelo a los valores medidos para el mismo fenómeno (Shamir y Howard, 1968) En este trabajo, la calibración se considera predominantemente como el proceso por el que se realiza la incertidumbre del modelo paramétrico reducido, mientras que la construcción del modelo se refiere a la reducción de la incertidumbre del modelo estructural. Al respecto existen muchas propuestas que a lo largo del tiempo se han venido mejorando en parte al incremento de las capacidades de cómputo que se logran con los equipos que actualmente se pueden adquirir en el mercado. Walski (1983) es el primero que propone el uso de valores medidos de parámetros para diferentes condiciones de operación. En su trabajo, Walski se centra en el ajuste del factor C de la ecuación de Hazen-Williams, la cual se utiliza particularmente para determinar la velocidad del agua en tuberías circulares llenas, o conductos cerrados es decir, que trabajan a presión. Dónde:  Rh = Radio hidráulico = Área de flujo / Perímetro húmedo = Di / 4  V = Velocidad media del agua en el tubo en [m/s].  C = Coeficiente que depende de la rugosidad del tubo.  90 para tubos de acero soldado.  100 para tubos de hierro fundido.  140 para tubos de PVC.  128 para tubos de fibrocemento.  150 para tubos de polietileno de alta densidad.  S = [[Pendiente - Pérdida de carga por unidad de longitud del conducto] [m/m]. 5 Se parte de que a priori se conocen las presiones de descarga de las estaciones de bombeo, los niveles de tanques y las aperturas de las válvulas para cada uno de los esquemas de operación por simular. Por el contrario, cuando solo se dispone de observaciones parciales de los fenómenos, la calibración de los modelos de simulación se limitará solamente a compensar los errores y los modelos entregarán estimaciones lejanas a las observaciones. Por lo tanto se deben tomar un gran número de datos para realizar la calibración. No obstante no todos los datos medidos son válidos para la calibración. Esto tiene su explicación en que si los datos de entrada son los adecuados, el error cometido por el modelo sería mínimo, cosa que no suele ocurrir. La metodología propuesta por Walski era a prueba y error y se proponían dos criterios para localizar los puntos de observación: a) la presión debería ser observada próximos a los puntos de alta demanda no se entiende bien b) en la periferia de las redes, es decir, lejanos a las fuentes de abastecimiento. Con el uso de los dos criterios propuestos por Walski se logra la reducción en la propagación de los errores de las observaciones a los parámetros o variables de calibración. Otros autores han propuesto solucionar el problema de calibración de modelos de simulación de redes hidráulicas a través de la resolución de sistemas de ecuaciones para la conservación de masa y energía en condiciones de estado permanente, y considerando como restricciones las variables medidas. Dichos sistemas de ecuaciones debían converger a una solución única, por lo que es necesario realizan consideraciones sobre los parámetros (generalmente sobre el coeficiente de fricción de las tuberías) igualando las variables a los datos medidos (Ormsbee y Wood, 1986), (Boulos y Wood, 1990). Estos trabajos han dado pie a los procesos de calibración de coeficientes de rugosidad (Mallick , 2002). Es en (Ormsbee, 1989) donde se propone por primera vez el uso de simulaciones en periodos extendidos para la calibración de los coeficientes de rugosidad de las tuberías, demandas en los nodos y dispositivos de regulación de presión. Ormsbee aplica también restricciones explícitas sobre los valores mínimos y máximos de los parámetros. Sugiere un procedimiento de siete pasos de calibración general como sigue: 1) Identificación de la utilización prevista del modelo 2) Determinación de las estimaciones iniciales de los parámetros del modelo 3) Recolección de datos de calibración 6 4) Evaluación de los resultados del modelo 5) Nivel macro calibración 6) El análisis de sensibilidad 7) Micro-nivel de calibración. El uso de técnicas de optimización también se ha empleado, tal es el caso de (Pudar y Ligget, 1992); (Datta y Sridharan, 1994); (Reddy et al, 1996), trabajos en los que se busca reducir las diferencias entre las medidas y las estimaciones de las cargas disponibles en los nodos, flujos y niveles en tanques a través del uso de funciones en mínimos cuadrados. Es en (Savic y Walters, 1995) donde se presenta la solución de la calibración de coeficientes de rugosidad mediante la aplicación de algoritmos genéticos. Lingireddy y Ormsbee (1999) aplica también algoritmos genéticos pero para la calibración de demandas. El trabajo realizado con los procesos de calibración de modelos también ha tocado la cuantificación de la incertidumbre en la demanda de los nodos (Bargiela y Hainsworth, 1989); (Xu y Goulter, 1996); Gargano y Pianese, 2000). Bush y Uber (1998) utilizaron la matriz de covarianza de las estimaciones de los parámetros empleando el método de primer orden y segundo momento propuesto en (Bush y Uber, 1998) en un contexto de muestreo D-óptimo. De forma similar empleando un método estadístico (Lansey et al, 2000). Kapelan et al., (2007) aplican un algoritmo tipo Metrópolis con una red Bayesiana para aproximar las distribuciones de los coeficientes de rugosidad de las tuberías. Un trabajo más reciente (Alvisi y Franchini, 2010) propone la calibración de los coeficientes de rugosidad empleando números gray o binarios que permiten la representación de la incertidumbre en intervalos, sin la necesidad de establecer distribuciones de probabilidad. Todini (1999) propone la formulación de un problema de estimación lineal para representar el modelo de simulación de redes y afirmar que las simulaciones en estado permanente no son suficientes para garantizar la observancia de las redes en sistemas con ciclos aún si la totalidad de los valores de demanda se asumieran. Con base en lo anterior afirma que es necesario emplear simulaciones en periodos extendidos. El mismo autor afirma que la observabilidad de las redes depende principalmente de aspectos topológicos en los casos en los que se tiene solamente observaciones parciales de las cargas no disponibles en los nodos. Se vislumbran dos vertientes de investigación para el desarrollo de trabajo original en el tema de calibración de modelos de simulación de redes hidráulicas. El primero está relacionado con la observancia de las redes y tiene mucho que ver con la reducción de la complejidad de los modelos aplicando propuestas de esqueletización que permitan la construcción de problemas bien formulados y que no dejen de representar el problema original. El segundo aspecto relevante para investigar es la 7 construcción de modelos de certidumbre sobre los valores estimados de demanda en nodos y coeficientes de rugosidad en tuberías. También se considera trabajar en la conjunción de ambos problemas. 2.2 NECESIDAD DE CALIBRACIÓN DE MODELOS La calibración es un proceso con muchos productos directos útiles para el manejo y planeación de las redes. Un modelo matemático de la red que se encuentre correctamente calibrado permite investigar la calidad de la operación, medir la fidelidad de los instrumentos de medición, detectar zonas problemáticas en la red, encontrar zonas con altas fugas, detectar fugas mayores, ubicar parámetros de pérdidas de energía y masa y realizar cálculos precisos de modelación hidráulica y de calidad de agua. Un modelo sin calibrar interpretaría de forma inexacta la información que se adquiera en campo en tiempo real y, por consiguiente, no permitiría realizar todas las ventajas operativas y de control antes mencionadas. Sin calibración, no tiene sentido realizar una modelación de la red a partir de la cual se desee tomar decisiones para un control detallado. El envejecimiento de los componentes, los cambios de temperatura y el estrés mecánico que soportan los equipos deterioran poco a poco sus funciones. Con la calibración de la red esto puede evitarse ya que en el momento que un punto de la red se deteriora automáticamente se repara o se sustituye el componente dañado. Tampoco se pueden realizar ampliaciones óptimas de la red. Se ha encontrado que al tener cálculos más precisos, utilizando calibración y método del gradiente, se pueden tener ahorros de alrededor del 40% en la construcción de nuevas redes y ampliaciones. Sin embargo, la calibración se enfrenta a varios problemas, tal como se resume en los siguientes numerales. 2.3 PRESENTACIÓN DE TELEGESTAR Y FUNCIONALIDAD DE CALIBRACIÓN: ARQUITECTURA Y OPERATIVA 1.- Presentación. TeleGestar es una extensión de la aplicación Gestar2010. La ampliación está enfocada en el ámbito de la gestión automática de las redes de riego a presión. Es una herramienta creada en pos de los desarrollos llevados a cabo en el campo de la programación de regadío. 8 TeleGestar está enfocado a una gestión avanzada en los sistemas de riego a presión que mejoren la eficiencia energética, reduzcan los consumos y costes energéticos, y optimicen la gestión de la red en cuanto a capacidad de transporte, programación del riego y eficacia del uso del agua. El objetivo de este proyecto es perfeccionar una de las funcionalidades que ofrece TeleGestar, la calibración de una red de riego. Para ello se utilizarán las herramientas que ofrece TeleGestar por separado y se realizará un estudio exhaustivo de todas ellas. TeleGestar es capaz, mediante la aplicación de algoritmos de ajuste a los modelos hidráulicos y mediante un sistema de toma de datos, de calibrar una red de riego automática y periódicamente. La calibración de la red ocupa un papel muy importante dentro de las demás funcionalidades de TeleGestar. Si se desea, por ejemplo, optimizar el consumo de la red, es necesario que esa red se encuentre calibrada. 2.- Arquitectura de TELEGESTAR Todas las funcionalidades de TeleGestar se encuentran encapsuladas en una librería de vínculos dinámicos (dll) en el caso de funcionar en modo local, o en una serie de servicios web (webservices de .NET) en el caso de funcionar en modo remoto. En este proyecto solamente se utilizará el modo local para realizar la calibración de la red. Se utilizará para realizar una primera calibración, que permita realizar un estudio exhaustivo de todas las variables de la red El modo remoto es el utilizado por TeleGestar una vez que la red ya ha sido calibrada y se encuentran bien definidas todas las características de la red. Una vez que la red ya está calibrada TeleGestar funciona de la siguiente manera. Los servicios web o dll’s, intercambian información con los sistemas de telecontrol. El telecontrol es el conjunto de dispositivos instalados por la red que se encargan de enviar la información al webservice. El telecontrol toma medidas de presión y consumo que se dan en la red. Este sistema posee un método de verificación de fiabilidad basado en disponer de al menos un 95% de la información de la red. TeleGestar intercambia su información con el telecontrol y la procesa utilizando las características topográficas de la red que están guardados en una base de datos. Dicha base de datos contiene la información de definición de la red de riego y sus equipos de impulsión: topología, datos de los hidrantes y de los elementos de regulación, parámetros energéticos etc., así como el estado de la red en un determinado momento. 15 De modo que la primera tanda de medidas con las sondas se llevó a cabo entre el 4 y el 12 de junio. Se esperó a que la demanda creciera y se realizaron las medidas. Se creyó oportuno realizar al menos dos tandas más de medidas. Dado que en septiembre desciende el consumo notablemente, se extendió la última tanda hasta el 10 de septiembre para poder observar las presiones cuando el consumo descendió. Por lo tanto se tomaron medidas entre el 26 de julio y el 14 de agosto y el 22 de agosto y el 10 de septiembre. 3.3. Elección de puntos de medida La elección de los puntos para la toma de datos mediante las sondas se toma en base a tres razones: a) Puntos con buen acceso para tomar medidas b) Puntos donde hay instalado un transductor del telecontrol c) Puntos donde se reflejen las pérdidas de carga de cada ramal (hidrantes al final de ramal) Estas tres razones las podemos simplificar en una, ya que el telecontrol está colocado generalmente en los puntos con las otras dos características. De modo que se instalarán sondas en las tomas de agua de las parcelas. Son los denominados hidrantes. Los hidrantes son puntos de la red en los que se regula la distribución de agua de una zona determinada. Están formados por una cubierta en la que se encuentran alojadas las válvulas y las tuberías encargadas de la regulación de la red. En la válvula encargada del paso de agua general, se encuentra un orificio diseñado para la instalación de aparatos de medida para inspección. En dicho orificio es donde se instalarán las sondas. En la Figura 3.1 se puede ver el interior de un hidrante junto con uno de los dispositivos de toma de datos o sondas. 16 Figura 3.1 Interior de un hidrante junto con instrumentación utilizada Como hay dispositivos de telecontrol en ocho hidrantes fin de ramal, se colocarán sondas en los hidrantes de fin de ramal que se consideren necesario. En la Figura 3.2 se puede ver una vista en planta de la red de riego La Violada con todos sus hidrantes y sus tuberías. 17 Figura 3.2 Mapa La Violada Las tomas de datos en los hidrantes vienen desarrolladas en el capítulo 4.3 “Desarrollo de la campaña de medidas” 3.4. Volcado, depurado y filtrado de datos Para una correcta calibración es necesario el filtrado de los datos, tanto de los provenientes de las sondas como de los provenientes del telecontrol. Esto se debe a que todos los escenarios se dan no son parametrizables ni tienen capacidad de predicción. Este paso no es novedoso en cuanto a planificación de trabajo. En todas las calibraciones que se realizan, en cualquier ámbito profesional, es necesario un filtrado de datos y a la vez una argumentación de dicho filtrado. Este apartado comprende todo el proceso de manejo e interpretación de los datos que se obtienen de las tandas de medidas. Se divide en las siguientes partes: a) Volcado de datos b) Sincronización de datos de sondas con telecontrol c) Comparativa de datos de sondas con telecontrol d) Evaluación primera tanda de medidas Volcado de datos En primer lugar, para poder manejar e interpretar los datos provenientes de las sondas y telecontrol, será necesario transformarlos en material informático manejable. A este proceso se le conoce como volcado de datos. 18 Los datos medidos tanto por las sondas como por el telecontrol se encuentran en las memorias que ambos dispositivos tienen para el almacenamiento. De modo que es necesario trasladarlas a un ordenador en formatos más manejables. El proceso de volcado de datos de campo se encuentra desarrollado en el capítulo 5.1 “Volcado de datos de campo”. Se detallan todas las herramientas utilizadas en el proceso de volcado de datos El volcado de datos da como resultado hojas de cálculo Excel donde se encuentran tanto los datos de presión de la red como de consumo. En las Figuras 3.3 y 3.4 se pueden observar los resultados del volcado de datos. La Figura 3.3 corresponde a la primera tanda de medidas llevadas a cabo por las sondas en el hidrante 245 La Figura 3.4 corresponde a la primera tanda de medidas llevadas a cabo por el telecontrol. Los archivos Excel de telecontrol contienen todas las medidas de presión y consumo que todos los transductores realizan en una hora concreta 19 Volcado de datos H245 – 4/6/2012- 12/6/2012 Sondas Figura 3.3 Medidas tomadas por la sonda número 3 en el hidrante 245 20 Volcado de datos Todos los hidrantes – 4/6/2012-12/6/2012 Telecontrol Figura 3.4 Medidas tomadas por el telecontrol en toda la red Puede verse que en la Figura 3.3 solamente hay datos de presión del hidrante 245 mientras que la Figura 3.4 contiene datos de presión y de consumo de todos los hidrantes en los que hay instalado un transductor. 21 Sincronización de datos de sondas con telecontrol Si se quiere realizar una evaluación de los datos medidos, es necesario hacer corresponder los datos de las sondas y el telecontrol para que cada dato de presión tomado por las sondas tenga asignado un dato de presión tomado por el telecontrol. De esta manera se podrán comparar ambas tomas de datos. Además será necesario asignar consumos a las presiones tomadas por las sondas. Se recuerda que para realizar la calibración de la red y la comprobación de los resultados de la calibración es necesario que las presiones tengan un consumo. También se recuerda que las sondas solamente miden la presión que se da en cada hidrante mientras que el telecontrol además mide el consumo. No todas las medidas que realiza el telecontrol tienen consumo ya que en las horas centrales del día no hay consumo. Por lo que esos datos no son válidos para realizar la calibración. Para realizar una primera interpretación de los datos es necesario emparejar las medidas para comparar las dos fuentes de toma de datos. . Esto se debe a que la disposición de las presiones medidas en la hoja Excel, que contiene las presiones tomadas por el telecontrol, no permite representar las presiones por separado de cada uno de los hidrantes. Para esa primera interpretación no es necesario asignar consumos. Sí se podría hacer manualmente, pero se hará automáticamente para evitar más trabajo. Este paso por sí solo ya es un filtrado para los datos registrados por las sondas de presión. Esto se debe a que las sondas toman medidas cada cinco minutos y el telecontrol cada treinta minutos. De modo que solamente tendrán consumo asignado las presiones que hayan sido tomadas por las sondas en horas cercanas a las horas de las presiones tomadas por el telecontrol. Las presiones tomadas por las sondas que no tengan un consumo asignado no serán útiles para la calibración. El proceso de emparejamiento de los datos de las dos fuentes se muestra en el capítulo 5.3 “Depuración y filtrado de datos” Los resultados del emparejamiento de los datos se pueden representar también en hojas Excel. En cambio, estas hojas contienen los datos de las dos fuentes de toma de datos para cada hidrante por separado. En la Figura 3.5 puede verse la apariencia de dichas hojas de Excel. Se trata de las presiones tomadas en el hidrante 245 en la primera tanda de medidas: 22 Figura 3.5 Sincronización de datos de TeleGestar con datos de las sondas Comparativa de datos de las sondas con telecontrol Con esta nueva disposición de los datos en las hojas de Excel ya se puede realizar una primera evaluación. En las Figuras 3.6 y 3.7 se pueden ver las representaciones tiempo-presión en el hidrante 245 en la primera tanda de medidas (4/6/2012-12/6/2012): Figura 3.6 Presiones tomadas por la sonda en el hidrante 245 23 Figura 3.7 Presiones tomadas por TeleGestar en el hidrante 245 Y en la Figura 3.8 se puede ver una comparación de las medidas tomadas por ambas fuentes: Figura 3.8 Comparación de presiones tomadas por TeleGestar y por las sondas en el hidrante 245 En la Figura 3.8 se observa que existe cierto desvío entre las medidas de las sondas y las medidas registradas por el Telecontrol. Las presiones tomadas por las sondas sacan un valor medio más alto que las presiones tomadas por el telecontrol. El 24 resto de las gráficas comparativas para los demás hidrantes se encuentra en el anexo número 4. También se observó el mismo problema en los demás hidrantes. Esto puede deberse a que las sondas, que toman los datos de presión no estén bien calibradas puesto que en su puesta en marcha se realizó una calibración poco precisa por no disponer de los recursos y equipos necesarios al inicio del proyecto. No obstante ambas fuentes toman datos de manera similar ya que las series de datos siguen la misma silueta. La corrección de los datos se realizó una vez efectuada una primera calibración de la red, ya que al observar cierto desfase entre ambas series de medidas se creyó conveniente adquirir equipos que permitieran una calibración precisa y eficaz de los aparatos de medida. En esas primeras calibraciones de la red se vio que cuando se usaban las presiones tomadas por telecontrol la calibración era de mejor calidad. Mientras que si se usaban las presiones tomadas por las sondas, los resultados de la calibración cometían un gran error si se comparaban con los reales. De modo que se optó por calibrar las sondas. El proceso de calibración de las sondas se encuentra en el apartado 4.3.2 “Calibración de la instrumentación”. Una vez que se calibraron las sondas y que se corrigieron los datos de las presiones, las calibraciones fueron de mucha mejor calidad. Evaluación primera tanda de medidas Si se observan las Figuras 6, 7 y 8 puede verse que existen oscilaciones muy acentuadas de la presión en intervalos cortos de tiempo. Esto puede ser debido a que hay estados de la red registrados que no reflejan el funcionamiento real de la red, debido a posibles caudales no regulados, fugas, procesos transitorios, etc. Todos estos datos de presión no aportan información útil para realizar la calibración de la red. De modo que es necesario aplicar filtros que eliminen dichos datos. Filtrado de datos Para filtrar los datos se aplicarán dos cribas: a) Criba de tolerancia b) Criba de caudal mínimo de bombeo 31 Figura 4.2 Colocación de una conducción  Control automatizado: En las estaciones de bombeo un autómata programable gestiona el funcionamiento de los equipos de bombeo. Se supervisa desde el centro de control. Desde el centro de control, además, la CCRR programa apertura de hidrantes y válvulas de toma. Recoge los consumos de todos los hidrantes, 4.212 solenoides y 7 concentradoras En la Figura 4.3 se puede observar uno de los operarios manejando los programas encargados del control automatizado: 32 Figura 4.3 Programación de riego La III Fase y última será el equipamiento de las parcelas. Proyecto por redactar, pendiente del acuerdo de las parcelas de remplazo de la Concentración Parcelaria. 4.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO Se ha modelizado hidráulicamente la red y la estación de bombeo (García et. Al, 2008) mediante la aplicación GESTAR2010 a partir de la información (planos constructivos, datos agronómicos, información de las tarifas eléctricas y hojas técnicas de los equipos de impulsión) facilitada por la Comunidad de Regantes. En la Figura 4.4 se puede observar el diseño de la red La Volada mediante Gestar. 33 Figura 4.4 Modelo de la red La Violada 4.3 DESARROLLO DE CAMPAÑA DE MEDIDAS EN CAMPO Este capítulo comprende el proceso destinado a la toma de datos de presión a partir de las sondas. Se compone de siete secciones: 1. Instrumentación utilizada 2. Calibración de la instrumentación utilizada 3. Selección y ubicación de puntos de medida 4. Colocación de las sondas 5. Fechas de adquisición de datos 6. Secuencia de medida 7. Incidencias 4.3.1 Instrumentación utilizada Los dispositivos utilizados para la toma de datos en los hidrantes son unos aparatos de la firma AHLBORN. En la Figura 4.5 se puede ver una fotografía de uno de los dispositivos. 34 Figura 4.5 Dispositivo ALMEMO utilizado para toma de presiones En concreto son los dispositivos ALMEMO 2590-3s. El componente 3s se refiere a que el dispositivo tiene tres entradas de datos. El ALMEMO incluye una EEPROM donde los parámetros del sensor y el dispositivo se almacenan. EEPROM responde a “Erasable Programmable Read Only Memory” que se puede traducir como Memoria programable borrable de solo lectura. También se la conoce como E-2-PROM. Como su nombre sugiere, una EEPROM puede ser borrada y programada con impulsos eléctricos. Al ser una pieza que se puede gestionar por estos impulsos eléctricos, podemos realizar todas estas operaciones de reprogramación sin tener que desconectarla de la placa a la cual va conectada. La EEPROM también se conoce como “non-volatile memory” o memoria no volátil y es debido a que cuando se desconecta la energía, los datos almacenados en la EEPROM no serán eliminados quedando intactos. Las EEPROM más nuevas no tiene datos almacenados en ellas y deben ser primero configuradas con un programador antes de ser usadas. La información almacenada dentro de este dispositivo puede permanecer durante años sin una fuente de energía eléctrica. Son usadas para almacenar información programable de usuario, como por ejemplo:  Información de programación VCR  Información de programación de CD  Información de usuario de productos instalados en el equipo 35 La EEPROM en el monitor realiza dos funciones: Cuando encendemos un monitor se copiarán todos los datos o información desde la EEPROM al microprocesador. Por ejemplo, la EEPROM dejará al microprocesador conocer las frecuencias en las cuales el monitor funcionará. La EEPROM se utiliza para guardar la configuración más reciente del monitor. La configuración del monitor no desaparecerá aunque el monitor sea apagado. Cuando se haga un cambio en dicha configuración, el microprocesador actualiza estos cambios en la EEPROM. Cuando el monitor vuelve a encenderse, los datos ya actualizados son usados para poner el monitor operativo. Las EEPROM raramente fallan, y cuando lo hacen suele ser por picos eléctricos y sobrecargas de energía, provocando perdida de datos o que estos datos queden dañados. Como se comentó al principio del artículo, las EEPROM más modernas viene vacías y necesitan que la información les sea cargada para funcionar. El trabajo de copiar los datos en una EEPROM se hace mediante un programador o copiador. Estos programas vienes en todos los tamaños y formas. Se componen de una parte hardware donde se conecta la EEPROM y luego existen muchos software que harán la descarga al dispositivo. Hay que tener en cuenta que las EEPROM tiene un tiempo limitado de vida, es decir, las veces que se pueden reprogramar pueden ser de cientos o miles de veces, pero no son infinitas. No obstante para el estudio de los hidrantes con el período de duración de la memoria nos es suficiente. La memoria EEPROM del ALMEMO es de 60 kb que se traduce en unos 5000 datos de presión con su fecha y hora correspondiente. Todos los datos que no entran en la EEPROM (hora y fecha) se borran una vez acabada la batería por lo que cada vez que se ponen las baterías de nuevo es necesario actualizar la hora y la fecha. Las baterías que emplea el ALMEMO son pilas alcalinas de 1,5V. Al principio se utilizaron pilas no recargables, pero el coste económico y la insuficiente duración de las baterías obligaron a utilizar pilas alcalinas recargables de mayor duración. El dispositivo se puede programar manualmente o a través del ordenador. Se programó antes de cada toma de datos de forma manual. Sin embargo la actualización de la hora y la fecha se realizó mediante el ordenador. Tiene tres entradas de datos que pueden codificar muchas magnitudes como humedad, presión o temperatura. Tiene además dos salidas para descargar los datos al ordenador o a cualquier dispositivo mediante el USB. Otro aspecto que interesaba bastante de estos dispositivos son los dos modos en los que se puede configurar para tomar datos. 36 Los dos modos son: Normal mode Sleep mode El normal mode pone al dispositivo a tomar datos sin apagarse entre toma y toma. Está diseñado para tomas de datos continuas. La duración de la batería es corta. El sleep mode pone al dispositivo en estado de hibernación entre tomas. Como se quieren tomar datos en intervalos de tiempo regulares lo, se configuró en sleep mode. Este modo permite una larga duración de las baterías A cada sonda se le conecta un transductor capaz de convertir las señales de presión en señales eléctricas. Cuando estas señales llegan al dispositivo, se transforman de nuevo en el valor de la presión para que pueda ser almacenado en la EPROM. En la siguiente Figura se puede ver una fotografía de uno de los transductores: Figura 4.6 Transductor utilizado para captar señal de presión Cuando se comenzó a realizar medidas se tenían dos tipos de transductores: los que medían hasta 6 bares de presión y los que medían hasta 16 bares. Se utilizaron ambos transductores pero pronto se vio que los transductores de 6 bares no servían ya que existían picos de más de 6 bares. Por lo que hubo que se tuvieron que conseguir más transductores de 16 bares. 37 Al final se lograron colocar dispositivos en 6 hidrantes diferentes. A lo largo del proceso de calibración, a estos dispositivos se les denominarán sondas. 4.3.2Calibración de la instrumentación Este proceso comprende la calibración de las sondas. A medida que se realizaban medidas en el campo, se vio que las medidas de las sondas no coincidían con las de TeleGestar. Además se observó también que las calibraciones realizadas con los datos de las sondas no ofrecían buenos resultados ya que se cometía un gran error. De ahí que se optara por calibrar el conjunto de las sondas. Para calibrar las sondas se utilizaron: una bomba manual neumática y un manómetro digital. La bomba neumática es una bomba de presión de la marca Keller y tiene la capacidad de producir una presión de hasta 20 bar y 0,85 bar de vacío. Este tipo de bombas se utiliza para calibrar manómetros, transmisores y presostatos. En la siguiente Figura se puede ver una fotografía de la misma: 38 Figura 4.7 Bomba neumática Keller El manómetro, se trata de un manómetro digital también de la marca Keller. El LEX1 de Keller es un manómetro normalmente se utiliza para calibrar otros instrumentos de medida de presión tales como manómetros (analógicos o digitales), transmisores de presión, presostatos, etc. La presión instantánea se mide dos veces por segundo y se visualiza en la parte superior del display LCD. En la parte inferior podemos ver el valor máximo o mínimo desde el último Reset. En la siguiente Figura se puede ver una fotografía del instrumento: 39 Figura 4.8 Manómetro LEX1 de Keller El LEX1 tiene dos botones. El de la izquierda se emplea para encender el manómetro, para seleccionar las diferentes funciones y para cambiar de unidades. El botón de la derecha se utiliza para ejecutar la función o unidad seleccionada. También permite cambiar entre el valor máximo y el mínimo. El instrumento tiene las siguientes funciones:  Reset : pone los valores máximo y mínimo al valor instantáneo actual  Zero : permite hacer un "cero" como valor de referencia. Útil para compensar las variaciones de la presión atmosférica. El ajuste del cero de fábrica de los rangos -1...2bar y -1...20bar está hecho a 0 bar absolutos. Por tanto, para efectuar mediciones con el cero de referencia a la presión atmosférica, deberá hacerse un "zero" al valor actual de presión atmosférica. El ajuste del cero de fábrica de los rangos >30bar está hecho a 1 bar de presión absoluta, 40  Cont (El manómetro se apaga después de 15 minutos sin utilizarlo)  Units (Todos los instrumentos standard se calibran en bar. La presión puede indicarse en 13 unidades diferentes Para calibrar las sondas, primero es necesario acoplar el manómetro a la bomba enroscando el manómetro en la parte superior de la bomba. Una vez realizado esto, se hace cero en el manómetro y se conecta el cable de la bomba a la sonda. Se acciona la palanca de la bomba hasta que se alcanza una presión determinada tanto en el manómetro como en la sonda. Se comparan las medidas de la sonda y del manómetro y se anotan. Se realiza esto para varias presiones diferentes. Al final se tienen varias parejas de puntos. Y se calcula la pendiente de esas parejas de puntos. En la siguiente Figura se puede ver la calibración de la sonda número 5: Sonda 5 Hidrante 286 Presión sonda Presión manómetro 0,64 0,68 0,56 0,59 0,47 0,5 0,28 0,3 0 0 Figura 4.9 Presiones medidas por la sonda y por el manómetro Y en la siguiente Figura se puede ver la representación de las parejas de puntos realizada para el cálculo de la pendiente de la recta: Figura 4.10 Representación de medidas de la sonda y del manómetro 47 Figura 5.1 Apariencia de los archivos que contienen las presiones de las sondas Quedando almacenadas las presiones en bares para cada hora en la que se tomaba cada medida. Como los datos de presión son extraídos de las sondas en archivos de .txt (bloc de notas) los pasaremos a hojas de cálculo. El programa de las hojas de cálculo que utilizaremos será el Microsoft Office Excel 2010. La transformación de archivos de texto en hojas de cálculo de Excel se muestra en el anexo número 1. Las hojas de cálculo que resultan de este procedimiento tienen la siguiente apariencia (Figura 5.2): 48 Figura 5.2 Apariencia de las hojas de cálculo Excel que contienen los datos de las sondas En la tabla hay cinco columnas. Solamente interesan tres de ellas. En la columna A se hallan las horas en las que fueron tomadas las presiones. Como se dijo en el apartado de “Metodología de trabajo”, los intervalos de toma de datos son de cinco minutos. En la columna B se encuentra el día en el que se toman las medidas. Y en la columna C se pueden ver los valores de las presiones en bares. Hay que recordar que las presiones tomadas son tanto dinámicas como estáticas ya que hay casos en los que la red está en funcionamiento y otros en los que no lo está. Por otra parte están los datos procedentes del telecontrol. Estos datos se enviaban al servidor TeleGestar ubicado en EPSH después de cada tanda de medidas desde la CCRR de Almudévar. Los archivos que contenían los datos del telecontrol también llegaron en archivos de texto .txt de modo que los pasamos a hojas de cálculo de la misma manera que hicimos con los archivos de las sondas. 49 En este caso las hojas de cálculo quedaban así (Figura 5.3): Figura 5.3 Apariencia de las hojas de cálculo que contienen los datos del telecontrol El formato es diferente. Aquí están todas las medidas de consumo de todos los hidrantes para una hora determinada y las presiones en cada hidrante en el que hay instalado un transductor de telecontrol. En la Figura 5.4 se encuentran recuadrados los hidrantes en los que hay instalado un dispositivo de telecontrol: 50 Figura 5.4 Distribución de las presiones y los consumos en los archivos Excel del telecontrol Existen ocho hidrantes en los que hay instalados transductores. Todos ellos están colocados en finales de ramal para poder controlar todas las pérdidas de carga que se dan en dichos ramales. Como se dijo en la metodología de trabajo, todos los transductores están colocados en hidrantes. En ellos hay instalado un dispositivo que toma las presiones junto con el consumo. Lógicamente parte de estos hidrantes son los que nosotros estamos estudiando con las sondas. De ahí que los datos nos sirvan para contrastar las calibraciones a partir de las sondas con las calibraciones a partir de los datos de telecontrol. También en cada hora hay un dato llamado “reservoir” que indica la presión a la salida de la impulsión y otro llamado “fiabilidad” que significa que cuando el telecontrol detecta que todas las medidas han sido actualizadas y no ha habido error en la transmisión de la señal. Ya se tienen los datos de las presiones y consumos en formatos más manejables. A continuación se estudiaran las diferentes tandas de medidas. 51 5.2 COMPARATIVA E INTERPRETACIÓN DE DATOS BRUTOS DE SONDAS Y TELECONTROL Es necesario comparar e interpretar los datos de las sondas y del telecontrol para decidir que tratamiento se les aplica. Para ello representamos los valores de ambas presiones sobre la misma gráfica. Además habrá que comparar los datos de las tres tandas de medidas. Antes de representar los datos diremos que hemos acondicionado los archivos Excel de cada sonda para poder poner la fecha y la hora en la misma casilla. También para poner las presiones en bares. Los archivos quedan así (Figura 5.5): Figura 5.5 Apariencia de los archivos que contienen las presiones tomadas por las sondas Para poder representar las presiones tomadas por el telecontrol se deberá cambiar la disposición de los datos en las hojas de Excel que los contienen. Esto se 52 consigue gracias un programa elaborado a partir de la herramienta informática Visual Basic. Este programa además sirve para sincronizar los datos de las presiones tomadas por el telecontrol con los datos de las presiones tomadas por las sondas. Esta sincronización es la que permite asignar consumos a las presiones tomadas por las sondas. Sin embargo en este apartado no es necesaria dicha sincronización. La descripción de este programa informático para sincronizar y cambiar la apariencia de las hojas de Excel con los datos del telecontrol se encuentra en el anexo número 2. De modo las hojas de cálculo resultantes quedarán así (Figura 5.6): Figura 5.6 Hoja de cálculo resultante de la sincronización En la Figura 5.6, en la columna “G” se encuentran las presiones tomadas por el telecontrol dispuestas en un modo más manejable para su representación y en la columna “H” se encuentran las horas de toma de medidas. El resto de las columnas de la hoja no tienen utilidad en este apartado. Más adelante se les dará uso y explicación. De esta manera ya se tienen las presiones de ambas fuentes para ser representadas. Para iniciar el estudio se tomará un hidrante al azar. Ese hidrante es el 245. En las Figuras 5.7, 5.8 y 5.9 se pueden ver las gráficas que contienen los datos tomados por ambas fuentes. 53 4 junio 2012 – 12 junio 2012 Figura 5.7 Comparativa de presiones de telecontrol y sondas entre el 4 y el 12 de junio del hidrante 245 26 julio 2012 – 14 agosto 2012 Figura 5.8 Comparativa de presiones de telecontrol y sondas entre el 26 de julio y el 14 de agosto del hidrante 245 54 22 agosto 2012 – 10 septiembre 2012 Figura 5.9 Comparativa de presiones de telecontrol y sondas entre el 22 de agosto y el 10 de septiembre del hidrante 245 El resto de las tablas comparativas del resto de los hidrantes se encuentran en el anexo número 5. Las Figuras 5.7, 5.8 y 5.9 reflejan el comportamiento de la red durante los días en los que se tomaron medidas. El primer punto en común que poseen todas las gráficas comparativas de datos es que los datos de presión tomados por ambas fuentes siguen el mismo trazado pero no en los mismos valores. Esto implica que una o ambas fuentes están cometiendo error en sus medidas. Una vez que se realice una primera calibración de la red se podrá comprobar que datos no han sido correctamente medidos mediante las sondas No obstante es de esperar que sean las sondas las que cometen el error de medida. En cuanto a las siluetas que forman las series de datos, se puede interpretar lo siguiente: Existen estados transitorios en los que la red estabiliza su presión. Estos estados se reflejan en los grupos de datos que sufren un cambio brusco en un intervalo de tiempo muy corto. Estos datos no son útiles para la calibración de la red puesto que no son escenarios que puedan ser parametrizables. Esto se debe a que en la red existen, además de hidrantes programados para el riego, válvulas en zonas de huerto de las que no se tiene control desde la CCRR. De modo que cuando en la red es abierta una de esas válvulas, la presión cae bruscamente, por lo que las bombas se ponen a trabajar para estabilizar de nuevo la presión provocando el ascenso brusco de la presión. Estos datos no son útiles para determinar las pérdidas de carga de la red ya que no obedecen a ninguna programación previa de consumo. 55 Otros datos que no aportan información para una calibración son los las presiones que tengan asignado un consumo nulo o casi nulo. Esto se debe a que esas presiones pasan de ser dinámicas a ser estáticas, por lo que no están asociadas pérdidas de carga en la red. Otra cosa a destacar es que hay menos datos de telecontrol que de las sondas. La explicación está en que el telecontrol solamente toma datos cada media hora y que las sondas toman datos cada cinco minutos. Un problema que se plantea aquí es que las horas de toma de datos del telecontrol no coinciden exactamente con las de toma de datos de las sondas, con lo que habrá que hacer corresponder de algún modo cada medida de telecontrol con la medida más cercana de la sonda para poder asignar consumo a las presiones de las sondas. Este problema ya fue mencionado anteriormente en este capítulo. En el siguiente capítulo se detallan cada uno de los pasos que se han seguido para proceder a eliminar los datos que no se consideran útiles para la calibración. 5.3 DEPURACIÓN Y FILTRADO DE DATOS Este capítulo comprende todos los pasos que se han tomado para aislar los datos útiles para la calibración. Está compuesto por tres partes bien diferenciada: d) Sincronización de los datos de las sondas con los datos del telecontrol e) Sincronización de presiones y consumos f) Filtrado de datos Sincronización de los datos de las sondas con los datos del telecontrol El primer tratamiento que se les aplicará a los datos es la sincronización de los datos de las sondas con los datos del telecontrol. Esto se realiza para que los datos de las sondas tengan asignado un consumo ya que el telecontrol también mide consumo. Si no se realiza este paso no se podrían completar las ecuaciones de las pérdidas de carga ya que no se dispondría del caudal en la red para la calibración de la red mediante los datos de las sondas. Los consumos no se encuentran en las hojas de Excel sino que se encuentran en un archivo .XML facilitado a la sede de estudio de TeleGestar. Las medidas de las presiones de las sondas no son tomadas a la misma hora exactamente que con el telecontrol ni con la misma frecuencia. Hay un mayor número de medidas procedentes de las sondas. Esto se debe a que las sondas toman medidas cada cinco minutos y el telecontrol cada treinta. El procedimiento de emparejamiento de datos se encuentra detallado en el anexo número 2. Este procedimiento ya se usó en el capítulo 5.2 para transformar la disposición de las hojas Excel que contenían los datos de las presiones. 56 En este caso a las hojas se utilizarán para comprobar el filtrado de datos. Las hojas Excel producto del emparejamiento quedan así (Figura 5.10): Figura 5.10 Y la representación de ambas series de presiones respecto del tiempo queda así (Figura 5.11): Figura 5.11 Datos sincronizados 63 En la localización “Modelo” se debe introducir el modelo de la red que se desea calibrar. En este caso se trata de la red Violada. En la localización “Fichero resultados calibración” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el archivo de texto que contendrá las rugosidades de las tuberías de la red y la función objetivo resultante de dicha calibración. En la localización “Fichero salida datos .XML” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el fichero .XML con los escenarios “válidos”, los que han pasado el filtrado En la localización “Ruta ficheros medidas” se debe introducir la ruta de carpetas donde se encuentran los archivos que contienen las medidas de las sondas. En las localizaciones “Hidrantes con transductores” se deben introducir los hidrantes que queremos incluir en el proceso de calibración. El programa tomará solamente los archivos de los hidrantes que hayamos introducido en dichos huecos. Cabe decir que las palabras que introduzcamos en las localizaciones deben coincidir con los títulos de los archivos que contienen las medidas. Si no el programa no funciona. En la localización “Fecha inicial” debe introducirse la fecha a partir de la cual el programa empezará a tomar los datos para la calibración. De forma análoga en la localización “Fecha final”, debe introducirse la fecha en la cual el programa dejará de tomar datos para la calibración. En la localización “Tolerancia (bar)” debe introducirse la tolerancia del filtrado. El filtro de tolerancia está explicado en el apartado 4 “pre-procesado de datos” Y finalmente en la localización “Caudal mínimo de bombeo” debe introducirse el caudal mínimo para el filtrado. El filtro de caudal mínimo de bombeo está explicado en el apartado 5 “pre-procesado de datos” 64 6.2.1.2 Programa de calibración para las medidas del telecontrol En la localización “Modelo Red” se debe introducir la ruta del archivo que contiene los datos topológicos de la red. Para todos los casos de esta calibración será el archivo “ModeloLaVioladaSondas.mdb” (base de datos de Microsoft Access) el cual contiene los datos de la red La Violada. En la localización “Fichero entrada datos” se debe introducir la ruta del archivo .xml que contiene los consumos de la red en cada momento que se realiza una medida En la localización “Modelo” se debe introducir el modelo de la red que se desea calibrar. En este caso se trata de la red Violada. En la localización “Fichero resultados calibración” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el archivo de texto que contendrá las rugosidades de las tuberías de la red y la función objetivo resultante de dicha calibración. En la localización “Fichero salida datos .XML” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el fichero .XML con los escenarios “válidos”, los que han pasado el filtrado 65 En la localización “Fecha inicial” debe introducirse la fecha a partir de la cual el programa empezará a tomar los datos para la calibración. De forma análoga en la localización “Fecha final”, debe introducirse la fecha en la cual el programa dejará de tomar datos para la calibración. En la localización “Tolerancia (bar)” debe introducirse la tolerancia del filtrado. El filtro de tolerancia está explicado en el apartado 4 “pre-procesado de datos” En las localizaciones “Eliminar Hidrantes” se deben introducir los hidrantes que el programa no cogerá para realizar la calibración. De nuevo cabe decir que las palabras que introduzcamos en las localizaciones deben coincidir con las rutas de los archivos que contienen las medidas. Si no el programa no funciona. Y finalmente en la localización “Caudal mínimo de bombeo” debe introducirse el caudal mínimo para el filtrado. El filtro de caudal mínimo de bombeo está explicado en el apartado 4 “pre-procesado de datos” 6.2.1.3 Resultados de las calibraciones En ambas calibraciones se obtienen dos archivos que se utilizarán para realizar comprobaciones y estudios. Los archivos obtenidos son: Archivo de salida en .XML: Este archivo contiene los datos de las presiones que han pasado el filtrado. Cada presión lleva su consumo asignado. Este archivo se utilizará para comprobar el grado de exactitud de la calibración con los datos filtrados. Tiene la siguiente apariencia: 66 Archivo de salida en .txt: Este archivo contiene las rugosidades obtenidas de la calibración a partir de las presiones filtradas. También contiene la función objetivo resultante de dicha calibración. Tiene la siguiente apariencia: En él, se pueden ver las rugosidades de cada uno de los tubos de la red. También se puede ver en la parte inferior el dato de la función objetivo. Este dato servirá para evaluar si la calibración ha sido aceptable. 6.2.3 Programa para comprobación El programa de comprobación deberá poder simular la red con los datos de las rugosidades obtenidos de las calibraciones. De modo que el programa deberá utilizar TeleGestar para simular la red. También se utiliza la herramienta informática Visual Basic para crear el programa. El programa servirá tanto para las calibraciones procedentes de las sondas como para las calibraciones procedentes del telecontrol. Esto se debe a que los 67 ficheros de salida de los programas de calibración son en el mismo formato y tienen el mismo diseño interno. 6.2.3.1 Diseño del programa Esta es la apariencia del programa En la localización “Base de datos del modelo” se debe introducir la ruta del archivo que contiene los datos topológicos de la red. Para todos los casos de esta calibración será el archivo “ModeloLaVioladaSondas.mdb” (base de datos de Microsoft Access) el cual contiene los datos de la red La Violada. En este caso hay que modificar dicha base de datos introduciendo las rugosidades obtenidas de la calibración. Para realizar este paso se debe consultar el anexo número 3. En la localización “Fichero entrada datos entrada” se debe introducir la ruta del archivo que contiene los datos de las presiones que han pasado el filtrado. Este archivo se obtiene con el programa de calibración. Está en formato XML En la localización “Modelo” se debe introducir por defecto la palabra “Calibración”. En la localización “Fichero .xml datos salida” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el archivo .xml que contiene los datos de la calibración. Este archivo no lo utilizaremos en el futuro para calibrar la red de modo que no es necesario guardarlo. 68 Y finalmente en la localización “Resultados” se debe introducir la ruta en la que el programa creará el archivo de texto que contiene los resultados de la calibración. 6.2.3.2 Resultados de la comprobación El archivo resultante de la comprobación de la calibración tiene la siguiente apariencia: Para una mejor manejabilidad de datos, abrimos el archivo con la hoja de cálculo Excel. Como abrir el archivo en una hoja de cálculo Excel se muestra en el anexo número 1. El archivo de comprobación en hoja de Excel tiene la siguiente apariencia: 69 En la hoja podemos destacar: Columna A: Contiene la fecha y la hora en la que se han medido y calculado las presiones. Columna D: Contiene el hidrante sobre el que se ha realizado la comprobación. Columna G: Contiene las presiones medidas en mca Columna J: Contiene las presiones calculadas en mca Este archivo servirá para comparar las presiones medidas en los hidrantes con las presiones calculadas con el modelo calibrado. 6.3 ESTUDIO DE LAS CALIBRACIONES Una vez conocidas todas las herramientas y métodos de tratamiento de datos, es momento de darles uso. De modo que se procederá con la calibración de la red aplicando el algoritmo de calibración mediante los programas descritos en el apartado 6.2 “Descripción del funcionamiento de las herramientas informáticas de calibración” Se hará un estudio de las diversas calibraciones en función de los filtros aplicados y se decidirá cuál de ellos es el más apropiado para esta calibración. Los dos filtros que regulan el uso de los datos de las presiones en las calibraciones son: la tolerancia y el caudal mínimo de bombeo, ambos explicados en el capítulo 5 “Pre-procesado de datos” Dado que el consumo más elevado se da durante los primeros 12 días de agosto, se opta por utilizar para realizar la calibración los datos de las presiones medidos entre el 26 de julio y el 14 de agosto. Concretamente, dado que el consumo medio más elevado se entre el 9 y el 12 de agosto, se utilizarán los datos medidos durante ese período para realizar la calibración. 70 Las calibraciones se realizarán a partir de las dos fuentes de datos de presión (sondas y TeleGestar). Por lo que se realizará un seguimiento de las calibraciones con el fin de averiguar cuál de ellas ofrece mejores resultados. Además será necesario estudiar cuál es el modo en el que responden mejor las calibraciones a la hora de utilizar los datos de las sondas: con las sondas calibradas o con las sondas sin calibrar. Para el estudio de las calibraciones se tendrán en cuenta los siguientes aspectos: a) Función objetivo b) Coeficiente de correlación Creo que este aporta poca información, igual lo quito c) Diferencia entre presión medida y presión calculada Función objetivo La función objetivo es la suma de los cuadrados de los errores cometidos en las calibraciones. A mayor función objetivo peor es la calidad de la calibración. Cuando la función objetivo es cero la calibración es ideal. El cálculo de la función objetivo se realiza de la siguiente manera: FO = ∑ ( Pmi – Pci)2 Siendo: Pmi la presión medida a una hora determinada y Pci la presión que se calcularía a partir del mismo consumo y con las nuevas rugosidades resultantes de la calibración a una hora determinada. El cálculo de las últimas se realiza mediante la simulación de la red con TeleGestar a partir de las rugosidades calculadas en la misma calibración. Este cálculo lo realiza el propio programa de calibración. El valor de la función objetivo se encuentra en los archivos de texto que contienen las rugosidades calculadas. Las presiones que el programa de calibración calcula para obtener la función objetivo son las misma que se calcularán a partir del programa de comprobación para realizar las comprobaciones en los casos que se utilice el mismo consumo. Coeficiente de correlación El coeficiente de correlación mide la eficacia con la que una nube de puntos se ajusta a una función lineal. El cálculo de dicho coeficiente se muestra en la siguiente ecuación (Figura 6.1): 71 Figura 6.1 Siendo el parámetro X la presión medida expresada metros columna de agua y la Y la presión calculada expresada también en metros columna de agua. Una vez realizada la comprobación de las calibraciones se representarán las presiones medidas frente a las calculadas. De esta manera se puede evaluar el error cometido por la calibración. Un ejemplo de esta representación se ve en la Figura 6.2. Se puede ver una representación de las presiones medidas y calculadas resultantes de una calibración a partir de los datos de una sonda calibrada colocada en el hidrante 277. Se usa un caudal mínimo de bombeo de cero m3/s y una tolerancia de 0,5 bar: Figura 6.2 Presiones medidas frente a calculadas En este caso se puede ver un coeficiente de correlación de 0,8929. Este coeficiente no mide la eficacia de la calibración. Sin embargo la recta de tendencia a la que pertenece dicho coeficiente sí que mide dicha eficacia de forma simple. De esta manera se puede ver lo que se aleja dicha recta de la bisectriz, que sería la línea de tendencia ideal, representada mediante la línea roja. No obstante no es buen método para interpretar la calibración ya que la nube de puntos puede ser muy dispersa y entre esos mismos puntos se pueden compensar los errores. 72 Solamente se observará este valor cuando se comparen las presiones medidas y calculadas para las calibraciones a partir de los datos de las sondas calibradas y sin calibrar Diferencia entre presión medida y presión calculada Consiste en visualizar la presión medida frente a la presión calculada. El eje de abscisas hace referencia a las presiones simuladas mediante TeleGestar a partir de las rugosidades resultantes de la calibración mientras que el eje de ordenadas hace referencia a las presiones medidas. Este método consiste en establecer un margen de error y realizar un recuento los datos que quedan dentro de dicho margen y los que quedan fuera. Después, con esa suma se calculará el porcentaje de datos que quedan fuera del margen de error Se establecerán dos márgenes de error: 3 mca y 4 mca. En la Figura 6.2 se pueden observar dos líneas, una sobre la bisectriz del primer cuadrante y otra por debajo. Fuera de estas dos líneas se encuentran las medidas de presiones que cometen un error de 4 mca. En la hoja Excel resultante de la comprobación de la calibración se introducirán dos columnas en las que se calcularán las diferencias entre las presiones medidas y las calculadas. De modo que si esa diferencia es mayor al margen se añadirá esa pareja de puntos a la columna de las parejas que cometen error. La fórmula que se introduce en las celdas es la siguiente: SI:(|Pmedida-Pcalculada|)>3 (o 4) ; sumar 1 Las parejas de presiones que se encuentran en la Figura 6.2 contienen los siguientes porcentajes de error. .% datos (error 3 mca) = 7 parejas que difieren en 3 mca / 102 parejas = 6.86 .% datos (error 4 mca) = 3 parejas que difieren en 4 mca / 102 parejas = 2.94 Este método muestra la calidad de la calibración con bastante objetividad. Se considera que errores por debajo de 3 mca son errores asumibles dentro de una calibración. 79 Figura 6.10 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 2 bar y caudal mínimo de bombeo 0,27 m3/s Figura 6.11 tabla comparativa de parámetros Se realizan las siguientes interpretaciones: En las Figuras 6.8, 6.9 y 6.10 se observa que las tres calibraciones son de buena calidad. A simple vista se observa que los errores cometidos por las calibraciones son pequeños. La función objetivo aumenta a medida que aumenta la tolerancia aplicada al filtrado de datos. Esto se debe a que a medida que se aumenta la tolerancia, aumenta si número de datos que se toman para realizar la calibración. Esto implica que se utiliza un mayor número de datos que representan escenarios de difícil predicción. En las siguientes Figuras se puede observar el filtrado de datos. En ellas se representan los datos de las presiones sin filtrar y los datos de las presiones filtrados. En la Figura 6.12 se encuentran los datos de las presiones sin filtrar En la Figura 6.13 se encuentran los datos de las presiones filtradas con tolerancia 0,5 bar y 0,27 m3/s En la Figura 6.14 se encuentran los datos de las presiones filtradas con tolerancia 1 bar y 0,27 m3/s En la Figura 6.15 se encuentran los datos de las presiones filtradas con tolerancia 2 bar y 0,27 m3/s Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0,27 651,5 82 25,61% 13,41% si 2 0,27 1028,82 104 25,00% 14,42% si 0,5 0,27 423,61 60 21,67% 11,67% 80 Figura 6.12 Presiones medidas entre el 9 y el 12 de agosto sin filtrar Figura 6.13 Presiones medidas entre el 9 y el 12 de agosto filtradas con tolerancia 0,5 bar y 0,27 m3/s 81 Figura 6.14 Presiones medidas entre el 9 y el 12 de agosto filtradas con tolerancia 1 bar y 0,27 m3/s Figura 6.15 Presiones medidas entre el 9 y el 12 de agosto filtradas con tolerancia 2 bar y 0,27 m3/s En las Figuras anteriores hay que tener en cuenta que también se aplica un caudal mínimo de bombeo. No obstante este filtro se aplica de la misma manera de modo que no interfiere en la evaluación de la tolerancia. A medida que se aumenta la tolerancia para el filtrado, se puede observar que el número de datos que el programa utiliza para realizar las calibraciones aumenta. Los datos que se eliminan mediante el filtrado con la criba de la tolerancia son datos que representan escenarios no predecibles mediante modelos. Es lógico que a medida que la tolerancia aumenta aumente el error cometido en la calibración. 82 En este caso no se aprecia una gran mejora en el número de valores que difieren en 3 y 4 mca. De este estudio podemos deducir que a medida que disminuye la tolerancia se produce un error menor en las calibraciones. También se puede afirmar que los tres valores tomados ofrecen filtrados distintos. A medida que se realicen más estudios de tolerancia se decidirá cuál ellos se toma para realizar la calibración final. Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Para el estudio del filtrado aplicando la criba del caudal mínimo de bombeo se realizarán tres calibraciones también a partir de los datos de las presiones procedentes de la sonda calibrada. Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los siguientes: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. La elección de estos valores tiene su explicación en que 0,27 y 0,15 m3/s son un 20 y un 10% respectivamente del caudal máximo que se da en la cabecera de la red entre el 9 y el 12 de agosto. De nuevo son valores que se espera que ofrezcan unos filtrados variados. En cuanto al valor de 0 m3/s se toma para introducir todos los datos dentro de la calibración. Los resultados de las tres calibraciones se muestran en las Figuras 6.16, 6.17, 6.18 y 6.19. En las siguientes gráficas se encuentran representados los datos de las presiones medidas y calculadas con respecto al tiempo. Permiten realizar una primera interpretación de los resultados de las tres calibraciones: En la Figura 6.16 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0 m3/s (sondas calibradas) En la Figura 6.17 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0,15 m3/s (sondas calibradas) En la Figura 6.18 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0,27 m3/s (sondas calibradas) La Figura 6.19 es una tabla comparativa de los parámetros de evaluación pertenecientes a cada calibración anterior 83 Figura 6.16 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 1 bar y caudal mínimo de bombeo 0 m3/s Figura 6.17 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 1 bar y caudal mínimo de bombeo 0,15 m3/s 84 Figura 6.18 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 1 bar y caudal mínimo de bombeo 0,27 m3/s Figura 6.19 tabla comparativa de parámetros En este caso se ve que las funciones objetivo de los dos primeros casos son casi idénticas. Esto se debe a que los datos que el programa toma para realizar la calibración son los mismos. En cambio en el tercer caso se puede ver que la función objetivo es menor por lo que el error cometido en la calibración es menor. También hay que tener en cuenta que el programa ha tomado menos datos para realizar la comprobación. Además, se observa que las parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca son en mayor proporción en el caso 0,27 que en los casos 0 y 0,5. Por lo que será necesario discutir, en base a estas conclusiones, cuál de los tres caudales mínimos de bombeo se utiliza para realizar la calibración final. Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0 663,2 108 18,52% 11,11% si 1 0,15 663,16 108 19,44% 10,19% si 1 0,27 651,5 82 25,61% 13,41% 85 Resumen de las calibraciones realizadas a partir de los datos de presión tomados por las sondas De las calibraciones hechas con los datos de la sonda colocada en el hidrante 245 se pueden tomar las siguientes determinaciones: Los datos de las presiones procedentes de las sondas calibradas se ajustan mejor que los datos de presión procedentes de las sondas no calibradas. El caudal mínimo de bombeo óptimo para realizar las calibraciones es de 0.15 m3/s ya que el programa toma los datos justos y necesarios para la calibración. Cualquier tolerancia de las tomadas ofrece porcentaje de error parecido. 6.3.1.2 Estudio a partir de los datos procedentes del telecontrol De forma similar a la metodología seguida en el estudio de las calibraciones a partir de los datos de las sondas, se procederá con el estudio de las calibraciones a partir de los datos del telecontrol. Estudio de la calidad de las calibraciones según la tolerancia tomada para el filtrado de datos Para comprobar la bondad de las calibraciones en función de la tolerancia utilizada en el filtrado de datos, de nuevo se realizarán tres calibraciones con tolerancias diferentes sin variar el caudal mínimo de bombeo. Se tomará el caudal mínimo de bombeo de 0,27 m3/s y se utilizarán tres tolerancias distintas. Se utilizarán valores de tolerancia de 0,5, 1 y 2 bar. Los resultados de las tres calibraciones se muestran en las Figuras 6.20, 6.21, 6.22 y 6.23. En las siguientes gráficas se encuentran representados los datos de las presiones medidas y calculadas con respecto al tiempo. Permiten realizar una primera interpretación de los resultados de las tres calibraciones: En la Figura 6.20 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 0,5 bar y un caudal mínimo de 0,27 m3/s En la Figura 6.21 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0,27 m3/s En la Figura 6.22 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 2 bar y un caudal mínimo de 0,27 m3/s La Figura 6.23 es una tabla comparativa de los parámetros de evaluación pertenecientes a cada calibración anterior 86 Figura 6.20 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo de bombeo 0,27 m3/s Figura 6.21 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 1 bar y caudal mínimo de bombeo 0,27 m3/s 87 Figura 6.22 Presiones medidas y calculadas frente al tiempo para la calibración con tolerancia 1 bar y caudal mínimo de bombeo 0,27 m3/s Figura 6.23 tabla comparativa de parámetros Se realizan las siguientes interpretaciones: En las Figuras 6.20, 6.21 y 6.22 se observa que las tres calibraciones son de buena calidad. A simple vista se observa que los errores cometidos por las calibraciones son pequeños. Pero para mayor precisión se observarán los datos de función objetivo y error de 3 y 4 mca. La función objetivo aumenta a medida que aumenta la tolerancia aplicada al filtrado de datos. Esto se debe a que a medida que se aumenta la tolerancia, aumenta el número de datos que se toman para realizar la calibración. Esto implica que se utiliza un mayor número de datos que representan escenarios de difícil predicción. Los datos que difieren en 3 y 4 mca se mantienen en valores bastante bajos independientemente de la tolerancia que se haya elegido para el filtrado. Sí que se observa un ligero aumento de estos valores a medida que aumenta la tolerancia. Sin embargo se mantienen en valores muy bajos. Si se comparan estos datos con los de las calibraciones hechas a partir de los datos de presión procedentes de las sondas, se observa que las funciones objetivo son Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0,27 218,44 82 2,44% 2,44% 2 0,27 250,81 104 3,85% 1,92% 0,5 0,27 194,85 60 3,33% 3,33% 88 mucho menores, por lo que el error cometido en las calibraciones es por consiguiente mucho menor. En la Figura 6.24 se puede ver una tabla en la que se comparan las funciones objetivo de las calibraciones a partir de las sondas con las funciones objetivo de las calibraciones a partir del telecontrol. Figura 6.24 Tabla comparativa de funciones objetivo Si se comparan los datos que difieren en 3 y 4 mca, también se observa un descenso del porcentaje de dichos datos en las calibraciones realizadas a partir de las presiones tomadas por el telecontrol. En la Figura 6.25 se comparan también estos valores. Figura 6.25 Tabla comparativa de errores de 3 y 4 mca Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Para el estudio del filtrado aplicando la criba del caudal mínimo de bombeo se realizarán tres calibraciones también a partir de los datos de las presiones procedentes de la sonda calibrada. Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los siguientes: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. Los resultados de las tres calibraciones se muestran en las Figuras 6.26, 6.27, 6.28 y 6.29. En las siguientes gráficas se encuentran representados los datos de las presiones medidas y calculadas con respecto al tiempo. Permiten realizar una primera interpretación de los resultados de las tres calibraciones: En la Figura 6.26 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0 m3/s En la Figura 6.27 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0,15 m3/s En la Figura 6.28 se encuentran los datos medidos y calculados resultantes de la calibración realizada con una tolerancia de 1 bar y un caudal mínimo de 0,27 m3/s Tolerancia Caudal Mínimo FO Telecontrol FO Sondas 1 0,27 218,44 651,5 2 0,27 250,81 1028,82 0,5 0,27 194,85 423,61 Tolerancia Caudal Mínimo Error 3 mca telecontrol Error 4 mca telecontrol Error 3 mca sondas Error 4 mca sondas 1 0,27 2,44% 2,44% 25,61% 13,41% 2 0,27 3,85% 1,92% 25,00% 14,42% 0,5 0,27 3,33% 3,33% 21,67% 11,67% 95 Figura 6.35 Tabla comparativa calibraciones realizadas para el hidrante 277 en función si las sondas han sido calibradas o no Dado que las calibraciones a partir de las sondas calibradas han ofrecido mejores resultados, las siguientes calibraciones se realizarán a partir de dichos datos. Estudio de la calidad de las calibraciones según la tolerancia tomada para el filtrado de datos Para comprobar la bondad de las calibraciones en función de la tolerancia utilizada en el filtrado de datos, de nuevo se realizarán tres calibraciones con tolerancias diferentes sin variar el caudal mínimo de bombeo. Se utilizarán valores de tolerancia de 0,5, 1 y 2 bar. En las siguientes Figuras se muestran las funciones objetivo y el porcentaje de parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca de los hidrantes 256 y 277 respectivamente. Figura 6.36 Tabla comparativa calibraciones realizadas para el hidrante 256 en función de la tolerancia a partir de las sondas Figura 6.37 Tabla comparativa calibraciones realizadas para el hidrante 277 en función de la tolerancia a partir de las sondas Se repite el caso de los datos del hidrante 245 para los datos de los hidrantes 276 y 256. La tolerancia de 0,5 bar ofrece una calibración de alta calidad pero es capaz de predecir pocos escenarios con una alta fiabilidad. Por otro lado las tolerancias de 1 y 2 bar son capaces de predecir un mayor número de escenarios pero cometen un mayor Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca no 0,5 0 102 577 10,78% 4,90% no 1 0 118 650 11,86% 2,54% si 0,5 0 102 281 6,86% 2,94% si 1 0 118 309,49 5,93% 1,69% Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0,27 108 123,27 0,93% 0,93% si 2 0,27 116 134,98 0,86% 0,86% si 0,5 0,27 85 76,05 0,00% 0,00% Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0,27 94 274,42 7,45% 2,13% si 2 0,27 110 355,79 8,18% 3,64% si 0,5 0,27 79 254,42 10,13% 3,80% 96 error en proporción. De nuevo será necesario discutir cuál de estos valores de tolerancia se toman para realizar la calibración final. Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Para el estudio del filtrado aplicando la criba del caudal mínimo de bombeo se realizarán de nuevo las tres calibraciones a partir de los datos de las presiones procedentes de la sonda calibrada. Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los que se vienen utilizando: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. En las siguientes Figuras se muestran las funciones objetivo y el porcentaje de parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca de los hidrantes 256 y 277 respectivamente. Figura 6.38 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 256 en función del caudal mínimo de bombeo a partir de las sondas Figura 6.39 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 277 en función del caudal mínimo de bombeo a partir de las sondas De nuevo las funciones objetivo de los dos primeros casos son idénticas. Esto se debe a que los datos que el programa toma para realizar la calibración son los mismos. Por lo que los datos que el programa simulará para realizar la función objetivo también son los mismos. En cambio en el tercer caso se puede ver que la función objetivo es menor por lo que el error cometido en la calibración es menor. También hay que tener en cuenta que el programa ha tomado menos datos para realizar la comprobación. Además, se observa que las parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca son en mayor proporción en el caso 0,27 que en los casos 0 y 0,5. Por lo que será necesario discutir, en base a estas conclusiones, cuál de los tres caudales mínimos de bombeo se utiliza para realizar la calibración final. No obstante la calibración ha sido de alta calidad ya que tanto la función objetivo como los errores en 3 y 4 mca son bajos. Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0 133 158,26 0,75% 0,75% si 1 0,15 133 158,26 0,75% 0,75% si 1 0,27 108 123,27 0,93% 0,93% Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0 118 309,49 5,93% 1,69% si 1 0,15 118 309,49 5,93% 1,69% si 1 0,27 94 274,42 7,45% 2,13% 97 Resumen de las calibraciones realizadas a partir de los datos de presión tomados por las sondas y comparación con los resultados del hidrante 245 De las calibraciones hechas con los datos procedentes de las sondas en los hidrantes 256 y 276 se pueden tomar las siguientes determinaciones: El caudal mínimo de bombeo óptimo para realizar las calibraciones es de 0.15 m3/s ya que el programa toma los datos justos y necesarios para la calibración. Cualquier tolerancia de las tomadas ofrece porcentaje de error parecido. El error cometido en las calibraciones es muy bajo por lo que las calibraciones son de una alta calidad. Si se contrastan los resultados de entre los tres hidrantes que se han estudiado hasta ahora, se observa que el hidrante que mejores resultados ofrece es el 256, ya que todas sus funciones objetivo y número de parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca son menores. También se observa que el hidrante que peores resultados ofrece es el 245 ya que tanto las funciones objetivo como la proporción de parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca son las más altas. También se observa que en los datos de los tres hidrantes ofrecen mejores resultados cuando han sido calibradas las sondas. 6.3.2.2 Estudio a partir de los datos procedentes del telecontrol Estudio de la calidad de las calibraciones según la tolerancia tomada para el filtrado de datos Para comprobar la bondad de las calibraciones en función de la tolerancia utilizada en el filtrado de datos, de nuevo se realizarán tres calibraciones con tolerancias diferentes sin variar el caudal mínimo de bombeo. Se tomará el caudal mínimo de bombeo al azar de 0,27 m3/s y se utilizarán tres tolerancias distintas. Se utilizarán los mismos valores de tolerancia que en las calibraciones anteriores de 0,5, 1 y 2 bar. Las funciones objetivo, datos generados y datos que difieren en 3 y 4 mca se muestran en la siguiente tabla (Hidrante 256 Figura 6.40; Hidrante 276 Figura 6.41): Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0,27 409,08 108 11,11% 1,85% 2 0,27 515,68 116 14,66% 6,03% 0,5 0,27 278,64 85 8,24% 2,35% 98 Figura 6.40 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 256 en función de la tolerancia a partir del telecontrol Figura 6.41 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 277 en función de la tolerancia a partir del telecontrol De nuevo se repiten los resultados del hidrante 245. A mayor tolerancia, mayor error cometido. Se deberá deliberar cuál de las tolerancias ofrece una mejor calidad de calibración ya que las tres ofrecen calidades similares. Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Para el estudio del filtrado aplicando la criba del caudal mínimo de bombeo se realizarán tres calibraciones también a partir de los datos de las presiones procedentes de la sonda calibrada. Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los siguientes: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. Los resultados se muestran en las siguientes Figuras (Hidrante 256, Figura 6.42; Hidrante 277; Figura 6.43): Figura 6.42 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 256 en función del caudal mínimo de bombeo a partir del telecontrol Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0,27 277,73 94 4,26% 3,19% 2 0,27 579,91 110 6,36% 4,55% 0,5 0,27 227,113 72 4,17% 2,78% Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0 433,96 133 10,53% 1,50% 1 0,15 433,96 133 10,53% 1,50% 1 0,27 409,08 108 11,11% 1,85% 99 Figura 6.43 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para el hidrante 277 en función del caudal mínimo de bombeo a partir del telecontrol En este caso se ve que las funciones objetivo de los dos primeros casos son idénticas. Esto se debe a que los datos que el programa toma para realizar la calibración son los mismos. Por lo que los datos que el programa simulará para realizar la función objetivo también son los mismos. En cambio en el tercer caso se puede ver que la función objetivo es menor por lo que el error cometido en la calibración es menor. También hay que tener en cuenta que el programa ha tomado menos datos para realizar la comprobación. Además, se observa que las parejas de datos que difieren en 3 y 4 mca son en mayor proporción en el caso 0,27 que en los casos 0 y 0,5. Por lo que será necesario discutir, en base a estas conclusiones, cuál de los tres caudales mínimos de bombeo se utiliza para realizar la calibración final. No obstante la calibración ha sido de alta calidad ya que tanto la función objetivo como los errores en 3 y 4 mca son bajos. Se repiten los mismos resultados que en las calibraciones realizadas con los datos de las sondas. Resumen y comparación de las calibraciones a partir de las presiones de los hidrantes 245, 256 y 277. Dado que se han realizado las calibraciones aplicando los mismos filtros se pueden comparar los resultados con mayor facilidad. Los resultados que se han ido obteniendo son bastante similares independientemente del hidrante. Las presiones tomadas en cualquiera de los hidrantes a partir de las sondas ofrecen mejores calibraciones cuando las sondas han sido calibradas. De modo que todas las calibraciones que se realicen a partir de ahora serán a partir de los datos de las sondas cuando éstas hayan sido calibradas. Las tres tolerancias dan resultados bastante similares ya que las funciones objetivo y las parejas de datos que difieren en 3 y 4 son próximas entre sí. La tolerancia que quizá no sea la apropiada es la de 0,5 bar. Esto se debe a que se toman muy pocos datos para realizar la calibración, lo que implica que los resultados Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0 343,84 118 3,39% 3,39% 1 0,15 343,84 118 3,39% 3,39% 1 0,27 277,73 94 4,26% 3,19% 100 obtenidos no tendrán la capacidad de predecir tantos escenarios. De todos modos se seguirán realizando estudios aplicando la tolerancia de 0,5 bar. Se considera que el caudal mínimo de bombeo óptimo es el de 0,15 m3/s. 0 m3/s los mismos resultados, no obstante en el caso de las calibraciones realizadas a partir de las presiones tomadas por las sondas en el hidrante 245, el caudal mínimo de 0,15 ofrece unos resultados algo mejores. Dado que los filtros aplicados ofrecen resultados diversos y de alta calidad, los estudios de la influencia del filtrado en las calibraciones se realizarán aplicando los mismos filtros. Es lógico que las próximas calibraciones que se realicen sean a partir de los datos procedentes de los tres hidrantes al mismo tiempo. Es de esperar que si las calibraciones de la red a partir de las presiones procedentes de cada hidrante por separado dan buenos resultados, las calibraciones realizadas mediante los datos de los tres hidrantes al mismo tiempo, den buenos resultados también. 6.3.3 Estudio de la calibración de la red a partir de los hidrantes 245, 256 y 277 entre los días 9 y 12 de agosto de 2012 6.3.3.1 Estudio a partir de los datos procedentes de las sondas Estudio de la calidad de las calibraciones según la tolerancia tomada para el filtrado de datos Cuando al programa de calibración se le introducen valores de presión de varios hidrantes a la vez, el programa crea grupos en cada hora que contienen valores de presión de todos los hidrantes existentes. Por lo que si se le aplica un filtro a los datos, el programa aplica el filtro a cada presión del grupo creado y si una de las presiones del grupo no es tolerado por el filtro, automáticamente se elimina el grupo de presiones de la hora determinada. Las rugosidades que se obtienen a partir del algoritmo son obtenidas a partir de las presiones que han logrado pasar el filtrado. Se aplicarán pues las tres tolerancias para el estudio de las calibraciones: 0,5, 1, y 2 bar Los resultados se muestran en la siguiente Figura: Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0,27 180 368,01 5,56% 2,78% si 2 0,27 231 908,68 11,26% 6,49% si 0,5 0,27 60 171,55 8,33% 1,67% 101 Figura 6.44 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para los hidrantes 245,256 y 277 en función de la tolerancia a partir de las sondas Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Para el estudio del filtrado aplicando la criba del caudal mínimo de bombeo se realizarán tres calibraciones también a partir de los datos de las presiones procedentes de la sonda calibrada. Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los siguientes: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. Los resultados se muestran en la siguiente Figura: Figura 6.45 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para los hidrantes 245,256 y 277 en función del caudal mínimo de bombeo a partir de las sondas No se ha comentado el estudio de la tolerancia ya que se mantiene el patrón de las calibraciones anteriores. También se mantiene en el estudio del caudal mínimo de bombeo. Se puede observar que el número de datos generados o escogidos para las calibraciones es mayor. Este resultado es bueno ya que significa que la coordinación entre las medidas de los hidrantes es la deseada. A cada hora en la que se toman medidas corresponde una medida de presión de cada hidrante. El número de horas es el número de datos generado divido por tres. La tolerancia de 0,5 bar ofrece muy poco error pero solamente es capaz de predecir 20 escenarios distintos. Por otro lado, la calibración con tolerancia de 2 bar, es capaz de predecir muchos escenarios pero comete mucho error. Es posible que se tome como mejor tolerancia 1 bar. En cuanto al caudal mínimo de bombeo, los valores de 0 y 0,15 m3/s ofrecen mejor relación error-datos generados. Se elegirá 0,15 como mejor filtro ya que cuando se realizaban las calibraciones con las sondas por separado, éste era el mejor caudal. Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca si 1 0 216 464,04 5,56% 2,31% si 1 0,15 216 464,4 5,56% 2,31% si 1 0,27 180 368,01 5,56% 2,78% 102 6.3.3.2. Estudio a partir de los datos procedentes del telecontrol Estudio de la calidad de las calibraciones según la tolerancia tomada para el filtrado de datos Se aplicarán pues las tres tolerancias para el estudio de las calibraciones: 0,5, 1, y 2 bar Los resultados se muestran en la siguiente Figura: Figura 6.46 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para los hidrantes 245,256 y 277 en función de la tolerancia a partir del telecontrol Estudio de la calidad de las calibraciones según el caudal mínimo de bombeo tomado para el filtrado de datos Los valores del caudal mínimo de bombeo serán los siguientes: 0, 0,15 y 0,27 m3/s. Los resultados se muestran en la siguiente Figura: Figura 6.46 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para los hidrantes 245,256 y 277 en función del caudal mínimo de bombeo a partir del telecontrol No se ha comentado el estudio de la tolerancia ya que se mantiene el patrón de las calibraciones anteriores. También se mantiene en el estudio del caudal mínimo de bombeo. Se puede observar que el número de datos generados o escogidos para las calibraciones es mayor. Este resultado es bueno ya que significa que la coordinación entre las medidas de los hidrantes es la deseada. A cada hora en la que se toman medidas corresponde una medida de presión de cada hidrante. El número de horas es el número de datos generado divido por tres. Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0,27 348,5 144 5,56% 1,39% 2 0,27 800,73 231 6,93% 2,60% 0,5 0,27 134,65 60 5,00% 0,00% Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0 449,56 216 3,70% 0,93% 1 0,15 449,56 216 3,70% 0,93% 1 0,27 348,5 144 5,56% 1,39% 103 La tolerancia de 0,5 bar ofrece muy poco error pero solamente es capaz de predecir 20 escenarios distintos. Por otro lado, la calibración con tolerancia de 2 bar, es capaz de predecir muchos escenarios pero comete mucho error. Es posible que se tome como mejor tolerancia 1 bar. En cuanto al caudal mínimo de bombeo, los valores de 0 y 0,15 m3/s ofrecen mejor relación error-datos generados. Se elegirá 0,15 como mejor filtro ya que cuando se realizaban las calibraciones con las sondas por separado, éste era el mejor caudal. A continuación se estudiarán las calibraciones a partir de los datos de los cinco hidrantes de los que se tienen datos. Para simplificar las calibraciones se recurrirá a utilizar solamente los filtros que ofrecen mejores resultados. De modo que se utilizarán las tolerancias de 1 y 0,5 bar y los caudales mínimos de bombeo de 0 y 0,15 m3/s, que son los filtrados que menor error cometen. Dado que no se han realizado estudios de calibraciones realizadas con los datos de los hidrantes 286 y 296, se procederá a realizar una evaluación de si las calibraciones responden mejor ante los datos procedentes de las sondas calibradas o sin calibrar. 6.3.4 Estudio de la calibración de la red a partir de los hidrantes 245, 256, 277, 286 y 296 entre los días 9 y 12 de agosto de 2012 6.3.4.1 Estudio a partir de los datos procedentes de las sondas Como se dijo en el apartado anterior, solamente se realizarán estudios de los filtrados que mejores resultados han dado hasta ahora. Se realizarán las siguientes calibraciones:  Con las sondas sin calibrar. Tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s  Con las sondas calibradas. Tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s  Con las sondas calibradas. Tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0 m3/s  Con las sondas calibradas. Tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s  Con las sondas calibradas. Tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo 0 m3/s Los resultados se muestran en la siguiente Figura: 104 Figura 6.48 Tabla comparativa de las calibraciones realizadas para los hidrantes 245,256, 277, 286 y 296 a partir de las sondas La calibración a partir de los datos de las sondas sin calibrar comete el mismo error en proporción que en los casos en los que se estudiaban las sondas por separado. De modo que se puede determinar que las sondas necesitan calibrarse antes de realizar cualquier calibración. Los filtros aplicados provocan los mismos resultados que en las calibraciones anteriores. El caudal mínimo de 0 y 0,15 m3/s ofrece los mismos resultados entre sí, por lo que es indiferente la elección de cualquiera de esos filtros. La tolerancia de 1 bar ofrece peores resultados pero logra predecir un mayor número de escenarios. 6.3.4.2 Estudio a partir de los datos procedentes del telecontrol Como en el estudio de los datos procedentes de las sondas, se realizarán las siguientes calibraciones:  Tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s  Tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0 m3/s  Tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s  Tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo 0 m3/s Los resultados se muestran en la siguiente Figura: Calibrada Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Error 3 mca Error 4 mca no 1 0,15 195 1129 20,51% 5,64% si 0,5 0,15 40 77,11 5,00% 0,00% si 1 0 195 338,12 3,59% 2,05% si 1 0,15 195 338,08 3,59% 2,05% si 0,5 0 40 77,11 5,00% 0,00% Tolerancia Caudal Mínimo Función objetivo Datos generados Porcentaje datos erroneos 3 Porcentaje datos erroneos 4 1 0 2069,6 195 18,97% 13,33% 1 0,15 2069,6 195 18,97% 13,33% 0,5 0,15 165,86 40 15,00% 7,50% 0,5 0 165,86 40 15,00% 7,50% 111 En las dos Figuras siguientes se muestran las extrapolaciones realizadas con las calibraciones de 0,5 y 1 bar de tolerancia respectivamente, con los datos provenientes del telecontrol: Hidrante Ceff RMSE SD RMSE/SD*100 Aceptable 245 0,92568594 3,867535 14,1872671 27,26060612 Si 256 0,68975255 16,2081148 29,099022 55,69986111 Si 277 0,92984981 2,25115295 8,49944542 26,48588037 Si 286 0,94944567 7,21596779 32,0933748 22,48429104 Si 296 0,98166725 1,8353116 13,5548885 13,53985025 Si Figura 6.55 Tabla de los coeficientes Ceff y RMSE/SD·100 resultantes de extrapolación de las rugosidades resultantes de la calibración realizadas con tolerancia 0,5 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s a partir del telecontrol Hidrante Ceff RMSE SD RMSE/SD*100 Aceptable 245 0,99672631 1,02857556 17,9769948 5,721621256 Si 256 -0,15856753 38,3402755 35,6200523 107,636775 No 277 0,79994396 1,94288635 4,34381745 44,72762442 Si 286 0,84030892 13,6667082 34,1998018 39,96136658 Si 296 0,94269709 3,5537074 14,8454486 23,93802637 Si Figura 6.56 Tabla de los coeficientes Ceff y RMSE/SD·100 resultantes de extrapolación de las rugosidades resultantes de la calibración realizadas con tolerancia 1 bar y caudal mínimo 0,15 m3/s a partir de las sondas A partir de estas Figuras se puede determinar cuáles de las extrapolaciones son fiables. En general las extrapolaciones de las rugosidades calculadas tanto con tolerancias de 1 como 0,5 bar y caudal mínimo de bombeo 0,15 m3/s se considerarían buenas para los hidrantes 245, 277 y 296. Solamente para el caso de la calibración realizada con 1 bar y a partir del telecontrol, se observarían resultados fiables para todos los hidrantes 112 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El proceso que se ha llevado a cabo en la calibración de la red La Violada, sirve para la calibración de cualquier red de riego. Debe realizarse en toda red para lograr reducir al máximo la incertidumbre que se pueden originar tanto en el diseño de la red como en el proceso de toma de datos. Si se utiliza TeleGestar para controlar la red una vez calibrada este proceso es muy importante ya que para que TeleGestar calibre la red en el futuro automáticamente, tanto el diseño de la red como el proceso de toma de datos deben aproximarse al máximo a la realidad. Ambos orígenes de incertidumbre deben ser revisados en caso de que se produzca cualquier cambio en la red una vez que ésta haya sido calibrada por primera vez. En caso de que la red no se vaya a controlar mediante TeleGestar y solamente se vaya a utilizar TeleGestar para la calibración inicial, se debe repetir el proceso llevado a cabo en la red La Violada estudiando todas las variables topográficas de nuevo. El protocolo para la calibración de cualquier red mediante el uso de la herramienta informática TeleGestar no es más que una modificación de la metodología de trabajo que se ha seguido para realizar la calibración de la red La Violada. Ya se dijo en el capítulo de “Metodología del trabajo” que la elaboración del protocolo contendría una buena parte de la metodología que se iba a seguir en este proyecto. A medida que se ha ido avanzando en la calibración de la red han surgido cambios dentro de la metodología. El protocolo puede quedar así: 1. Elección de los momentos de toma de datos 2. Elección de puntos de medida 3. Proceso de toma de datos 4. Volcado, depurado y filtrado de datos 5. Proceso de calibración 6. Verificación de la calibración 7. Extrapolación de resultados Se ha creído conveniente quitar el primer paso de “Elección de la red a estudiar” ya que este proceso no está incluido en las pautas de trabajo del individuo que calibra la red. Se le asigna una red determinada al individuo para que la calibre. En toda calibración de una red de riego, los momentos de toma de datos deben ser escenarios en los que las pérdidas de carga queden definidas correctamente para poder ser parametrizadas con mayor precisión. Así pues se deben tomar períodos de tiempo con consumos regulares y elevados siempre que sea posible. De esta manera se aproximarán mejor las pérdidas de carga a la realidad. La parte de la toma de datos engloba la elección de la instrumentación así como la calibración de dicha instrumentación. Si la red se controla mediante TeleGestar, es necesario comprobar que el telecontrol está tomando medidas 113 correctamente. Esta comprobación debe realizarse tomando medidas mediante dispositivos que hayan sido calibrados por separado previamente y comparando las medidas del telecontrol con las de los dispositivos. En esta calibración es necesario calibrar las sondas por separado. Una vez que se tiene la certeza de que las sondas toman datos correctamente se ve que uno de los dispositivos del telecontrol cometía error en las medidas. En caso de que la red solamente se vaya a calibrar pero ésta no vaya a ser controlada mediante TeleGestar, la calibración puede realizarse únicamente mediante el uso de las sondas ya que no es necesario verificar que el telecontrol funcione correctamente. Durante el proceso de toma de datos se ha visto que el uso de las sondas ALMEMO es del todo fiable. La parte de tratamiento de datos, que engloba todo el proceso de volcado y filtrado, se debe realizar de acuerdo con las condiciones de trabajo. En este trabajo se ha realizado un volcado apto para que los datos pudiesen manejarse mediante hojas de Excel. En cuanto al filtrado, se han elegido caudales mínimos de bombeo y tolerancias para eliminar datos. No obstante en otras calibraciones se pueden utilizar otros filtros siempre que al final queden datos que reflejen escenarios con pérdidas de carga que puedan ser parametrizables. El proceso de calibración consiste en la aplicación del algoritmo de calibración a los datos filtrados. En este trabajo ha quedado visible que el algoritmo es bastante fiable ya que ajusta con una gran exactitud a los modelos hidráulicos. De nuevo interviene TeleGestar. Este programa sirve en este proceso de soporte y base de datos para el cálculo de las pérdidas de carga en la red a partir de un consumo en cabecera así como en el proceso de la aplicación del algoritmo de calibración. Cuando la red se encuentra bajo el control de TeleGestar, este proceso se realiza automáticamente a partir datos que llegan al servido de TeleGestar desde el telecontrol. En el paso de “Verificación de la calibración” también interviene TeleGestar. Para calcular las presiones que se dan en la red virtual, se requiere simular la red a partir de las rugosidades calculadas en el proceso de calibración. Después se debe hacer una comparación de los datos medidos con los calculados y comprobar que se comete el error mínimo entre las presiones medidas y las calculadas. En caso de que los errores fueran frecuentes, es momento de revisar el diseño de la red (cotas, diámetro de tuberías, etc.). En la calibración de la red La Violada no hubo que realizar ninguna revisión de la red ya que los errores cometidos en las calibraciones, no eran de gran magnitud. En caso de que el error cometido se considere aceptable y por lo tanto se considere que el modelo de la red ha sido construido correctamente, debe realizarse un estudio de las diferentes calibraciones que se pueden dar en función del filtrado de datos y evaluar que filtrado es capaz de predecir el mayor número de escenarios cometiendo el mínimo error. Una vez que se tienen varias calibraciones de alta calidad (con varios filtros) es momento de extrapolar los resultados a otros intervalos de tiempo. De nuevo 114 interviene TeleGestar. Los resultados obtenidos del estudio del filtrado en forma de rugosidades, deben aplicarse a la red y ésta debe ser simulada con consumos de otros intervalos de tiempo diferentes de los utilizados para la calibración de la red. De esta manera se puede comprobar si las rugosidades calculadas reflejan las pérdidas de carga en cualquier momento que se apliquen. Los resultados deben ser evaluados mediante procedimientos estadísticos los cuales determinen si los resultados son aceptables o no. Dada la gran importancia que supone la calibración de la red, se puede concluir en que TeleGestar ofrece un gran servicio en la disciplina de calibración ya que es capaz de calibrar la red en función de los datos que recibe del telecontrol periódicamente, lo cual permite el continuo control de la red. Además TeleGestar ofrece la posibilidad de calibrar la red manualmente ya que las herramientas de las que dispone, permiten simular la red de forma manual de la misma forma que se ha llevado a cabo en la calibración de la red La Violada. Se considera por tanto que tanto el proceso de calibración mediante TeleGestar como el propio funcionamiento de TeleGestar se encuentran dispuestos para futuras calibraciones. 115 BIBLIOGRAFÍA Gupta H.V., “Sorooshian S., Yapo P.O. Status of Automatic Calibration for Hydrologic Models: Comparison with Multilevel Expert Calibration” (1999) Ritter A., Muñoz-Carpena R., Regalado C.M., “Capacidad de Predicción de Modelos Aplicados a la ZNS: Herramienta Informática para la Adecuada Evaluación de la Bondad de Ajuste con Significación Estadística” Savic D.A., Kapelan Z.S., Joknergouw “Quo vadis water distribution model calibration?” (2006) Saldarriaga J., Jurado C. M. “Metodología de Calibración de Redes de Distribución de Agua Potable” (2008) Bogotá Saldarriaga J.G., Salas D.E. “Calibración de Redes de Distribución de Agua Potable bajo un Ambiente de Fugas” (2008) Bogotá Takahashi S., Saldarriaga J., Vega C., “Calibración de Redes de Distribución con Métodos de Inteligencia Artificial” (2008) Bogotá Walski T.M. “Techique for Calibrating Network Models” (1984) 116