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MEMORIA AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis INDICE CAP 1 INTRODUCCION 1 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO……………………………………………………………………… 2 1.2 ANTECEDENTES…………………………………………………….……………….………….……. 3 1.3 SOLUCION PROPUESTA…………………………………..…………………….……………….. 5 CAP 2 DESCRIPCION INFRAESTRUCTURA HIDRAULICA 9 2.1. ALMENARAS DE REGULACION ……………………………………..………………………. 10 2.2. COMPUERTAS……………………………………………………..……….………………………….. 11 2.3. ALIVIADEROS INTERNOS……………………………………….….………………..………….. 13 2.4. ARQUETAS DE MEDIDA PARA SENSORES…………..……………………………….. 14 2.5. TOMA…………………………………………………………….…..……………………………………… 15 CAP 3 DESCRIPCION INFRAESTRUCTURA ELECTRICA 17 3.1. ESTACIONES DE CONTROL………………………………………………..……………..……. 17 3.1.1. CENTRO DE CONTROL…………………………………………………………………………….. 17 3.1.2. ESTACIONES REMOTAS………………………………………………………………………….. 20 3.2 DISPOSITIVOS ELECTRO-MECANICOS……………………………………………..……. 23 3.2.1. PLC……………………………………………………………………………………………………………. 23 3.2.2. ACTUADORES……………………….…………………………….…..……………..……………….. 30 3.2.3. S.A.I.…………………………………….…………………………………………………………..……….. 35 3.2.4. TERMINAL DE VISUALIZACION PARA MANTENIMIENTO…..………..……….. 36 3.3. INSTRUMENTACION………………………………………..….…………………………………… 37 3.3.1. SENSOR DE NIVEL CERAMICO-CAPACITIVO………………….……………………… 38 3.3.2. SENSOR DE NIVEL POR ULTRASONIDOS………………………………...…………… 39 3.3.3. CAUDALIMETRO EN TOMA……………….……………..……………………………………… 40 3.3.3.1 SENSOR SITRANS F M MAG 5100 W, DN 600………………………………………. 41 3.3.3.2 TRANSMISOR SITRANS F M MAG 6000………………………………………………… 42 3.4. EQUIPOS DE COMUNICACIONES……………………………………………………….…… 46 3.4.1. MODULOS DE TELECONTROL TIM………………………………….……………………… 46 3.4.2. EQUIPOS INALAMBRICOS WIMAX………..………………………………………………… 48 3.4.3. MODEM GSM/GPRS………………………………………..………………………………………. 49 CAP 4 REGULACION DEL SISTEMA 51 4.1 SIMULACION DEL SISTEMA MEDIANTE HEC-RAS……………………………….. 53 4.2 CALCULO DE LOS PARAMETROS DEL SISTEMA………………………….………. 58 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 4.3 CONTROL DEL SISTEMA MEDIANTE REGULADOR……………………………….. 67 4.3.1 CONTROL MEDIANTE LAMBDA-TUNING……………………………………………….. 75 4.3.2 OTROS CONTROLES ALTERNATIVOS…………................................................. 83 4.3.3 AJUSTE FINAL DE LOS PARÁMETROS DEL REGULADOR........................ 87 CAP 5 SISTEMA DE COMUNICACIONES 91 5.1. RED INALAMBRICA DE COMUNICACIONES WIMAX……….……………………… 93 5.1.1 ESTUDIO DE VIABILIDAD DE LOS RADIOENLACES………………….…………… 96 5.2. TELECONTROL………………………………………..…………………………….…………………. 103 5.2.1. SISTEMA DE TELECONTROL SINAUT ST7………………………………….…….…… 104 5.2.2. COMUNICACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES PUNTOS DE CONTROL……. 112 CAP 6 DESCRIPCION FUNCIONAL DE PROGRAMACION 115 6.1. DIRECTRICES DE PROGRAMACION………………………………………….…………….. 116 6.2. PROGRAMACIÓN DE ESTACIÓN REMOTA ALMENARA .……….…..…….…… 122 6.2.1. OB1, BLOQUE PRINCIPAL……………………………………………………………………….. 122 6.2.2. FC10, COMPROBACIÓN DE FALLOS, EMERGENCIAS E INTRUSISMO…. 124 6.2.3. FC20, COMPROBACIÓN DE SEÑALES……………………………………………..…….. 131 6.2.4. FC30, LECTURA DE NIVELES ………………………………………………………………… 143 6.2.5. FC40 COMUNICACIONES……………………………………………………….………………… 146 6.2.6. FC50, REGULADOR. ………………………………………..…........................................... 152 6.2.7. FC60, RUTINA DE ACTUACIÓN……………………………………………………………….. 160 6.2.8. FC70 ENVIOS SMS………………..……………………………………………………………….... 164 6.2.9. LISTADO DE SEÑALES………………………………………………….………………………… 167 6.3. PROGRAMACIÓN DE ESTACIÓN REMOTA TOMA………….…..…….……….…… 171 6.3.1. OB1, BLOQUE PRINCIPAL……………………………………………………………………….. 171 6.3.2. FC10, COMPROBACIÓN DE FALLOS, EMERGENCIAS E INTRUSISMO…. 173 6.3.3. FC20, COMPROBACIÓN DE SEÑALES………………………………………………..….. 179 6.3.4. FC40 COMUNICACIONES………………………………………………………………….……… 185 6.3.5. FC50, REGULADOR. ………………………………………..…........................................... 190 6.3.6. FC60, RUTINA DE ACTUACIÓN……………………………………………………………….. 193 6.3.7. FC70 ENVIOS SMS………………..……………………………………………………………….... 196 6.3.8. LISTADO DE SEÑALES………………………………………………………………….………… 199 CAP 7 CONCLUSIONES 203 BIBLIOGRAFIA 205 ANEXO A DOCUMENTACION ANEXO B PLANOS ELECTRICOS ANEXO C SIMULACIONES AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 1 CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN Con el desarrollo de los capítulos que se expondrán a lo largo de la memoria se pretende abordar de forma integral el proceso de automatización, control y gestión de una infraestructura hidráulica tipo: el tramo de un canal de distribución de agua, planteando las correspondientes soluciones, debidamente explicadas y justificadas, desde el punto de vista de la infraestructura, la regulación del nivel en el tramo y el sistema de comunicaciones. La memoria queda dividida en 6 capítulos, que pasamos a describir brevemente a continuación. - Un primer capítulo donde se realiza una pequeña introducción y se indican los objetivos. - Un segundo capítulo donde se describe la infraestructura hidráulica que se pretende automatizar, así como los diferentes puntos de control, desde el punto de vista hidráulico. - Un tercer capítulo donde se realiza una descripción de los diferentes dispositivos, atendiendo a su naturaleza electro-mecánica, que se necesitan para gestionar, controlar y automatizar la infraestructura hidráulica, además de justificar la elección de cada uno de estos dispositivos. - Un cuarto capítulo donde se desarrolla el sistema de regulación que hace posible el control automático del proceso. - Un quinto capítulo donde se desarrolla un completo sistema de comunicaciones que hace posible la interacción entre los diferentes puntos de control de la infraestructura hidráulica. - Un sexto capítulo donde se expone la programación que hace posible una correcta gestión de la infraestructura hidráulica, llevaba acabo por parte de los PLCs. - Y por último, un séptimo capítulo dedicado a exponer las conclusiones extraídas de la realización de este proyecto. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 2 1.1.- OBJETIVO DEL PROYECTO El objetivo principal del presente proyecto, es automatizar y controlar una infraestructura hidráulica, en este caso el tramo de un canal de distribución de agua. El tramo estará delimitado por dos almenaras, una aguas arriba y otra aguas abajo. El tramo dispondrá de una toma de derivación. Con la automatización se pretende: - Hacer más eficaz los dos usos fundamentales del canal; el riego y el abastecimiento de agua. - Eliminar vertidos y por lo tanto hacer más eficiente el sistema de conducción. - Mantener un caudal constante de agua y limitar la velocidad de oscilación de la misma para alargar la vida del revestimiento. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 3 1.2.- ANTECEDENTES La escasez de lluvias y la irregular distribución de agua determinan la importancia que siempre ha tenido, desde la antigüedad, la captación y distribución de agua para el abastecimiento y el riego. Estos problemas se han intentado solucionar desde siempre a través de infraestructuras hidráulicas que se encargan de captar y transportar el agua para una mejor y más eficiente distribución del agua. La infraestructura hidráulica por excelencia, que se encarga de transportar los recursos hídricos para abastecimiento y regadío, es el canal de riego y distribución. El conocimiento empírico del funcionamiento de los canales se remonta a varios milenios. En la antigua Mesopotamia ya se usaban canales de riego, en la Roma Imperial se abastecían de agua a través de canales construidos sobre inmensos acueductos, y los habitantes del antiguo Perú construyeron en algunos lugares de los Andes canales que aun funcionan. El conocimiento y estudio sistemático de los canales se remonta al siglo XVIII. En España, por poner un ejemplo, el número de canales de riego y distribución de agua es elevadísimo. A continuación pasamos a enumerar algunos: Canal del Bajo Guadalquivir, Canal de Bardenas, Canal de la Derecha del Ebro, Canal de Castilla, Canal del Duero, Canal del Henares, Canal Imperial de Aragón, Canal de Piñana, Canal Segarra-Garrigues, Canal de Tauste, Canal de Urgel, Canal de Villoria. Debido a su elevado número, queda constancia de la importancia que tienen estas infraestructuras hidráulicas en el tejido fluvial. Por ello es de vital importancia, que las pérdidas de los recursos hídricos que transportan, así como la cantidad de energía empleada por sus instalaciones sean mínimas. Los sistemas de regulación y control de caudal empleados en estas infraestructuras de conducción siempre se operaban de forma manual. A través de tajaderas, guillotinas o compuertas verticales, las cuales se accionaban manualmente en función de la demanda de agua solicitada. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 10 En líneas generales, la infraestructura hidráulica proyectada aquí, responde al esquema en que el trazado del canal queda unido por tramos de conducción con un funcionamiento en lamina libre, que llevaran intercalados a lo largo de su desarrollo almenaras de regulación de doble compuerta dotadas de aliviaderos (by-Pass) espaciadas del orden de 10 Kms, que controlaran niveles localizados en el canal y que a su vez serán supervisadas y monitorizadas de forma centralizada por el Centro de Control. Todo lo dicho anteriormente se puede ver en la figura 2-01. 2.1.ALMENARAS DE REGULACIÓN Se denomina almenara, a la obra singular en el canal que permite la colocación de compuertas móviles que sirvan de elementos de regulación de los caudales circulantes, incluyendo todas las obras complementarias para tal fin, como pueden ser vertederos internos (by-pass), arquetas de medida y caseta de control. En las siguientes figuras 2.1-01, 2.3-01 y 2.4-02 se pueden ver los elementos enumerados anteriormente. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 11 2.2 COMPUERTAS Cada almenara dispone de dos compuertas en paralelo, dotadas de accionamientos independientes, que impiden que se produzca de forma fortuita el corte del canal por avería de alguna compuerta. Las compuertas se accionarán mediante actuadores. La forma de la compuerta es de sector circular tipo Taintor, ver figuras 2.2-01 y 2.2-02. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 12 Las compuertas constan de tres partes diferenciadas. - Tablero. Es la parte móvil de la compuerta. Cierra el paso del fluido al bajar y lo deja pasar al subir. - Marco / Guía. Está anclado en el hormigón. Su utilidad es permitir que el tablero se deslice y se asiente en él para conseguir la estanqueidad. - Accionamiento. Es el mecanismo que asegura la maniobrabilidad del tablero. La principal ventaja de las compuertas de sector circular tipo Taintor frente a otro tipo de compuertas, como pueden ser las verticales, ver figura 2.2-03, es que la fuerza necesaria para maniobrarlas es relativamente inferior, con el consiguiente ahorro de energía. También es conveniente resaltar las siguientes características de las compuertas tipo Taintor: - Un buen funcionamiento hidráulico, debido a su pequeño coeficiente de contracción. - Accionamiento simple y preciso, son movidas mediante energía eléctrica respondiendo a las consignas emitidas rápida y fiablemente. - La disposición de juntas laterales y juntas inferiores permite conseguir una estanqueidad total. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 13 2.3 ALIVIADEROS INTERNOS (BY-PASS) Al ser la almenara de compuertas un elemento que puede provocar un corte en el flujo del caudal circulante, se han dotado de vertederos internos que en caso de producirse una maniobra errónea eviten el desbordamiento del canal. La elección de los vertederos internos en lugar de la colocación de aliviaderos de emergencia evita la pérdida de agua hacia el exterior del canal, ya que el objetivo buscado por la regulación es conseguir el máximo ahorro de los recursos hidráulicos disponibles. Los vertederos internos permiten el paso del caudal por encima de ellos sin llegar a desbordar el canal. En caso de fallo del suministro eléctrico, las compuertas bajan hasta cerrarse, y el caudal que viene lanzado por el canal pasará por el vertedero y por encima de las compuertas que también pueden funcionar como vertederos. De esta forma se consigue que no se vierta al exterior caudal. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 14 2.4 ARQUETAS DE MEDIDA PARA SENSORES Los sensores de nivel irán montados en arquetas de medida, ver figura 2.4-01 y 2.4-02. Dichas arquetas estarán conectadas con el canal mediante una tubería a una cota muy cercana a la base del canal. Con esta solución es prácticamente imposible que se produzcan espumas o flotantes que afecten a la medida tomada por los sensores. En la figura 2.4-02, se muestran la ubicación de las arquetas de medida, tanto aguas arriba como aguas debajo de la almenara de control. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 15 2.5 TOMA Mediante las tomas, se extrae caudal de forma controlada del flujo principal del canal para diversos usos, como regadío y abastecimiento. Se solicita un volumen de agua determinado, y mediante los controles necesarios, se extrae ese caudal del flujo principal del canal. Para controlar que el caudal extraído sea el correcto se realizan medidas a través de caudalímetros y se regula la extracción a través de válvulas controladas automáticamente. En la figura 2.5-01 podemos ver un dibujo en sección del punto de control de toma, situado entre las 2 almenaras de control. En el dibujo se muestran todos los elementos que gestionan la estación remota de toma. En el punto de control de toma, se ha optado por una válvula tipo mariposa con accionamiento automático mediante actuador. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 16 Las ventajas de este tipo de válvulas frente a otras, como por ejemplo, las válvulas de tipo compuerta, bola o globo son las siguientes: - Su peso es reducido. Ver figura 2.5-02. - Su montaje y desmontaje se realiza con rapidez, debido a sus pequeñas dimensiones. - Poseen una baja pérdida de carga. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 17 CAPITULO 3.- DESCRIPCION INFRAESTRUCTURA ELECTRICA. Todos los procesos automáticos llevados a cabo en la infraestructura hidráulica se realizan mediante dispositivos electro-mecánicos. A través de la automatización de la infraestructura, se suprimen total o parcialmente las tareas manuales realizadas por los operarios de mantenimiento. Este es el objetivo final de la implantación de estos sistemas en la infraestructura hidráulica, además de realizar un correcto, eficaz y fiable control del sistema. A continuación pasaremos a describir el equipamiento necesario en los distintos puntos de control, para después, describir más detalladamente todos los dispositivos electromecánicos necesarios para llevar a cabo los procesos automáticos que hacen posible la regulación, el control y la gestión de la infraestructura. 3.1.- ESTACIONES DE CONTROL 3.1.1- CENTRO DE CONTROL Es la estación principal y el encargado de recibir, almacenar y visualizar los datos de la infraestructura hidráulica, además de enviar consignas y parámetros, a través de la red inalámbrica de comunicaciones a las estaciones remotas. También, a través de monitores y un software SCADA, se encargará de supervisar el desarrollo de los procesos llevados a cabo en la infraestructura. Como ya hemos señalado anteriormente, el desarrollo del Centro de Control en su totalidad no forma parte del cometido del proyecto, sin embargo, es necesario explicar sus partes principales y los equipos que lo conforman. ● Equipamiento del Centro de Control. Dispondrá de: - 1 PC INDUSTRIAL, SIMATIC PCS 7 BOX (SIEMENS), que incluirá: - SIMATIC Box PC 627, 24 V DC, with CPU WinAC Slot 416 V4.0 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 18 Este PC tendrá instalado el siguiente Software: - STEP 7 V5.4 SP4 (Para configurar y programar los distintos controladores SIMATIC) - SIMATIC WinCC V6.2 SP2 (Para visualizar y controlar los distintos procesos de la instalación) - SINAUT ST7cc V2.7 (Software de supervisión en PC. Esta basado en SIMATIC WinCC y adaptado especialmente a la transmisión de datos, controlada por eventos y con etiqueta de fecha/hora, del sistema SINAUT.) - SINAUT ST7 Software package 2007 (Para configurar, diagnosticar y operar el sistema SINAUT. Para ejecutarlo se necesita una versión instalada en el equipo del software STEP 7 V5.4 SP4) - SIMATIC NET PC Software Edition 2006 (Software para establecer las conexiones de red) El software anterior permitirá dotar al PC central con características de servidor, donde estará alojado el software SCADA y donde se podrá visualizar el estado de los distintos puntos de control. Con respecto a la infraestructura de comunicaciones, dispondrá de: - 1 estación Base WIMAX, compuesta por 3 enlaces (Punto a Punto) modelo BreezenetNET B100 (ALVARION), mediante la que se establecerá la red inalámbrica de comunicaciones. -1 Módulo de TELECONTROL TIM 4R-IE (SIEMENS), para gestionar eficientemente la comunicación con las distintas estaciones remotas y separar los datos de comunicaciones del resto de datos que circulan por la Red Ethernet. - 1 Modem GSM/GPRS, Modelo MD720-3 (Siemens) para enviar SMS. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 19 Como aclaración, decir que se ha optado por enlaces Punto a Punto, por ser mas fiables que un enlace multipunto. Si la estación Base se avería, se pierden todas las conexiones, en cambio si todos los enlaces son punto a punto hacemos el sistema más robusto. A parte, con los enlaces Punto a Punto se garantiza un ancho de banda fijo para cada enlace, lo que hace al sistema mucho más fiable. SOFTWARE SIEMENS ORIENTADO AL SCADA Aunque no es el cometido del proyecto ni desarrollar ni implementar el software SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), sí que vamos a describir el software necesario en caso de utilizar una plataforma de supervisión, control y adquisición de Datos Siemens. Existen dos software de supervisión y control en PC para la plataforma Siemens (SINAUT ST7cc y ST7sc). - SINAUT ST7cc Es un sistema de supervisión, basado en SIMATIC WinCC, para SINAUT ST7. Está adaptado especialmente a la transmisión de datos, controlada por eventos y con etiqueta de fecha/hora, del sistema SINAUT. SINAUT ST7cc actúa tiene la capacidad de actuar como estación central de telecontrol o centro de control. - SINAUT ST7sc El software SCADA Connect SINAUT ST7sc permite conectar estaciones remotas SINAUT ST7 a sistemas de supervisión que pueden funcionar como cliente OPC. OPC (OLE for Process Control) es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos. Este estándar permite que diferentes fuentes envíen datos a un mismo servidor OPC, al que a su vez podrán conectarse para consultarlos diferentes programas compatibles con dicho estándar. De este modo se elimina la necesidad de que todos los programas cuenten con drivers para dialogar con múltiples fuentes de datos, basta que tengan un driver OPC. Mediante SINAUT ST7sc otros fabricantes de sistemas de supervisión tienen la posibilidad de conectarse a SINAUT sin tener que integrar una interfaz SINAUT. La comunicación se realiza por OPC, SINAUT ST7sc crea como servidor OPC la interfaz entre el sistema SINAUT y el sistema de supervisión, que se conecta como cliente OPC. Al tratarse de un Centro de control relativamente complejo se ha optado por configurar el Centro de control con SINAUT ST7cc integrado en PC y basado en WinCC, descartando la configuración con SINAUT ST7sc, ya que no es necesario interactuar con otros fabricantes. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 26 ● CPU 315-2 PN/DP, SIEMENS. S7-300 ofrece una gran variedad de CPUs, compactas, estándar, tecnológicas, etc. Las CPU compactas disponen de la capacidad de procesamiento necesaria pero en su contra no disponen de los puertos de comunicaciones requeridos. En cuanto a la gama de CPU tecnológicas disponen de unas funcionalidades adicionales que no son necesarias en este proyecto, como control de movimiento, control de maquinas en serie, conexión de variadores, etc. La gama estándar ofrece las CPUs más adecuadas al proyecto. CPUs como la 315-2PN/DP son idóneas para la automatización del proceso. Además dispone de los puertos adecuados para realizar las comunicaciones de forma sencilla y eficaz a través de un único módulo TIM. Se ha tenido en cuenta en la elección de esta CPU la disponibilidad de puertos libres para posteriores ampliaciones o modificaciones de la aplicación. Si a esto se suma su reducido coste en comparación con las otras CPUs y además la alta compatibilidad con los diferentes equipos del proyecto obtenemos la CPU idónea. DATOS TÉCNICOS • CPU con memoria de programa y capacidad funcional de nivel medio • Áreas de datos y su remanencia • Gran capacidad de procesamiento con aritmética binaria y en coma flotante • Marcas 2048 bytes • Interfaz PROFINET integrada • Para el funcionamiento de la CPU se requiere una Micro Memory Card. • Interfaz combinada MPI/maestro-esclavo PROFIBUS DP • Áreas de direccionamiento (entradas y salidas) • Tiempos de ejecución para • Canales digitales -- Operaciones de bits 0,1 μs -- Entradas máx. 16384 -- Operaciones de palabras 0,2 μs -- Salidas máx. 16384 -- Aritmética en coma fija 2 μs -- Entradas, de ellas centralizadas máx. 1024 -- Aritmética en coma flotante 3 μs -- Salidas, de ellas centralizadas máx. 1024 • Canales analógicos • Temporizadores S7 256 -- Entradas máx. 1024 -- Salidas máx. 1024 -- Entradas, de ellas centralizadas máx. 256 -- Salidas, de ellas centralizadas máx. 256 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 27 ● Entradas Digitales (SM 321 DI32 DIGITAL INPUT) Los módulos de entradas digitales son estándar en la gama S7-300. La principal diferencia entre módulos es el número de entradas disponibles. El módulo de entradas digitales SM 321; DI 32 x DC 24 V se distingue por las propiedades siguientes: - 32 entradas, con separación galvánica en grupos de 16 - Tensión nominal de entrada 24 V DC - Conector frontal de 40 pines. - Longitud máxima de cable apantallado 1000m. - Aislamiento ensayado de 500V DC - Consumo típico de 6,5W - Tensión de entrada para “1” desde 13 a 30V, para “0” de -30 a 5V - Corriente de entrada 7mA, 24V - Retardo de señal de 1,2 a 4,8ms. - Indicación de estado mediante led. Las condiciones ambientales oscilan entre 0 a + 55° C para la temperatura de operación y entre -20 a 75° C para la temperatura de almacenamiento, admitiendo un humedad entre 10 y 90 % (sin condensación). En la elección de este módulo se ha establecido un 20% de entradas libres en previsión de ampliaciones o modificaciones no proyectadas. ● Salidas Digitales (SM 322 DO16 DIGITAL OUTPUT) Los módulos de salidas digitales son estándar en la gama S7-300. La principal diferencia entre módulos es el número de salidas disponibles. El módulo de salidas digitales SM 322; D0 16 x DC 24V/0,5 A se distingue por las propiedades siguientes: - 16 salidas con separación galvánica en grupos de 8. - Intensidad de salida 0,5 A. - Tensión nominal de carga 24V DC. - Conector frontal de 20 pines. - Longitud máxima de cable apantallado 1000m. - Aislamiento ensayado de 500V DC - Consumo típico de 4,9W - Corriente de salida para “1” desde 5mA a 0,6A, para “0” 0,5mA. - Retardo de señal máx. 0,5ms. - Indicación de estado mediante led. - Rango de resistencia de carga de 48ohm a 4Kohm. Las condiciones ambientales oscilan entre 0 a + 55° C para la temperatura de operación y entre -20 a 75° C para la temperatura de almacenamiento, admitiendo un humedad entre 10 y 90 % (sin condensación). En la elección de este módulo se ha establecido un 20% de salidas libres en previsión de ampliaciones o modificaciones no proyectadas. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 28 ● Entradas Analógicas (SM 331 AI8 ANALOGIC INPUT) Los módulos de entradas analógicas se distinguen por el número y el tipo de entradas o sensores que se pueden conectar. La resolución es diferente según el módulo así como los rangos de medida. El módulo elegido es el más adecuado a las necesidades del proyecto. El módulo de entradas analógicas SM 331; AI 8 x 13 bit se distingue por las propiedades siguientes: - 8 entradas. - Resolución del valor medido 12 bits + signo. - Tipo de medición seleccionable: Tensión, 1-5V, 0-10V ±0,6% Intensidad, 0-20mA, 4-20mA ±0,5% Resistencia, 0-600ohm, 0-6Kohm ±0,5% Termoresistencia, Pt100, Ni100. - Con separación galvánica respecto del bus posterior. - Longitud máxima de cable apantallado 200m. - Aislamiento ensayado de 500V DC - Consumo típico de 0,4W - Supresión de tensiones perturbadoras >86dB. - Principio de medición por integración, tiempo de conversión básico 66ms. Las condiciones ambientales oscilan entre 0 a + 55° C para la temperatura de operación y entre -20 a 75° C para la temperatura de almacenamiento, admitiendo un humedad entre 10 y 90 % (sin condensación). En la elección de este módulo se ha establecido un 20% de entradas libres en previsión de ampliaciones o modificaciones no proyectadas. ● Salidas Analógicas (SM 332 AO4 ANALOGIC OUTPUT) Los módulos de salidas analógicas se distinguen por el número y el tipo de salidas disponibles. Están diseñadas para su conexión a actuadores analógicos. El módulo elegido es el más adecuado a las necesidades del proyecto. El módulo de salidas analógicas SM 332; AO 4 x 12 bit se distingue por las propiedades siguientes: - 4 canales de salida. - Resolución 12 bits. - Tipo de medición seleccionable: Tensión, 0-10V 12bit, ±10V 11bit + signo. Intensidad, 0-20mA 12 bit, 4-20mA 11bit + signo. - Con separación galvánica respecto del bus posterior. - Longitud máxima de cable apantallado 200m. - Aislamiento ensayado de 500V DC - Consumo típico de 3W - Tiempo de conversión básico 0,8ms por canal. Las condiciones ambientales oscilan entre 0 a + 55° C para la temperatura de operación y entre -20 a 75° C para la temperatura de AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 29 almacenamiento, admitiendo un humedad entre 10 y 90 % (sin condensación). En la elección de este módulo se ha establecido un 20% de salidas libres en previsión de ampliaciones o modificaciones no proyectadas. ● Instalación. Todo lo referente a la instalación, montaje y puesta en marcha del PLC se encuentra en el documento “S7300_cpu_31x_Configuracion” , ver Anexo A. El conexionado y cableado con los diferentes equipos, así como la ubicación del mismo en el armario eléctrico, puede verse en el Anexo B, Planos. ● Mantenimiento. En cuanto al mantenimiento del PLC toda la información necesaria se encuentra en el documento “S7300_cpu_31x_Configuracion” , ver Anexo A. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 30 3.2.2.- ACTUADORES Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una compuerta. En nuestro caso, el actuador convertirá la señal de mando del PLC, entregada por la salida analógica (4-20mA), en el accionamiento de las compuertas a través de su motor eléctrico, su reducción mecánica y el movimiento de las sirgas acopladas. El actuador ROTORK IQ 25/96 3010-000, dispone de todo lo necesario para la operación eléctrica local y remota de la compuerta. Incluye el motor eléctrico, los engranajes, el arrancador, los controles locales, los dispositivos para el control del par y la posición, así como la lógica de control. Todo ello dentro de una carcasa hermética con doble sellado. Todas estas características lo hacen idóneo para la aplicación en el proyecto frente a otros actuadores de control no integrado. ● Principio de funcionamiento. El actuador está compuesto por varios módulos. El módulo principal es el Controlador que se encarga de accionar el motor en función del modo de funcionamiento y las entradas que recibe el actuador. El controlador acciona el motor a través del módulo Variador (motor switching module) que permite controlar la velocidad rotacional. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 31 El módulo de Control permite establecer el modo de funcionamiento y las señales de mando. Si el selector Remoto-Local, ubicado en la carcasa del actuador, está posicionado en remoto el actuador obedecerá según las señales de entrada activadas desde el PLC. Si por el contrario se sitúa en local será el selector Abrir-Cerrar, ubicado en la carcasa, el que dará la orden al controlador. En forma remota también existe la posibilidad de dar orden al controlador mediante la entrada analógica Folomatic. Esta entrada da una consigna de posición. El actuador también dispone de unos sensores internos para determinar la posición del eje del motor y el par ejercido. El control de posición se realiza internamente mediante el bucle formado por los sensores, el controlador, el variador y la entrada analógica. Para conocer el estado del actuador se dispone del módulo Monitorización. A través de este módulo obtenemos información sobre la posición, par, estados, etc. La información puede verse en la pantalla LCD del propio actuador y también puede obtenerse mediante señales de salida que pueden ser conectadas, por ejemplo, al PLC. Los ajustes del par y la posición así como la configuración de los contactos de indicación se efectúan con un mando de infrarrojos no intrusivo que se comunica mediante el módulo IrDA. El actuador también dispone de un módulo opcional para la comunicación mediante buses de campo Profibus, Modbus, Pakscan, etc. Algunas características del actuador Rotork IQ son: - Puesta en marcha simplificada - Doble sellado de la carcasa IP68 - Medida de la posición - Medida del par - Pantalla LCD - Control condicional - Protección contra la pérdida de fase - Protección por termostatos - Protección contra inversión instantánea - Operación manual - Ajuste por infrarrojos - Controles locales - Control de posición ● Características generales. SUMINISTRO ELECTRICO Los actuadores IQ están disponibles con los suministros trifásicos estándar de 50 Hz. ó 60 Hz. Desde 200 a 690 Voltios. La tolerancia es del 10% del valor nominal. Los actuadores estándar pueden operar alimentados por UPS, sistemas de alimentación ininterrumpida, siempre que se mantengan las tolerancias citadas arriba AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 32 PROTECCIONES El sistema de control del IQ incorpora las siguientes protecciones para el actuador, la compuerta y el control: - Protección contra compuerta obstruida (par excedido) - Syncrophase, protección contra pérdida de fase. - Termostato de protección del motor. - Protección del circuito de control del actuador. - Protección contra inversión instantánea de marcha - Protección contra fallo de la señal de control (configurable). CONFIGURACIÓN DEL DISPOSITIVO La configuración completa del actuador se puede realizar a través de la interfaz de infrarrojos sin necesidad de quitar la tapa. La configuración se puede efectuar con o sin alimentación eléctrica en cuyo caso se utiliza la batería del actuador. ● Modos de funcionamiento. El actuador dispone de dos modos de funcionamiento, local y remoto. El funcionamiento local se realiza con los mandos situados en el actuador o a través del mando de infrarrojos. El funcionamiento remoto se realiza mediante las entradas digitales y analógicas del actuador. CONTROL LOCAL Hay dos mandos no intrusivos en la carcasa del actuador, uno para la selección del control Remoto/Local/Stop que puede fijarse en cualquiera de las tres posiciones con un candado y el otro para las ordenes de abrir y cerrar. Los mandos pueden girarse para orientarlos según la posición de montaje del actuador. El control local puede configurarse para que se ejecute con el mando de infrarrojos que dispone de botones específicos para abrir, cerrar y parar y funciona a una distancia nominal de 0.75 m de la pantalla. CONTROL REMOTO Para realizar el control remoto existen 6 entradas digitales: - Abrir. Cuando el actuador recibe esta señal ordena abrir a la compuerta. - Cerrar. Cuando el actuador recibe esta señal ordena cerrar a la compuerta. - Stop (mantenido). Con esta señal el actuador detiene el movimiento de la compuerta. - Emergencia o ESD (Emergency Shut Down). Es la señal que indica al actuador un estado de emergencia. Puede configurarse el actuador para que en caso de activación de esta señal abra, cierre o mantenga la posición de la compuerta. La orden de ESD debe derivarse de un contacto mantenido. La orden de ESD es prioritaria sobre las otras órdenes remotas o locales. Puede configurarse para que también sea prioritaria sobre el Stop Local, los enclavamientos y el Temporizador cuando esté instalado. La entrada de ESD opera con un común independiente de las otras órdenes lo que permite una separación galvánica entre el sistema de control de emergencia y el operativo. - Enclavamiento de apertura. Esta señal en combinación con Abrir mantiene el movimiento de apertura aún en ausencia posterior de la señal Abrir. - Enclavamiento de cierre. Esta señal en combinación con Cerrar mantiene el movimiento de apertura aún en ausencia posterior de la señal Cerrar. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 33 Las entradas de control disponen de una interfaz de optoacopladores inmunes a puntas de hasta 2KV. El control se hace con conmutación por el positivo (negativo común) usando bien el suministro interno del actuador o una tensión externa cuyo valor esté comprendido entre 20 y 60 V CC o CA o entre 60 y 120 V sólo CA. CONTROL PROPORCIONAL ANALÓGICO El controlador proporcional Folomatic permite posicionar la compuerta proporcionalmente a una señal analógica de corriente, tensión o potenciométrica con rangos de 0-20 o 4-20 mA, 0-5, 0-10V. El actuador dispone de sensores internos de posición lo que permite realizar un control de posición interno. Mediante la entrada analógica Folomatic se consigna una posición. El posicionamiento puede realizarse sobre el recorrido total de la compuerta o sobre una parte de ésta, normalmente se configura el 100% del recorrido sin embargo pueden existir aplicaciones donde se desee controlar una parte de este recorrido únicamente. La configuración de estos parámetros se realiza mediante el mando de infrarrojos. La Folomatic puede configurarse para que en caso de pérdida de señal de control abra, cierre o mantenga la última posición de la compuerta. Utilizando las entradas de control remoto se puede anular el posicionamiento cuando se requiera llevar la compuerta a una posición extrema por control convencional, por ejemplo, cuando se quieran realizar operaciones de limpieza y mantenimiento en las compuertas o ante una situación de emergencia donde sea necesario realizar una apertura total de la compuerta. ● Indicación y monitorización. El monitorizaje del estado del actuador se realiza de dos formas simultáneas. Si se esta a pie de actuador puede averiguarse el estado de este visualizando la pantalla LCD (monitorizaje local) y mediante el mando de infrarrojos. La forma de comunicar esta información al PLC es mediante las salidas digitales y analógicas (monitorizaje remoto). LOCAL Una pantalla de cristal líquido retro-iluminada proporciona una indicación de la posición de la compuerta con una resolución del 1% y 3 LEDs de colores rojo, verde y ámbar indican si la compuerta se encuentra abierta, cerrada o en posición intermedia. La pantalla también dispone de 4 iconos de diagnóstico rápido de alarma en la compuerta, el actuador, el circuito de control o batería baja. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 34 REMOTO Hay 4 contactos libres de potencial, S1, S2, S3 y S4 que pueden configurarse independientemente con el mando de infrarrojos para señalizar una de las siguientes funciones: - Posición de la Compuerta: abierta, cerrada o intermedia (0 a 99% de apertura). - Estado: Compuerta abriendo, cerrando, en movimiento (con contacto accionado o pulsante). - Seleccionado Stop local, o Control Local o Control Remoto. - Enclavamiento activo en la apertura o en el cierre. - ESD activa. Cada contacto puede configurarse como normalmente cerrado o abierto y tienen una capacidad de corte de 5mA a 5 A 120 V CA, 30 V CC. ALARMAS El actuador es capaz de indicar las siguientes alarmas configurables en los contactos S1 a S4. - Motor parado por par en posición intermedia, en dirección de cierre o en dirección de apertura. - Par seleccionado excedido u operación manual del actuador. - Batería baja, detectado fallo interno, termostato actuado. RELÉ MONITOR Es un relé independiente con un contacto conmutable que monitoriza la disponibilidad eléctrica del actuador. La capacidad del contacto es de 5mA a 5 A, 120 V AC, 30 V CC. El relé puede configurarse para que se desenergice bajo una o una combinación de las siguientes condiciones: - Perdida de una o más fases de la alimentación eléctrica. - Perdida de tensión en el circuito de control - Seleccionado control Local - Seleccionado Stop Local - Termostato del motor actuado. OPCIONES DE INDICACIÓN, POSICIÓN Y PAR. El actuador dispone de dos salidas analógicas, una para indicar la posición (CPT) y otra para indicar el par (CTT). El CPT Current Position Transmitter (indicador analógico de posición) es un transmisor analógico de 4 – 20 mA sin contacto mecánico y con alimentación interna proporcional a la posición de la compuerta que puede configurarse para que los 4 miliamperios correspondan a la posición totalmente abierta o totalmente cerrada de la compuerta con ajuste automático del cero y el span. El CTT Current Torque Transmitter (indicador analógico remoto de par) proporciona una indicación analógica remota de 4-20 mA proporcional al par de salida del actuador. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 35 3.2.3- SAI SAI o sistema de alimentación ininterrumpida (UPS Uninterrupted Power System) es un dispositivo que gracias a sus baterías puede proporcionar energía eléctrica de forma autónoma, tras un corte del suministro eléctrico, a todos los dispositivos que tenga conectados. Otra de las funciones de los SAI es la de mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas de tensión y eliminando armónicos de la red en el caso de usar Corriente Alterna. ● Estimación de cargas. A continuación se incluye un listado de los consumos previstos tanto del cuadro de la Estación de Remota como de la instrumentación alimentada desde el mismo, y que servirá de base para el dimensionamiento del SAI. ● SAI DLP 150 (1500VA/1050W), Riello UPS Las características del SAI escogido, en función de la estimación de cargas, son las siguientes: - Potencia Nominal 1500VA -.Tensión de salida, 230V AC - Tensión filtrada, estabilizada con filtros EMI para la supresión de perturbaciones atmosféricas. - Sobrecargas elevadas (hasta de 150%). - Soporta reencendido automático al regreso de la alimentación de la red (programable). - Corrección del factor de potencia de la onda sinusoidal de entrada, asegurando un bajo impacto en la red de alimentación. - Ampliada tolerancia de la tensión de entrada (desde 110V hasta 300V) sin la intervención de la batería. - Comunicación vía RS232 - Señales de control, fallo, bypass, modo batería, batería baja, alarma. Equipo Consumo máximo PLC 60W Instrumentación 60W Equipos de Comunicaciones 140W TOTAL 260W AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 42 ● Mantenimiento. El dispositivo no requiere mantenimiento, sin embargo, se debe realizar una inspección periódica según las directivas y normas pertinentes. Una inspección puede incluir la comprobación de: - Condiciones ambientales. - La integridad de sellado de las conexiones de procesos, entradas de cable y tornillos de la cubierta. - La fiabilidad de la fuente de alimentación, protección de iluminación y puestas a tierra. 3.3.3.2 – TRANSMISOR SITRANS F M MAG 6000 ● Principio de funcionamiento. Los transmisores están basados en un microprocesador y disponen de una pantalla alfanumérica en varios idiomas. El principio de medición de caudal se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética. Las bobinas están montadas diametralmente en el tubo a medir generando un campo electromagnético pulsado. El líquido que fluye a través de este campo electromagnético induce un voltaje. Los transmisores evalúan las señales de los sensores electromagnéticos asociados, luego las convierten en señales estándar apropiadas (p. ej. 4 - 20 mA) y realizan también la función de una unidad de alimentación que proporciona una corriente constante a las bobinas. El transmisor consta de una serie de bloques de función que convierte el voltaje del sensor en lectura de caudal. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 43 El módulo de corriente de las bobinas genera una corriente pulsante magnetizante que activa las bobinas en el sensor. La corriente es vigilada y corregida permanentemente. Un circuito de autovigilancia registra errores o fallas del cable. Un circuito de entrada amplifica la señal de flujo proporcional proveniente de los electrodos. La impedancia de entrada es extremadamente alta: >1014 Ω permitiendo medir el caudal de fluidos con una conductividad mínima de 5 μS/cm. Los errores de medición producidos por la capacitancia del cable quedan excluidos gracias al apantallado del cable. El procesador digital de señales convierte la señal analógica de flujo en una señal digital y suprime los ruidos del electrodo mediante un filtro digital. Cualquier inexactitud del transmisor, como resultado de derivas a largo plazo y de temperatura, es vigilada y compensada continuamente a través del circuito de autovigilancia. La conversión de señal analógica a digital tiene lugar en un ASIC de ruido ultra bajo, con una resolución de señal de 23 bits. Esto permite eliminar una conmutación de rango. El transmisor funciona internamente a través de un bus de comunicación CAN interno. Las señales son transmitidas a través de un acondicionador de señales al módulo de visualización y de/a los módulos opcionales internos/externos y al módulo de diálogo. La unidad de visualización consta de una pantalla de tres líneas y de un teclado de 6 teclas. La pantalla muestra el caudal o un valor de totalizador como lectura primaria. El módulo de salida convierte los datos de caudal en salidas analógicas, digitales o de relé. Las salidas están aisladas galvánicamente y pueden ser configuradas individualmente para adaptarlas a una aplicación específica. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 44 ● Características Técnicas. - Rango de medición de líquidos conductores de 0 a 113.000 m3/h. - Salida de corriente: 0...20mA o 4…20mA, carga < 800 ohmios. - Salida digital: -Frecuencia 0-10KHz, ciclo de servicio 50% -Impulso, programable. Activa 24V DC, 30mA. Protegida contra cortocircuitos. Pasiva, 3-30V DC máx. 110mA. - Salida relé: Función programable, 42 V AC, 2A. 24V DC, 1A. - Entrada digital: 11-30V DC - Funciones: Caudal, 2 totalizadores, corte por bajo caudal, corte por tubería vacía, sentido del flujo, errores del sistema, tiempo de funcionamiento, flujo uni/bidireccional, alarmas ajustables, salida de pulsos, control para unidad de limpieza y lotes. - Todas las entradas y salidas están aisladas galvánicamente. - Totalizador: Dos contadores de 8 dígitos para caudal en el sentido del flujo, en sentido inverso o neto. - Pantalla: Iluminación del fondo con texto alfanumérico, 3 x 20 caracteres para indicar caudales, valores totalizados, ajustes y fallos El caudal en sentido inverso se indica con un signo negativo. - Ajuste del cero: automático. - Impedancia de entrada del electrodo: > 1x10e+14 ohmios. - Temperatura ambiente: en funcionamiento, -20 a +50ºC - Temperatura del fluido:-20 a +200ºC - Comunicaciones (opcional): HART, profibus PA, profibus DP, Modbus RTU. - Índice de protección: IP 67 según IEC 529 y DIN 40050. - Tensión de alimentación: 11-30V DC. - Consumo: 24 V c.c.: 9 W, IN = 380 mA, IST = 8A (30 ms) ● Instalación. El transmisor se puede montar mediante instalación remota o bien compacta en el sensor. Es posible operar y leer las mediciones del caudalímetro prácticamente en todas las condiciones de instalación debido a que el display se puede orientar en relación al sensor. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 45 Deberá usarse el tipo y longitud de cable adecuadas. Los detalles se encuentran en la página 68 del manual del transmisor Sitrans F M MAG6000, recogida en el Anexo A. ● Precisión. El error de esta familia de caudalímetros es del 0,25% de la lectura. En el siguiente gráfico se representa el error, margen de incertidumbre del caudalímetro como porcentaje del valor medido, en función de la velocidad del fluido. La instalación del transmisor en la estación remota Toma será del tipo remota. Consultar de la página 22 en adelante del manual del transmisor Sitrans F M MAG6000, recogida en el Anexo A. La conexión eléctrica se especifica en los planos de Estación Remota Toma , en el anexo B, Planos. Es necesaria una puesta en marcha del dispositivo una vez realizada su instalación. Los pasos necesarios para realizarla se encuentran en el manual del transmisor Sitrans F M MAG6000, recogido en la documentación del Anexo A. ● Mantenimiento. El dispositivo no requiere mantenimiento, sin embargo, se debe realizar una inspección periódica según las directivas y normas pertinentes. Una inspección puede incluir la comprobación de: - Condiciones ambientales. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 46 - La integridad de sellado de las conexiones de procesos, entradas de cable y tornillos de la cubierta. - La fiabilidad de la fuente de alimentación, protección de iluminación y puestas a tierra. 3.4.- EQUIPOS DE COMUNICACIONES. La necesidad de controlar y gestionar remotamente los procesos automáticos que se desarrollan en cada uno de los puntos de control establecidos a lo largo del Canal requiere el desarrollo de una red de comunicaciones robusta que preste un servicio fiable y permita mantener en todo momento la comunicación con el Centro de Control. A continuación pasaremos a describir las principales características de los diferentes equipos que son necesarios para gestionar el sistema de telecontrol, establecer una red inalámbrica Wimax y programar envíos de SMS al personal de mantenimiento 3.4.1 MODULOS DE TELECONTROL TIM Los TIM (Telecontrol Interface Module) permiten una transmisión fiable y ordenada de los datos de control y de proceso entre estaciones remotas y el centro de control ● TIM 3V-IE, TIM 3V-IE Advanced TIM 3V-IE es un módulo de comunicaciones SINAUT para SIMATIC S7-300 que tiene una interfaz RS232 a la que se puede conectar un módem externo apropiado. Además, dispone de una interfaz RJ45 que permite la transmisión SINAUT a través de redes basadas en IP. ● TIM 4R-IE El TIM 4R-IE dispone de dos interfaces RS232/RS485 para la transmisión de datos SINAUT a través de WAN clásicas y dos puertos RJ45 para la conexión a redes basadas en IP (WAN o LAN). El TIM puede ser utilizado como procesador de comunicaciones en SIMATIC S7-300, aunque está especialmente indicado como procesador de comunicaciones SINAUT para SIMATIC S7- 400 o la central de supervisión en PC (SINAUT ST7cc o ST7sc). AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 47 ● TIM 4R, TIM 4RD El TIM 4R es apto tanto para la instalación como módulo de comunicaciones en SIMATIC S7-300 o un equipo completo C7, como también para la conexión como equipo independiente a través de MPI a uno o varios SIMATIC S7-300/S7-400 y para las centrales de supervisión en PC ST7cc o ST7sc. Dispone de dos interfaces RS232/RS485, a las que se puede conectar un módem externo adecuado. Las dos redes WAN pueden ser del mismo tipo o distintas, por ejemplo, línea dedicada y red telefónica, y pueden ser utilizadas como vías de transmisión redundantes. El TIM 4R se puede equipar opcionalmente con un receptor de reloj controlado por radio DCF77. Se ha optado por escoger el modulo TIM 4R-IE por ser el que mejor se adapta a las necesidades del proyecto. Posee 2 puertos RJ45 y dos puertos RS232/RS485, lo que hace que se dispongan de puertos libres para futuras ampliaciones. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 48 3.4.2 EQUIPOS INALAMBRICOS WIMAX WiMAX, siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidad mundial para acceso por microondas), es una norma de transmisión de datos que utiliza las ondas de radio. BreezeNET B100 es un modulo WIMAX para establecer enlaces Punto a Punto. Permite la conectividad bajo condiciones NLOS Non-line-of-sight (sin linea de vision directa) y puede funcionar en las bandas de 5.4GHz no licenciadas dando cobertura hasta 70 Km, facilitando velocidades de transmisión de datos de hasta 35 Mbps por canal. Aunque ya se ha comentado con anterioridad, es conveniente remarcar que se ha optado por enlaces Punto a Punto, por ser mas fiables que un enlace multipunto. Si la estación Base se avería, se pierden todas las conexiones, en cambio si todos los enlaces son punto a punto hacemos el sistema más robusto. A parte con los enlaces Punto a Punto, se garantiza un ancho de banda fijo para cada enlace, lo que hace al sistema mucho más fiable. También es importante destacar que la utilización de la tecnología WIMAX, y en concreto de los equipos BreezeNET B100 de Alvarion, frente a otro tipo de tecnologías radio, se debe principalmente al hecho de que pueden trabajar en una banda no licenciada, y por lo tanto no hay que pagar canon por utilizar ninguna frecuencia. Destacar también que al ser capaces de trabajar con anchos de banda tan elevados, queda abierta la posibilidad a futuras ampliaciones, asÍ como la posibilidad de incorporar sistemas de vigilancia mediante video. Así pues, el sistema básico de comunicaciones se compondrá de: - 1 estación Base autónoma (AU), situada en el Centro de Control, y formadas por 3 módulos BreezeNET B100 equipados con una unidad exterior (ODU, Outdoor Device Unit) alimentada a través de un modulo PoE (Power Over Ethernet) conectado mediante RJ45 y una antena AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 49 externa direccional conectada mediante cable UTP (Unshielded Twisted Pair, par trenzado sin apantallado) Categoría 5 a la ODU. Ver figuras 3.1.1-01, 3.1.2-01, 3.1.2-02. - 3 Unidades Suscriptoras (SU, Subscriber Unit), situadas en cada una de las estaciones Remotas, Almenara 1, Almenara 2 y Toma 1, y formadas por 3 módulos BreezeNET B100 equipados con una unidad externa (ODU, Outdoor Device Unit), alimentada a través de un modulo PoE (Power Over Ethernet) conectado mediante RJ45 y una antena externa direccional conectada mediante cable UTP Categoría 5 a la ODU. A continuación pasamos a enumerar las principales características de los módulos Wimax utilizados (BreezeNET B100): • Sistema inalámbrico WIMAX punto a punto. • Comunicación de Datos basados en el Estándar 802.16D. • Funcionamiento en banda de frecuencia no licenciada (5,4 MHz). Frecuencias de trabajo: (5.150 - 5.350 GHz) (5.250 - 5.350 GHz) (5.470 - 5.725 GHz) (5.725 - 5.875 GHz) • Ancho de canal:10, 20, 40 MHz • Tecnología de radio OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales) • Método acceso a radio - Duplex por División de Tiempo (TDD) • Modulación adaptativa: BPSK, QPSK, 16QAM y 64QAM • Velocidad de transmisión hasta 70 Mbps. • Interfaz - 10/100/1000 Base-T, E1/T1 • IP67, pensado para situar equipos en exteriores. • Alto rendimiento en aplicaciones NLOS (sin línea de visión directa) • Alimentación a través de (Power Over Ethernet) La configuración y gestión de los equipos BreezeNET B100 se realiza mediante BreezeCONFIG, via SNMP (Simple Network Management Protocol). 3.4.3 MODEM GSM/GPRS Todas las estaciones remotas irán equipadas con un MODEM GSM/GPRS conectado a través de uno de los puertos serie a la TIM, que podrá programarse para enviar mensajes SMS a los teléfonos del personal de mantenimiento. La unidad MD720-3 es un módem GSM/GPRS diseñado para aplicaciones industriales que se puede utilizar en redes GSM de 900 y 1800 MHz. El módem requiere una tarjeta SIM para la conexión a un proveedor de servicios de red. Además del puerto RS-232 estándar, el módem MD720-3 tiene una interfaz RS422/485 para establecer conexiones multipunto con equipos industriales de diverso tipo. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 50 Otra de las características mejoradas que presenta esta unidad es su capacidad de establecer conexiones CSD (Circuit Switched Data) o para enviar mensajes SMS cuando la señal DTR (Data Terminal Ready) está activada, lo que permite utilizar el módem en aplicaciones en las que el dispositivo conectado no es lo bastante inteligente para iniciar una llamada mediante comandos AT. Si la red utiliza un código PIN, éste se puede almacenar en el módem para garantizar su disponibilidad después de un fallo de la alimentación. Además, el módem se puede volver a registrar periódicamente en la red, una característica que resulta particularmente útil dado que algunas redes eliminan los registros SIM cuando han permanecido inactivos durante cierto periodo de tiempo. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 51 CAPÍTULO 4 - REGULACIÓN DEL SISTEMA Un sistema de regulación o de control automático es necesario en el momento en que se desea automatizar un proceso. En la industria multitud de procesos o sistemas de fabricación están controlados automáticamente mediante reguladores o por medio de autómatas programables. Una infraestructura hidráulica de distribución de agua se puede considerar un sistema continuo donde se pueden controlar, o regular, una o más variables. En este caso la variable de salida será el nivel del canal. Desde un centro de control se marcará una consigna de nivel para un tramo de canal. Este tramo se regulará automáticamente mediante la apertura o cierre de las compuertas que lo seccionan, llenándolo o vaciándolo según sea necesario, hasta alcanzar con una precisión aceptable el nivel de agua deseado. El sistema de regulación consistirá en la adquisición del valor de la variable de salida, mediante instrumentación, la lectura de la variable de entrada consignada desde el centro de control, un regulador automático implementado en autómatas programables cuya función será controlar el sistema, y el tramo de la infraestructura hidráulica como sistema a controlar. ● Finalidad de la regulación Con la instalación del sistema de regulación se persiguen los siguientes objetivos: - No desperdiciar ni una gota de agua, de manera que los aliviaderos perdieran su razón de ser. Los transitorios producidos serán amortiguados para que no lleguen a provocarse elevaciones de lámina que supongan un riesgo de desbordamiento. - El canal permanecerá siempre lleno. Esta condición se deberá mantener incluso en invierno. De esta manera se prolongará la vida del revestimiento minimizando una gran parte de las roturas. - En el caso de una rotura, el tramo afectado deberá de ser aislado lo más rápidamente posible para minimizar los daños en el propio canal y aguas abajo del mismo. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 58 4.2- CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DEL SISTEMA. De las conclusiones de la simulación se deduce que el sistema se comporta como un primer orden con retardo. Para calcular los parámetros que gobiernan el sistema es necesario conocer este tipo de sistema y a qué hacen referencia estos parámetros. • Sistemas De Primer Orden Con Retardo En un gran número de sistemas reales la respuesta a las acciones dadas no se observa de inmediato, tarda un tiempo en notarse el efecto sobre la dinámica del sistema. Es decir, puede transcurrir un cierto tiempo hasta que el sistema comienza a responder al cambio realizado. Este tiempo se denomina retardo . En el sistema Tramo de la Infraestructura Hidráulica se observa que desde que comienza el cambio hasta que reacciona la salida existe un retardo. Este retardo está provocado por las dimensiones y las características físicas del tramo. Parece lógico pensar que desde que se introduce un caudal en la cabecera del tramo hasta que llega al final debe pasar un determinado tiempo. A parte de este retardo el sistema responde como uno de primer orden por lo que basta añadir dicho retardo a la función de transferencia. Así pues, la función de transferencia de un primer orden con retardo es: () 1 Ls K Gs e Ts − =+ (4.1) Donde el término Ls e− representa el retardo y L es el tiempo de dicho retardo. Un sistema de primer orden con retardo se caracteriza por tres parámetros: - La ganancia estática K - La constante de tiempo T, o Lag – time. - El tiempo de retardo L, o Delay – time. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 59 • Diferencias En Las Respuestas Del Sistema Simulado en Hec-Ras. En el apartado anterior 4.1 – SIMULACIÓN DEL SISTEMA MEDIANTE HEC-RAS, se han ensayado dos casos, entrada con un aumento de caudal en una hora y entrada con un aumento de caudal en diez minutos. En principio las dos salidas obtenidas, el nivel en el final del tramo, son muy similares pero se diferencian ligeramente. Uno de los objetivos de la simulación es obtener datos que permitan deducir los parámetros del sistema Una comparación gráfica permite ver la diferencia entre los parámetros (L y T) correspondientes, obtenidos gráficamente a partir de las curvas de salida. El que las salidas sean diferentes es normal, al ser las entradas distintas. Sin embargo, en una primera aproximación, puede resultar sospechosa la diferencia de valores entre los parámetros. La respuesta del sistema obtenida frente a la entrada en escalón de caudal de 10 minutos se puede asemejar a la de un sistema de primer orden con retardo frente a una entrada en escalón ideal, ya que el tiempo de la “rampa” (10 minutos) es despreciable comparado con el tiempo T1 y su influencia prácticamente nula. Sin embargo para la entrada en escalón de 1 hora la influencia de la rampa se evidencia sobre la respuesta del sistema. En este caso T2 (1,8 horas) y el tiempo de rampa (1 hora) no distan tanto como para que la aproximación de la entrada por un escalón sea válida. La construcción gráfica para obtener los parámetros en este segundo caso ya no resulta correcta, ya que en realidad el comportamiento del sistema, si se insiste en idealizar la entrada como un escalón, no es ya el de un primer orden básico con retardo, sino el de un segundo orden básico con retardo, tal como se analiza a continuación. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 60 • Análisis De La Respuesta Del Sistema. Para averiguar en que forma la entrada influye sobre la salida es necesario un análisis matemático de la respuesta del sistema frente al tipo de entrada utilizada. La señal de entrada aproximada al escalón usada en las simulaciones puede construirse como una señal compuesta de una rampa de pendiente rampa Q T Δ y otra de la misma pendiente pero de signo contrario que se inicia en rampa tT=. La señal de entrada expresada en el dominio de Laplace es: () 22 2 () 1 rampa rampa Ts Ts rampa rampa rampa QQ Q TT T Es e e ss s −− ΔΔ Δ =− = − (4.2) El término rampa Ts e−hace referencia al tiempo de retardo hasta que la segunda rampa se inicia. La respuesta del sistema, la variación de nivel Δh, ante esta señal de entrada es: () 2 () () 1 11 rampa Ts rampa Ls Ls Q T KK hs Es e e e Ts s Ts − − − Δ Δ= = − ++ (4.3) Usando la aproximación de Padé: () 2 12 () 1 1 111 22 rampa rampa Ls Ls rampa rampa QT s TKQK hs e e TT sTss ssTs − − Δ⎛⎞ − ⎜⎟ Δ Δ≈ − =⋅ ⎜⎟ +⎛⎞ ⎜⎟ +++ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ ⎝⎠ (4.4) La expresión (4.4) es la respuesta del sistema cuando la entrada es una señal compuesta como la de la figura 4.2-03. Esta respuesta se puede interpretar como la respuesta a un escalón ΔQ de un sistema de segundo orden sobreamortiguado de constantes de tiempo /2 rampa T y Tcon un retardo puro de L. En el caso de las simulaciones realizadas ambas AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 61 entradas corresponden con este tipo de señal, sin embargo cuando el rampa T es muy pequeño frente a T el polo 1 2 rampa Ts ⎛⎞ + ⎜⎟ ⎝⎠ puede despreciarse. La respuesta del sistema en este caso queda: () () 11 Ls Ls KQK hs Us e e Ts s Ts − − Δ Δ= =⋅ ++ (4.5) Ambas respuestas (4.4) y (4.5) serán similares cuando rampa T sea despreciable frente a T . Si no lo es, el polo adicional, de constante de tiempo rampa T, hace que el tiempo de respuesta del sistema ante la entrada )(tE sea mayor que TL 3 + . La expresión (4.4) en el dominio temporal queda: () () 1 1 2 0, () 2 1, 22 rampa rampa tL T tL T rampa rampa tL T ht T QK e e t L TT TT −− −− < ⎧ ⎪⎛⎞ ⎪⎜⎟ Δ= ⎨ Δ ⋅− + ≥ ⎜⎟ ⎪⎜⎟ ⎪−− ⎜⎟ ⎝⎠ ⎩ (4.6) Esta expresión obedece a la respuesta del sistema de primer orden con retardo cuando la entrada es una señal compuesta y rampa T no es despreciable frente a T (aumento de caudal en 1 hora). Cuando rampa T si es despreciable frente a T (aumento de caudal en 10 minutos) la respuesta en el dominio temporal es la siguiente: () 1 0, () 1, tL T tL ht QK e t L −− < ⎧ ⎪ Δ= ⎛⎞ ⎨ Δ ⋅− ≥ ⎜⎟ ⎪⎝⎠ ⎩ (4.7) • Cálculo De Los Parámetros Del Sistema Gracias a los datos obtenidos en las simulaciones se puede determinar la ganancia estática del sistema. En ambos ensayos los valores iniciales y finales de caudal (10 y 20m3/s) y nivel (1,6 y 2,29m) son los mismos. Por lo tanto, la ganancia estática del sistema resultará de: 0 0 2, 29 1, 6 0,069 20 10 hh Kqq ∞ ∞ − − == = −− (4.8) Para obtener el valor de los parámetros L y T será necesario aplicar un ajuste de mínimos cuadrados a las funciones obtenidas (4.6) y (4.7) en la sección anterior. Se ha utilizado el software MATLAB para realizar este cálculo. MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory , "laboratorio de matrices") es un software matemático con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). El paquete MATLAB dispone de la herramienta Curve Fitting Tool que permitirá realizar el cálculo de los parámetros del sistema mediante mínimos cuadrados. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 62 ANÁLISIS CON ENTRADA ESCALÓN DE CAUDAL EN 1 HORA. Con la herramienta Curve Fitting Tool se puede obtener un valor de los parámetros L y T que se ajuste a la curva de respuesta del sistema cuando la entrada es una aproximación al escalón de caudal en 1 hora. Para ello en el entorno de MATLAB se llama a la herramienta Curve Fitting Tool (cftool). En la ventana Data se introducen los datos, en forma de variable, de las curvas de respuesta del sistema simulado en Hec-Ras. Tanto la respuesta ante un escalón de 1 hora como la respuesta al escalón de 10 minutos. En la ventana Fitting se configura el análisis que se va a realizar. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 63 La ecuación que se usa para el ajuste es la (4.6) con unas pequeñas modificaciones que permitirán realizar el cálculo correctamente. El término constante 1.6 hace referencia al nivel estable correspondiente a un caudal de 10m3/s. La constante 0,69 es el resultado de la QΔ (10m3/s) por la ganancia estática K del sistema (0.069) calculada en (4.8). Durante los primeros instantes el nivel permanece constante a un valor 1,6m. Se han excluido todos los puntos anteriores a t = 0.8, momento en el cual el nivel comienza a subir. La exclusión de esos puntos impide que aparezcan errores incorrectos en dichos puntos, ya que para el ajuste la herramienta solo emplea una única curva para todo el tiempo (t>=0) y no dos (una para 0<=t<L, y otra para t>=L) como sería deseable. Aplicando esta configuración (Apply), como se puede observar en la figura 4.2-04, la herramienta obtiene unos resultados y una representación grafica de la curva ajustada. Los resultados son los siguientes: t>0.8 General model: Goodness of fit: f(t)=1.6+0.69*(1-T/(T-0.5)*exp(-(t- L)/T)+0.5/(T-0.5)*exp(-(t-L)/0.5)) SSE : 0.02024 Coefficients (with 95% confidence bounds) R-square : 0.9991 L = 0.7286 (0.7257, 0.7316) Adjusted R-square : 0.9991 T = 1.015 (1.011, 1.018) RMSE : 0.002674 Según estos resultados los parámetros L y T que mejor ajustan la ecuación (4.6) a la curva de respuesta del sistema cuando la entrada es un escalón de caudal en 1 hora son los siguientes: L = 0.7286 T = 1.015 La representación gráfica de la curva ajustada es la siguiente: Los primeros valores de la curva ajustada, correspondientes a instantes de tiempo t<L no se consideran en el cálculo del error ya que se han eliminado los datos por debajo de 0.8 horas. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 64 En nuestro modelo el incremento de altura para instantes de tiempo anteriores a L es nulo y difiere del mostrado por la curva ajustada. ANÁLISIS CON ENTRADA ESCALÓN DE CAUDAL EN 10 MINUTOS. Una vez realizado el análisis para la curva de respuesta a la entrada en escalón de 1 hora es necesario realizar otro análisis para el caso de la respuesta del sistema a la entrada en escalón de caudal en 10 minutos y obtener unos parámetros que ajusten el sistema a esta curva. Ambos parámetros, los obtenidos para el caso de 1 hora y los del caso de 10 minutos deberían ser similares. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 65 La ecuación que se usa para este ajuste es la (4.7) ya que se trata de un caso prácticamente ideal donde se puede despreciar el rampa T respecto a T. El término constante 1.6 hace referencia al nivel estable correspondiente a un caudal de 10m3/s. La constante 0,69 es el resultado de la QΔ (10m3/s) por la ganancia estática K del sistema (0.069) calculada en (4.8) Se han excluido todos los puntos anteriores a t = 0.68, momento en el cual el nivel comienza a subir, ya que durante los primeros instantes el nivel permanece constante a un valor 1,6m. La exclusión de esos puntos impide que aparezcan errores incorrectos en dichos puntos. La ventana de configuración Fitting para este análisis puede verse en la figura 4.2-06. Los resultados obtenidos son los siguientes: t>0.68 General model: Goodness of fit: f(t)=1.6+0.69*(1-exp(-(t-L)/T)) SSE : 0.01102 Coefficients (with 95% confidence bounds) R-square : 0.9993 L = 0.6906 (0.6891, 0.6921) Adjusted R-square : 0.9993 T = 1.163 (1.161, 1.165) RMSE : 0.001971 Según estos resultados los parámetros L y T que mejor ajustan la ecuación (4.7) a la curva de respuesta del sistema cuando la entrada es un escalón de caudal en 10 minutos son los siguientes: L = 0.6906 T = 1.163 La representación gráfica de la curva ajustada es la siguiente: Como puede verse en la figura, con estos parámetros el sistema se ajusta perfectamente a la respuesta obtenida en la simulación mediante Hec-Ras. Como se deducía al principio los parámetros obtenidos para el caso del escalón de caudal en 1 hora y el caso del escalón de caudal en 10 minutos son próximos. Para el caso de L, 0.7286 y 0.6906. Para el caso de T, 1.015 y 1.163. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 66 De estos análisis se obtienen los parámetros necesarios para determinar la función de transferencia del sistema: 0.6906 0.069 () 1.163 1 s Gs e s − =+ (4.9) La función de transferencia del sistema, relación entre la entrada y la salida, es la resultante en (4.9), donde la entrada al sistema es un incremento de caudal (m3/s) y la salida un incremento de nivel (m). De esto se deduce que las acciones a aplicar al sistema serán modificaciones de caudal y las realimentaciones serán medidas de las variaciones de nivel y por lo tanto las consignas deberán ser niveles. Esto es exactamente lo que se pretende en este proyecto. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 67 4.3.- CONTROL DEL SISTEMA MEDIANTE REGULADOR El objetivo de un sistema de control regulador es mantener la salida del sistema en un valor constante, el de referencia o consigna. De manera que se atenúe lo más rápido posible el efecto de perturbaciones sobre la salida. En el caso del tramo de infraestructura hidráulica el objetivo del sistema de control es mantener el nivel de agua al valor indicado desde el Centro de Control. El centro de todo el sistema es el Tramo de la infraestructura hidráulica con su función de transferencia. En él, el nivel de agua en el tramo debe permanecer constante al valor de la consigna. La forma de conseguir mantener este nivel es mediante incrementos de caudal a través de la apertura o cierre de las compuertas. Para controlar el proceso se dispone de un regulador. El regulador debe conocer la diferencia entre el valor deseado a la salida (consigna de nivel) y el valor actual de salida, el nivel medido. La variable realimentada se compara con la señal de mando (consigna) y se obtiene el error el cual es la entrada al regulador. El objetivo del regulador será mantener a cero el error en régimen permanente. Si la señal de error es cero, la variable controlada tendrá un valor que coincide exactamente con el previsto. Si no es así, el error entra en el regulador que proporciona una señal o variable de control (acción), la cual influirá en el proceso, abriendo o cerrando las compuertas, lo que significa variar el caudal, para que el error tienda a cero. Una vez determinada la función de transferencia del proceso que se pretende controlar es necesario calcular el regulador apropiado a dicho sistema. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 74 En esta gráfica de un regulador proporcional integral regulando un sistema se observa que frente a la perturbación que se inicia en el tiempo 7 el nivel disminuye hasta que la perturbación se hace constante (tiempo 10) en ese momento el nivel se recupera al valor consigna. El regulador esta eliminando el efecto de la perturbación. En el momento en que la perturbación comienza a desaparecer (tiempo 27), el error se hace negativo y el nivel aumenta hasta que la perturbación desaparece (tiempo 30), momento en el que el nivel disminuye hasta alcanzar el valor de consigna. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 75 4.3.1 – CONTROL MEDIANTE LAMBDA-TUNING. Lambda Tuning es un método de ajuste de controladores PI y PID a partir de los parámetros (L y T) del sistema a controlar. En los apartados anteriores se ha determinado que el sistema Tramo de la Infraestructura Hidráulica es de primer orden con retardo y se va a controlar con regulador PI o PID. Como ajuste principal de los parámetros del regulador se va a utilizar el método Lambda Tuning. En el apartado 4.3 – CONTROL DEL SISTEMA MEDIANTE REGULADOR, se ha estudiado la viabilidad de controlar el sistema mediante reguladores PI y PID utilizando la cancelación de polos. Lambda Tuning es un caso especial de los métodos de cancelación de polos. • Control PI SISTEMAS DELAY DOMINATED La función de transferencia de un regulador PI es (4.10). La función de transferencia de un sistema de primer orden con retardo es (4.1), entonces el sistema en lazo abierto es: (1 ) () () (1 ) 1 (1 ) Ls ii i i i Ls sKK K R sGs K e Ls sTs Ts T eLs τ τ τ − − + ==− + = ≈− (4.29) La función exponencial ha sido aproximada usando Taylor y la constante de tiempo del regulador se ha ajustado a T. El sistema en lazo cerrado queda: () (1 ) (1 ) 1 () 1 1 1 Ls cl cl i Ss Ls Ls e Es Ts Ts TLs KK − − − ==≈ ++ ⎛⎞ −+ ⎜⎟ ⎝⎠ (4.30) El parámetro Tcl originariamente se denominaba λ (lambda), de ahí el nombre del método, y es la constante de tiempo deseada del sistema en lazo cerrado. La elección de Tcl es crítica. Una regla común es elegir Tcl = 3T para obtener un regulador robusto y Tcl = T para un regulador más agresivo. Esta última regla solo se recomienda si el modelo del sistema es muy similar al sistema real. De la siguiente forma se obtienen todos los parámetros del regulador PI: 13 icl cl icl T K T T Robusto KL T TTTAgresivo τ = = → + = = → (4.31) Un inconveniente de este ajuste es la cancelación del polo del sistema, aunque no supone un problema si el sistema esta dominado por el retardo (delay dominated). Conviene separar el estudio para sistemas Delay Dominated y sistemas Lag Dominated ). AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 76 Así pues para sistemas Delay Dominated se obtiene el ajuste del regulador de aplicar (4.31), siendo Tcl = 3T si se busca un regulador robusto, sin sobreoscilación y no muy rápido. Si se ajusta Tcl = T se obtiene un regulador más agresivo pero deberían conocerse bien los parámetros del sistema. En cuanto al parámetro i τ está recomendado elegir su valor al mayor de los valores T ó 3L. Para la implementación del regulador en el PLC se utiliza la siguiente estructura en paralelo del regulador PI: () ,i i i KI Rs KP s K KP K KI τ =+ = = (4.32) En el apartado 4.2 – CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DEL SISTEMA, se obtienen los parámetros del sistema: K = 0,069, L = 0,6906, T = 1,163 La tabla con los valores de ajuste del regulador es la siguiente. CONTROL PI SISTEMAS DELAY DOMINATED REGULADOR PI Tcl Ki τi KP KI ROBUSTO 3T 4.033 1.163 4.033 3.467 AGRESIVO T 9.093 1.163 9.093 7.819 τi = T SISTEMAS LAG DOMINATED Cuando un sistema tiene el parámetro T mucho mayor que L se dice que es un sistema Lag Dominated. En este tipo de sistemas eliminar el polo con el regulador puede provocar respuestas pobres a las posibles perturbaciones. Es necesario, por lo tanto, ajustar el regulador sin cancelar el polo del sistema. (1 )(1 ) () () (1 ) ii i KK s Ls RsGs sTs τ τ + − =+ (4.33) La ecuación anterior muestra el sistema en lazo abierto. En lazo cerrado queda: 2 (1 )(1 ) () () 1()() 1 i ii ii ii sLs RsGs RsGs TLs Ls KK KK τ ττ ττ + − = +⎛⎞⎛ ⎞ − ++−+ ⎜⎟⎜ ⎟ ⎝⎠⎝ ⎠ (4.34) El sistema ahora es de segundo orden donde su ecuación característica es: 210 ii ii ii TLs Ls KK KK ττ ττ ⎛⎞⎛ ⎞ −++−+= ⎜⎟⎜ ⎟ ⎝⎠⎝ ⎠ (4.35) AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 77 La ecuación característica del sistema deseado es: 22 210 cl cl Ts Ts ξ + += (4.36) Por comparación entre (4.35) y (4.36) se obtienen los parámetros del regulador PI: 2 22 2 2 (2 ) 1 cl cl i cl cl cl icl i i T LT K KTTLL con T proporcional a L KK T L KK ξ ξ ξ τ ⎫ +− ⎪ =⎪ ++ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ +⎪ =+⎪ ⎪ ⎭ (4.37) Donde ξ es el coeficiente de amortiguamiento y cl T la inversa de n ω , la frecuencia natural. Del valor de estos coeficientes dependerá el comportamiento del sistema, aunque también hay que tener en cuenta que, al no ser la función de transferencia en lazo cerrado un segundo orden básico, el polinomio del numerador también tendrá su influencia en el comportamiento transitorio, pudiéndose producir sobrepasamientos en la salida aun con ξ igual a 1. Conforme aumente el valor de ξ disminuirá la sobreoscilación, por lo que interesara escoger valores de ξ iguales o superiores a 1 para que no haya sobreoscilación y para que el sobrepasamiento que pueda introducir el polinomio del numerador se compense con el sobreamortiguamiento. Uno de los objetivos del control automático del tramo es mantener la lámina de agua lo más alta posible para mejorar el mantenimiento del revestimiento, por lo tanto sobrepasamientos en estas condiciones pueden generar desbordamientos. Sin embargo si la consigna de nivel fuese suficientemente baja o el sobrepasamiento fuese pequeño, el hecho de que existiese sobrepasamiento no implica el rebose. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 78 Conforme aumenta el valor de ξ, en un sistema sobreamortiguado, aumenta el amortiguamiento y se compensan los posibles sobrepasamientos. Tiene la contrapartida de que el tiempo de respuesta aumenta. Establecidos los valores ξ y Tcl del comportamiento dinámico del sistema en lazo cerrado, y utilizando los parámetros obtenidos para el modelo del sistema: K = 0,069, L = 0,6906, T = 1,163 Se ha obtenido una tabla con los valores de ajuste del regulador. Se han calculado diferentes parámetros en función de ξ y Tcl. Conforme aumente ξ el sobrepasamiento disminuirá. Con un Tcl mayor la respuesta se retrasará. Se especifican los parámetros KP y KI que son los funcionales en el ajuste del regulador implementado en el PLC. CONTROL PI SISTEMAS LAG DOMINATED Tcl=L ξ Ki τi KP KI 1 -2.537 -0.440 -2.537 5.771 2 -1.209 -0.314 -1.209 3.847 3 -0.545 -0.189 -0.545 2.885 4 -0.146 -0.063 -0.146 2.308 Tcl=2L ξ Ki τi KP KI 1 -5.637 -2.198 -5.637 2.565 2 -3.457 -1.947 -3.457 1.776 3 -2.303 -1.696 -2.303 1.358 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 79 • Control PID Como se vio en el apartado 4.3 – CONTROL DEL SISTEMA MEDIANTE REGULADOR también se puede controlar el sistema con un regulador PID. El principal inconveniente de este regulador son las grandes acciones iniciales que va a provocar debido a la parte derivativa del mismo. Aun así se considera interesante obtener los parámetros para el control PID. La función de transferencia de un regulador PID es (4.18). La función de transferencia en lazo abierto queda como en (4.20). Haciendo la constante de tiempo integral del regulador igual a la constante de tiempo del sistema e igualando la constante de tiempo derivativa a L/2 se obtiene: ,/2 (1 / 2 ) () () id pid TL KK L s RsGs Ts τ τ = = − = (4.38) La función de transferencia en lazo cerrado será: 1 () () 2 1()() 1 2 pid Ls RsGs RsGs TL s KK − = +⎛⎞ − + ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ (4.39) Por lo tanto la ecuación característica del sistema en lazo cerrado es: 10 2 pid TL s KK ⎛⎞ − += ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ (4.40) Tcl es la constante de tiempo del sistema en lazo cerrado deseada, por lo tanto: 2 cl pid TL TKK = − (4.41) De donde se deducen las ecuaciones para ajustar los parámetros del regulador PID: 1 /2 /2 pid cl i d T KKT L T L τ τ =+ = = (4.42) Para la implementación del regulador en el PLC se utiliza la siguiente estructura en paralelo del regulador PID: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 80 () 1, , pid d pid pid d ii KI R s KP KDs s K KP K KI KD K τ τ ττ =++ ⎛⎞ = + = = ⎜⎟ ⎝⎠ (4.43) Con los parámetros del sistema: K = 0,069, L = 0,6906, T = 1,163 La tabla con los valores de ajuste del regulador es la siguiente. Para la elección de Tcl se han seguido los mismos criterios que en los sistemas Delay dominated. CONTROL PID REGULADOR PID Tcl Kpid τi τd KP KI KD ROBUSTO 3T 4.396 1.163 0.345 5.701 3.780 1.518 AGRESIVO T 11.175 1.163 0.345 14.493 9.609 3.859 τi = T, τd=L/2 • Simulación Del Control Del Sistema Mediante MATLAB Una vez calculados los diferentes reguladores es necesaria una simulación del comportamiento del sistema con los mismos. Se ha utilizado para ello el software MATLAB. El paquete MATLAB dispone de una herramienta adicional, Simulink (plataforma de simulación multidominio) que ha sido utilizada para realizar la simulación. El sistema simulado puede verse en la figura 4.3.1-04. Corresponde al entorno de Simulink donde se ha colocado un regulador PID parametrizable ( PID Controller with Approximate Derivative ), una limitación de acción para simular la saturación de los reguladores ( Saturation ), el sistema calculado con el retardo correspondiente ( Retardo ), una perturbación ( Pert ) y una señal senoidal simulando posibles ruidos en la cadena de realimentación ( Sine Wave ). Los elementos To Workspace recogen en formato tabla de datos las señales a las que están conectados. El elemento Step es el escalón de consigna. Está configurado para ser un escalón de 0 a 1. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 81 Una vez construido el lazo de regulación se han simulado los ajustes de PI y PID Lambda calculados anteriormente, según las tablas de CONTROL PI SISTEMAS DELAY DOMINATED, CONTROL PI SISTEMAS LAG DOMINATED y CONTROL PID que se muestran a continuación: CONTROL PI SISTEMAS DELAY DOMINATED REGULADOR PI Tcl Ki τi KP KI ROBUSTO 3T 4.033 1.163 4.033 3.467 AGRESIVO T 9.093 1.163 9.093 7.819 Ti = AL MAYOR (T,3L) CONTROL PI SISTEMAS LAG DOMINATED Tcl=L ξ Ki τi KP KI 1 -2.537 -0.440 -2.537 5.771 2 -1.209 -0.314 -1.209 3.847 3 -0.545 -0.189 -0.545 2.885 4 -0.146 -0.063 -0.146 2.308 Tcl=2L ξ Ki τi KP KI 1 -5.637 -2.198 -5.637 2.565 2 -3.457 -1.947 -3.457 1.776 3 -2.303 -1.696 -2.303 1.358 CONTROL PID REGULADOR PID Tcl Kpid τi τd KP KI KD ROBUSTO 3T 4.396 1.163 0.345 5.701 3.780 1.518 AGRESIVO T 11.175 1.163 0.345 14.493 9.609 3.859 τi = T, τd=L/2 Se han simulado: - Regulador PI robusto para sistemas Delay Dominated -> KP = 4.033, KI = 3.467, KD = 0 - Regulador PI agresivo para sistemas Delay Dominated -> KP = 9.093, KI = 7.819, KD =0 - Regulador PI para sistemas Lag Dominated con Tcl = L y ξ = 4 -> KP = -0.146, KI = 2.308, KD =0 - Regulador PID robusto -> KP = 5.701, KI = 3.780, KD = 1.518 - Regulador PID agresivo -> KP = 14.493, KI = 9.609, KD = 3.859 En la figura 4.3.1-05, la gráfica superior es la respuesta del sistema controlado con los diferentes reguladores cuando la consigna cambia de 0 a 1. Como puede observarse en el instante de tiempo t = 40 aparece una perturbación en la altura final debida a una pérdida de caudal en algún punto intermedio del tramo. A priori puede parecer que la respuesta del sistema con el regulador PID agresivo sea la mejor. Sin embargo, si se observa la segunda gráfica, que muestra las acciones de los reguladores, se pueden ver que las acciones de los reguladores PID son muy elevadas. Por lo tanto los reguladores PID no son recomendados. En cuanto a los reguladores PI el que mejor responde frente a la perturbación es el PI agresivo. También es el que mejor tiempo de respuesta tiene. Por lo tanto se recomienda ajustar el regulador con los parámetros correspondientes al regulador PI agresivo para sistemas Delay Dominated: - Regulador PI agresivo para sistemas Delay Dominated -> KP = 9.093, KI = 7.819, KD =0 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 82 Los resultados de las simulaciones pueden verse en las siguientes gráficas: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 83 4.3.2 – OTROS CONTROLES ALTERNATIVOS • Internal Model Control (IMC) El nombre de Internal Model Control hace referencia a una estructura de control que tiene internamente un modelo del sistema a controlar. Este modelo se conecta en paralelo con el sistema. En el diagrama de bloques G es el sistema a controlar, ˆ G es una inversa aproximada del sistema a controlar, ˆ G es una aproximación al sistema, las perturbaciones se representan por p, y LPF es un filtro paso bajo, cuya función es hacer menos sensible al controlador frente a errores en el modelado del sistema. En el diagrama ˆ ()euGG p = −+, por lo que cuando el modelo del sistema sea perfecto ( ˆ GG = ) y ante ausencia de perturbaciones (p=0) se obtiene que e=0. De ahí que se elija ˆ G como la inversa aproximada del sistema, ya que cuando esta inversa sea exacta la salida sería ˆ **LPF G G LPF =. Es decir, LPF representa el modelo del sistema deseado en lazo cerrado. Una elección común es 1/(1 ) f LPF sT=+, donde f Tes un parámetro a tener en cuenta en el diseño. El esquema de control IMC se puede representar también mediante el siguiente diagrama de bloques equivalente: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 90 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 91 CAPITULO 5 - SISTEMA DE COMUNICACIONES En un sistema de automatización y control, una comunicación fiable y robusta entre los diferentes elementos que lo componen es de vital importancia. En los últimos años, el avance en tecnologías inalámbricas de comunicaciones ha sido importantísimo, y en la actualidad disponemos de tecnologías inalámbricas potentes, robustas y de rápida instalación que hace que la interconexión entre diferentes equipos tenga un bajo coste y una elevada fiabilidad. ● Redes inalámbricas de comunicaciones Las redes inalámbricas (Wireless Network) son aquellas que se comunican por un medio de transmisión no guiado (sin cables) mediante ondas electromagnéticas. Las redes inalámbricas tienen como ventajas la rápida instalación de la red sin la necesidad de usar cableado, permitir la movilidad, y generar menos costes de mantenimiento que una red convencional. Dependiendo de su alcance podemos clasificarlas en lo siguientes grupos. W-WAN (WIRELESS WIDE AREA NETWORK) Redes móviles Celulares. Están ligadas a la Telefonía Móvil (GSM, GPRS). Permiten la comunicación desde cualquier punto geográfico siempre que haya cobertura y el usuario disponga de línea. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 92 W-MAN (WIRELESS METROPOLITAN AREA NETWORK) Se trata de una especificación para las redes de acceso metropolitanas sin hilos de banda ancha publicada en abril de 2002. Habilitan la comunicación en un área geográfica extensa pero delimitada (menos de 70 Km). Engloba el estándar IEEE 802.16 W-LAN (WIRELESS LOCAL AREA NETWORK) Engloba el estándar IEEE 802.11. La familia 802.11 actualmente incluye seis técnicas de transmisión por modulación que utilizan los mismos protocolos. El estándar original de este protocolo data de 1997, era el IEEE 802.11. Tenía velocidades de hasta 2 Mbps y trabajaba en la banda de frecuencia de 2,4 GHz. La siguiente modificación apareció en 1999 y es designada como IEEE 802.11b, esta especificación tenía velocidades de 5 hasta 11 Mbps, también trabajaba en la frecuencia de 2,4 GHz. También se realizó una especificación sobre una frecuencia de 5 Ghz que alcanzaba los 54 Mbps, era la 802.11a y resultaba incompatible con los productos de la b y por motivos técnicos casi no se desarrollaron productos. Posteriormente se incorporó un estándar a esa velocidad y compatible con el b que recibiría el nombre de 802.11g. En la actualidad la mayoría de productos son de la especificación b y de la g . El siguiente paso se dará con la norma 802.11n que sube el límite teórico hasta los 600 Mbps. Actualmente ya existen varios productos que cumplen un primer borrador del estándar 802.11n con un máximo de 300 Mbps. W-PAN (WIRELESS PERSONAL AREA NETWORK) Las tecnologías inalámbricas basadas en la familia de estándares IEEE 802.15 (bluetooth, zigbee, etc) proporcionan, por un bajo costo y una baja potencia, un enlace radio de corto alcance para dispositivos móviles. De esta manera permite establecer conexiones de tiempo real de voz y datos mediante la banda libre de 2,400-2,483 GHz, alcanzando tasas de transferencia de hasta 1 Mbps. Destacar que el estándar IEEE 802.16 (estándar usado por los equipos WIMAX) perteneciente a la categoría W-MAN (Wireless Metropolitan Area Network) es el que mejor se adapta a nuestras necesidades. Este estándar con capacidad para banda ancha es capaz de abarcar distancias de hasta 70 Km, a continuación pasamos a describirlo más detalladamente. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 93 5.1.- RED INALAMBRICA DE COMUNICACIONES WIMAX Para realizar la comunicación inalámbrica entre los diferentes puntos de control se ha elegido la tecnología WIMAX. Las características de los equipos de comunicaciones empleados han sido expuestas en los apartados 3.1 y 3.4. WIMAX es una nueva tecnología muy adecuada para establecer radioenlaces en zonas rurales y de difícil acceso a las que no llegan las redes cableadas, dado su gran alcance y alta velocidad de transmisión, a un coste muy competitivo frente a otras alternativas. WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una marca comercial del WIMAXForum, cuyo objetivo fundamental es garantizar la interoperabilidad entre equipos de acceso inalámbrico de banda ancha. Ofrece total cobertura en áreas de hasta 70 kilómetros, con antenas direccionales de alta ganancia, y ofrece velocidades de transmisión de hasta 70Mbps con línea de visión directa. Es conveniente, antes que nada, diferenciar entre una serie de términos que pueden llevar a confusión. Por una parte, no debemos confundir el estándar IEEE 802.16 con WIMAX, al igual que también hemos de diferenciar las entidades IEEE y WIMAXForum. El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) es una organización técnicoprofesional dedicada a la estandarización, entre otras cosas. Constituida principalmente por expertos que desarrollan y publican numerosos estándares mediante la creación de diferentes grupos de trabajo, como el IEEE 802.16, destinado al Acceso Inalámbrico de Banda Ancha para Redes Metropolitanas. EL WIMAX Forum es una organización internacional sin ánimo de lucro, constituida por empresas del sector de las telecomunicaciones inalámbricas, y cuyo objetivo común es certificar la compatibilidad, y la interoperabilidad de productos de acceso inalámbrico de banda ancha para redes metropolitanas, específicamente, para aquellos descritos bajo la familia de estándares IEEE 802.16. Así pues, las actividades del WIMAXForum pueden considerarse como una extensión de las del grupo de trabajo IEEE 802.16 para desarrollar y certificar la interoperabilidad entre fabricantes de equipos WIMAX. Y por ultimo, destacar que el estándar IEEE 802.16 es un estándar publicado por el IEEE destinado al Acceso Inalámbrico de Banda Ancha para Redes Metropolitanas, y WIMAX es una marca comercial descrita por el WIMAXForum que englobaría los equipos que funcionan bajo el estándar IEEE 802.16. ● Características principales Entre las características más importantes de la tecnología WIMAX se pueden mencionar las siguientes: • Utiliza modulación ODFM (Orthogonal División Multiplexing) que permite la transmisión en distintas frecuencias simultáneamente. Utiliza espaciamiento ortogonal con lo que se puede garantizar que no exista interferencia entre estas. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 94 • Soporta antenas inteligentes las cuales mejoran la eficiencia espectral en sistemas inalámbricos. • Soporta enlaces tipo Punto a Punto, Multipunto y redes malla. • Presenta una calidad de servicio (QoS) para los operadores NLOS (sin línea de visión) tal que la señal no se distorsiona por la existencia de edificios ni otras posibles causas de interferencia. • Soporta las multiplexaciones TDM (Time division multiplexing) y FDM (Frequency division multiplexing), que permiten la interoperabilidad entre los sistemas celulares y los inalámbricos. • Presenta técnicas de modulación adaptativa que permiten ajustar el esquema de modulación de la señal dependiendo de las condiciones de la señal de ruido (SNR) que existen en el enlace. Cuando el enlace presenta una alta calidad, se usa la modulación más alta, dando el sistema la mayor capacidad. Y durante un desvanecimiento de la señal, el sistema puede desplazar a la señal a un esquema de modulación menor para mantener la calidad y estabilidad del enlace. • El estándar posee medidas de seguridad que incluyen mecanismos de criptografía. • Posee un ajuste dinámico del tamaño del paquete de transmisión. • Es capaz de transmitir servicios de voz, datos y video. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 95 ● Estándares IEEE 802.16 A continuación pasamos a describir todas las variantes de la familia IEEE 802.16. ESTÁNDAR 802.16 Estándar publicado en 2002. Esta versión de WIMAX fue diseñada para conexiones punto a punto sin movilidad. Utilizando un espectro licenciado en el rango de 10 a 66 GHz. Es necesaria la línea de vista directa (LOS), y utilizaba técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM). Soporta calidad de servicio (QoS, Quality of Service). ESTÁNDAR 802.16A La actualización de 802.16a, completada 2003, consideró el rango del espectro de frecuencia de 2 a 11 GHz. Utiliza rangos de frecuencia tanto licenciados como no licenciados, además incorpora la capacidad sin línea de visión directa (NLOS) y características de calidad de servició (QoS, Quality of Service). Se incorporo un soporte para FDD y TDD. Soporta diversos protocolos como Ethernet e IP y fue diseñado principalmente para conexiones fijas de última milla, punto a punto y punto multipunto. ESTÁNDAR 802.16C Ampliación del 802.16 para definir las características y especificaciones en la banda 10- 66GHz, fue publicado en 2003 ESTÁNDAR 802.16D Pensado para acceso fijo, este estándar es el reemplazo del estándar IEEE 802.16a. Teóricamente puede transmitir hasta un rango de datos de 70Mbps en condiciones ideales, aunque el rendimiento real podría no es superior a 40Mbps. ESTÁNDAR 802.16E Extensión del 802.16D que incluye un soporte para banda ancha móvil. ● Multiplexacion OFDM OFDM es una técnica basada en la multiplexación por división en frecuencia (FDM), pero el hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite que el espectro de cada una estén solapadas y no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del espectro debido a que no se introducen bandas de separación entre las subportadoras. Un avance que ayudó al desarrollo del protocolo IEEE 802.16, fue la multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). La modulación OFDM presenta muchos beneficios que no presentan otras modulaciones previas a esta, y permite que las redes inalámbricas transmitan eficientemente con anchos de banda reducidos. OFDM es una técnica de comunicación que divide un canal, de frecuencia, en un número determinado de bandas de frecuencias equidistantes, en cada banda se transmite un subportadora que transporta una porción de la información. Cada subportadora es ortogonal al resto, dándole el nombre a esta técnica de multiplexación por división de frecuencia. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 96 El hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite que el espectro de cada una pueda estar superpuesto al espectro de las demás, y no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del espectro debido a que no se utilizan bandas de separación entre subportadoras. ● Esquemas de modulación soportados por WIMAX - BPSK (BiPhase Shift Keying) Es una forma de desplazamiento de fase que permite cuatro grados posibles de los desplazamientos de fase de 0, 90, 180, 270 grados. Es el método menos eficiente, se emplea cuando los puntos a comunicar se encuentran a una distancia elevada. Requiere mayor potencia de transmisión. - QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Es una forma de modulación en la que la señal se envía en cuatro fases, 45, 135, 225, y 315 grados. Una de sus principales ventajas es que ofrece la misma eficiencia de potencia, utilizando la mitad de ancho de banda. - 16-QAM.- (16 Quadrature Amplitude Modulation) Es una modulación digital en la que se tienen 4 fases y 4 amplitudes, de esta manera es como se obtienen 16 símbolos. - 64-QAM.- (64Quadrature Amplitude Modulation) Al igual que la 16-QAM, esta es una modulación digital en la que se tienen 4 fases y en este caso 16 amplitudes. De esta manera es como se obtienen 64 símbolos. Se emplea para distancia cortas y requiere poca potencia. 5.1.1.- ESTUDIO DE VIABILIDAD DE LOS RADIOENLACES Para evaluar la viabilidad de los enlaces propuestos se han realizado unos cálculos para determinar la distancia máxima a la que es viable el radioenlace y a continuación una simulación con la herramienta de planificación radioeléctrica (Radio Mobile). Partimos de las siguientes condiciones iniciales: - Los radioenlaces a realizar se plantean en la banda de los 5,4 GHz (banda libre), utilizando una canalización de 20 MHz. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 97 - El equipamiento estará basado en tecnología WiMAX, las características que deberán poseer los equipos evaluados son la multiplexación OFDM y la modulación adaptativa, es decir, la capacidad del enlace variará en función de la potencia en el receptor. ● Cálculo de la distancia máxima teórica de transmisión en el espacio libre Lo primero, destacar que la Norma UN-128 perteneciente al CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias) 2007 impone una limitación en la banda 5470-5725 MHz que pasamos a señalar a continuación: - La Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (PIRE) será inferior o igual a 1W (30dBm). Este valor se refiere a la potencia promediada sobre una ráfaga de transmisión ajustada a la máxima potencia. Tal como se ha indicado en el capítulo 3 en este proyecto se van a utilizar los equipos Wimax BreezeNET B100 de Alvarion para la comunicación inalámbrica. Para realizar los cálculos de atenuación partimos de las siguientes condiciones iniciales extraídas de las hojas de características de esos equipos, ver Anexo A. Documentación. En transmisión, • Potencia transmitida será 30 dBm (máximo permitido por norma UN-128). En el enlace: • Frecuencia de trabajo: 5,470 GHz En recepción • Ganancia de la antena receptora: 24 dBi • Potencia recibida en la entrada del sistema receptor: -89 dBm, escogemos este valor para calcular la máxima atenuación posible, o sea, en las peores condiciones posibles. ()() ()() 89 30 24 ( ) ( ) 143 RT RB B B P dBm P dBm G dB L dB dBm dBm dBi L dB LdB dB =+−⇒ −=+−⇒ = AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 98 Donde: PR(dBm): Potencia recibida en la entrada del sistema receptor. PT (dBm): Potencia entregada a la salida por el sistema transmisor. GR(dBi): Ganancia de la antena receptora. LB(dB): Pérdidas de propagación en el espacio libre. () ( ) 8 4 ( ) 20 log 20 log( ) 20 log( ) 310 143 32.4 20 log( ) 20 log(5470 ) 62.733 BKmMHz LdB D f dB D MHz DKm π =⋅ +⋅ +⋅ ⇒ ⋅ =+⋅ +⋅ ⇒ = Esta es la distancia máxima teórica a la que podemos garantizar una potencia recibida de -89 dBm en el receptor y por tanto establecer una transmisión fiable. ● Simulación de los radioenlaces La simulación con cualquier herramienta de planificación radioeléctrica ha de realizarse en un escenario real, con una cartografía real. Como el proyecto aquí tratado se realiza en un tramo genérico de un canal (sin concretar una ubicación real), hemos optado por escoger el tramo de un canal real cercano, el canal de Monegros. Para realizar la simulación con Radio Mobile, partimos de las siguientes condiciones (estos datos han sido extraídos de las hojas de características de los equipos Wimax BreezeNET B100 de Alvarion): En transmisión, • Potencia transmitida será 30 dBm (máximo permitido por normativa). 30 dBm equivalen a 1 Watio. En el enlace: • Frecuencia de trabajo: 5,470 GHz • Ancho de canal: 20 MHz En recepción • Ganancia de la antena receptora: 24 dBi • Capacidad del enlace en función de la potencia recibida: Clasificación Modulación Sensibilidad (dBm) Capacidad (Mbps) Tipo 1 BPSK ½ -89 dBm 5,2 Tipo 2 QPSK 1/2 -86 dBm 7,6 Tipo 3 QPSK ¾ -83 dBm 10,1 Tipo 4 16QAM 1/2 -80 dBm 14,6 Tipo 5 16QAM ¾ -77 dBm 19 Tipo 6 64 QAM ½ -77 dBm 26,7 Tipo 7 64 QAM 2/3 -73 dBm 33,5 Tipo 8 64 QAM 3/4 -71 dBm 33,5 Tabla 5.1.1-01 Relaciona el tipo de modulación, la potencia recibida y capacidad teórica. En la figura (5.1.1-01), podemos ver toda la infraestructura de comunicaciones. Se proponen 3 enlaces Wimax Punto a Punto entre el Centro de control (Estación Base) y las diferentes Estaciones Remotas (Unidades Suscritoras). AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 99 La elección de la ubicación de los puntos de control se hace atendiendo a la altitud, visibilidad y distancia del enlace. La ubicación de los puntos tendrá que ser confirmada en visitas de campo a los lugares elegidos. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 106 ● Tipos de Centro de control. Para configurar el centro de control existen distintas variantes para elegir: -Con Controladores SIMATIC S7-300 y S7-400. Esta solución esta disponible para centros de control menos complejos, en los que solo se requiere el estado actual de las estaciones. Mediante la introducción de comandos, es posible intervenir en el proceso de control de las estaciones. Con SINAUT ST7cc, centro de control integrado en PC y basado en WinCC. Este sistema de centro de control para SINAUT ST7 está especialmente orientado a eventos y la transmisión de datos con marca de tiempo (fecha y hora). Con SINAUT ST7sc, centro de control integrado en PC para interactuar con otros fabricantes a través de OPC. Usando "Data Access Interface" puede también interactuar con los centros de control de otros fabricantes. Este sistema tiene mecanismos que prevén la perdida de datos, ante fallos del cliente OPC. Como se ha indicado en el apartado 3.1, al tratarse de un Centro de control relativamente complejo se ha optado por configurar el Centro de control con SINAUT ST7cc integrado en PC y basado en WinCC, descartando la configuración con SINAUT ST7sc, ya que no es necesario interactuar con otros fabricantes. ● Tipos de Datos SINAUT A continuación pasamos a describir los distintos tipos de datos que permite SINAUT. Todos los datos que queramos transmitir a través de SINAUT deberán pertenecer a esta clasificación, que se ordena en función del tamaño del dato que queremos transmitir. Cada dato va asociado a una posición de memoria y todos los datos que creemos, bien sea en el emisor o en el receptor, deberán tener su homologo en el lado opuesto, y mediante funciones de recepción y envío transmitiremos la información entre los diferentes puntos de control. Tipo de Dato Denominación Descripción Message objects (Datos Binarios) Message objects Bin04B Dato binario de 4 bytes Analog value objects (Datos analogicos) Analog value objects Ana04W Dato Analógico con 4 Words. 1 Word equivale a 16 Bits. Counted value objects (Datos de contaje y parámetros) Counted value objects Cnt01D Dato Real. (1 Número Real equivale a 32 Bits). Counted value objects Cnt04D Dato con 4 Reales. (1 Número Real equivale a 32 Bits). Command objects (Comandos) Command objects Cmd01B Comando de 1 byte AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 107 Setpoint/parameter objects (Condignas y parámetros) Setpoint objects Set01W Valor de consigna (1 valor de consigna equivale a 16 bits) Parameter objects Part12D Un parámetro (1 parámetro equivale a 12DWords ó 48 bytes) Other Data Objetcs (Consignas y parámetros) Data objetcs Dat12D Dato con 12 DWords. (1 DWord son 32 Bits). Tabla 5.2.1-01. Tipo de Datos SINAUT ● Tipo de Funciones SINAUT A través del uso de las siguientes funciones, creamos los datos a enviar y posteriormente usando las funciones de envío y recepción, transmitiremos los datos de forma bidireccional desde el Centro de Control a las diferentes estaciones remotas. Nº función Nombre Funciones Auxiliares requeridas Descripción FB Blocks Funtion FB82 Bin04B_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un dato de 4 Bytes. FB83 Bin04B_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un dato de 4 Bytes. FB84 Dat12D_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un dato con 12 DWords. FB85 Dat12D_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un dato con 12 Dwords. FB92 Ana04W_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un dato analógico de 4 Words. FB93 Ana04W_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un dato analógico de 4 Words FB100 Cnt01D_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un dato “real” con 1 Dword. FB101 Cnt01D_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un dato “real” con 1 Dword. FB102 Cnt04D_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un dato “real” con 4 Dwords. FB103 Cnt04D_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un dato “real” con 4 Dwords. FB110 Cmd01B_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un comando de 1 byte. FB111 Cmd01B_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un comando de 1 byte. FB116 Set01W_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un valor de consigna (16 bits) . FB117 Set01W_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un valor de consigna (16 bits) . FB118 Par12D_S DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Envía un parámetro con 12 Dwords. FB119 Par12D_R DB127 BasicData, FC 123 Create, FC 126 Search Recibe un parámetro con 12 Dwords. FB124 SMS_Control DB127 BasicData, FC 123 Create,, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función para enviar mensajes SMS. FB125 PCom DB127 BasicData, FC 123 Create, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función de comunicaciones para gestionar conexiones a buses externos (utiliza SFCs WR_REC and RD_REC). FB126 XCom DB127 BasicData, FC 123 Create, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función de comunicaciones para gestionar conexiones sin configurar (utiliza SFCs X_SEND and X_RCV). FB127 BCom DB127 BasicData, FC 123 Create, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función de comunicaciones para gestionar conexiones configuradas (utiliza SFBs BSEND and BRCV). FC Functions FC113 PartnerMonitor DB127 BasicData, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función que permite obtener información de los suscriptores. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 108 FC114 Trigger DB127 BasicData, FC125 Diagnose Pone a uno una salida según un intervalo de tiempo definido FC115 PartnerStatus DB127 BasicData, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función que permite obtener información del estado de los suscriptores. FC116 Safe DB127 BasicData, Función que salva comandos y valores de consigna. FC117 PulseCounter DB127 BasicData, Función para adquirir 8 contadores de entrada. FC118 TestCopy DB127 BasicData, Función para chequear datos enviados y recibidos.. FC119 ListGenerator300 DB127 BasicData, Función que genera listas datos. Para versión S7-400. FC120 ListGenerator400 DB127 BasicData, Función que genera listas datos. Para versión S7-400. FC121 TimeTask DB127 BasicData, FC125 Diagnose Función para gestionar la sincronización de la CPU. FC122 Startup DB127 BasicData, Función para inicializar. FC123 Create DB127 BasicData, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función para crear mensajes y enviarlos al buffer. FC124 Distribute DB127 BasicData, FC125 Diagnose, FC 126 Search Función para distribuir los mensajes recibidos. FC125 Diagnose DB127 BasicData, Función para realizar diagnosticos. FC126 Search - Función para realizar busquedas. FC127 BasicTask DB127 BasicData, FC 123 Create, FC125 Diagnose, FB 125 PCom, FB126 XCom, FB127 BCom Función para manejar las tareas básicas SINAUT en la CPU. System function blocks SFB SFB12 BSEND - Función orientada a enviar datos a conexiones configuradas. SFB13 BRCV - Función orientada a recibir datos de conexiones configuradas. System functions SFC SFC0 SET_CLK - Activa “CPU Clock” SFC1 READ_CLK - Lee “CPU Clock” SFC20 BLKMOV - Copia variables. SFC22 CREAT_DB - Crea “data block” SFC23 DEL_DB - Borrar “data block” SFC24 TEST_DB - Chequea “data block” SFC25 COMPRESS - Comprime memoria. SFC46 STP - Activa “CPU to STOP” SFC52 WR_USMSG - Escribe un diagnostico SFC64 TIME_TCK - Lee “system time”. SFC65 X_SEND - Envía datos sobre una conexión sin configurar. SFC66 X_RCV - Recibe datos de una conexión sin configurar. Tabla 5.2.1-02.Tipo de Funciones SINAUT. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 109 ● Comunicación entre datos SINAUT Tanto en el Centro de Control como en las distintas estaciones remotas, se crean datos de acuerdo a los tipos de datos establecidos por SINAUT. Estos datos irán asociados a posiciones de memoria (DB), y a través de funciones de recepción y envío (FB), serán leídos y posteriormente escritos en estas posiciones. El programa SINAUT de la CPU, configurado con bloques de la librería SINAUT TD7, capta los datos de proceso que se van a transferir, comprueba si se han modificado y los transfiere a la TIM para la transmisión a través de la WAN. Los mensajes recibidos por la TIM, sin errores y a través de la WAN, se entregan a la CPU local. De forma opcional, a los datos registrados por TD7onCPU se les pueden asignar etiqueta de fecha y hora. También se permite identificar los datos muy importantes con la prioridad "Alarma". En el caso del PC de Control Central con (SINAUT ST7cc/ST7sc), los datos a enviar son transformados en mensajes de datos de acuerdo con la configuración ST7cc/ST7sc y transmitidos a la TIM principal con la dirección de destino configurada. Estos mensajes recibidos por las TIM de las estaciones remotas, a través de la WAN, finalmente se entregan al autómata de la estación remota. ● Direccionamiento y ordenación de datos SINAUT Una vez creados los datos SINAUT, pasaremos a transmitirlos a través de las funciones (Function Block, ver Tabla 5.2.1-02.Tipo de Funciones SINAUT). Cuando llamemos a dichas funciones, también deberemos aportar información sobre el lugar al que deseamos enviar o recibir dichos datos. Para esto, SINAUT asigna una serie de parámetros a los datos para que el direccionamiento y ordenación de los datos sea el correcto. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 110 Mediante el parámetro PartnerNo, se define el número de estación con la que se intercambiará el dato. Mediante el parámetro PartNerObjectNo, se define el número de dato que queremos transmitir. A parte de estos 2 parámetros, también puede ser requerido el parámetro TimeStamp, que etiqueta con fecha/hora los mensajes enviados. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 111 ● Estructura de un programa SINAUT A continuación se muestra la estructura tipo de un programa SINAUT. ● Sincronización mediante Fecha/Hora En los sistemas SINAUT ST7, es posible realizar una sincronización de fecha/hora unitaria de todos los participantes SINAUT. De esta forma, la información del proceso tiene marcas de tiempo unívocas. La sincronización se realiza de la siguiente forma: La fecha/hora se sincroniza a través del PC de Control Central con (SINAUT ST7cc/ST7sc). Es decir, el PC de Control Central es el reloj maestro para la TIM central que está conectada a este PC a través de Ethernet. Este PC también es el reloj maestro para las estaciones TIM de las estaciones remotas. El PC de Control central tiene que tener en este caso una fecha/hora exacta o el propio PC tiene un reloj vía radio o recibe la fecha/hora actual de un servidor NTP (Network Time Protocol). Es necesario llamar en el programa SINAUT de la CPU (TD7onCU) a la función "TimeTask" de la librería SINAUT, para que la CPU pueda recibir la fecha/hora actual de las TIM. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 112 5.2.2.- COMUNICACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES PUNTOS DE CONTROL. ● Transferencia de datos entre el Centro de Control y la Estación Remota Almenara En la figura (5.2.2-01) se muestra de forma gráfica el flujo de datos entre el Centro de Control y una Estación Remota Almenara. Para ver detalladamente la designación de variables y la implementación programada de esta tarea ver el Capítulo 6, apartado 6.2.5- FC40 COMUNICACIONES. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 113 ● Transferencia de datos entre el Centro de Control y la Estación Remota Toma En la imagen que se muestra a continuación podemos ver de forma gráfica el flujo de datos entre el Centro de Control y una Estación Remota Almenara. Para ver detalladamente la designación de variables y la implementación programada de esta tarea ver el Capítulo 6, apartado 6.3.4- FC40 COMUNICACIONES. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 114 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 115 CAPITULO 6 - DESCRIPCION FUNCIONAL DE PROGRAMACION En este apartado se recoge la descripción funcional necesaria para la programación de los PLCs de las estaciones remotas concernientes a este proyecto. El proyecto se circunscribe a un tramo de canal, limitado por dos almenaras, y una toma de abastecimiento. Las estaciones remotas se instalarán en cada una de las almenaras y en la toma. Esto implica la existencia de programas para: - La estación remota Almenara. - La estación remota Toma. Todas las estaciones se comunican con la estación Centro de Control, desde donde se controlan todos los procesos relativos a la infraestructura hidráulica. El programa de dicha estación no es cometido de este proyecto, sin embargo si se han empleado y asignado variables pertenecientes a este programa. Los programas no se han implementado en ningún lenguaje de programación concreto. La forma de presentar estos programas es mediante diagramas de flujo, fácilmente entendibles por cualquier programador. Esto permite transcribir los programas a los PLCs en el lenguaje más cómodo para los programadores. A su vez no delimita la aplicación de estos programas a un lenguaje y PLC concreto sino que permite su implementación en cualquier familia de PLCs de cualquier fabricante. En este caso se han empleado PLCs Siemens y por lo tanto las nomenclaturas y la estructuración está orientada a estos autómatas. ● Procesamiento cíclico El funcionamiento de los PLC es cíclico. El ciclo se divide en tres partes fundamentales: - Lectura de las entradas - Ejecución del programa - Escritura de las salidas El PLC antes de ejecutar el programa lee las entradas, después ejecuta el programa y finalmente escribe las salidas para posteriormente comenzar el ciclo de nuevo. Esto significa que no se activan las salidas durante la ejecución del programa y que no se ve afectado por un cambio en una entrada durante el ciclo. También es posible ejecutar un programa de forma periódica, es decir, que se ejecute cada cierto intervalo de tiempo. Se puede controlar la ejecución del ciclo esperando a una variable temporal (marca de ciclo) para iniciar de nuevo la ejecución del siguiente ciclo o escribiendo el programa en un bloque de organización periódico que se ejecuta cada cierto tiempo. Los autómatas Siemens están estructurados en diferentes bloques de programación. Los bloques principales donde tiene lugar esta forma de operar se denominan OB ( Organization Block , bloque de organización). Así el bloque principal de programa es el OB1, que se ejecuta cíclicamente. Dentro del OB1 se pueden escribir directamente las instrucciones del programa o se pueden llamar a otros bloques destinados a ejecutar subprogramas. Estos bloques se llaman FC AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 122 Esta área de memoria no afecta al funcionamiento normal del programa. Así pues cuando se establezca comunicación y la estación remota almenara reciba consignas y parámetros estos datos “pisarán” los datos del área de memoria remanente. En caso de arranque permanecen los últimos datos que se hayan escrito en dicha memoria. De esta forma se asegura un funcionamiento normal en caso de fallos, faltas de comunicaciones, e inicio del sistema después de la puesta en marcha. A este respecto debe ser durante la puesta en marcha donde se asignen valores a las marcas asignadas al área de memoria remanente. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 123 6.2.- PROGRAMACIÓN DE ESTACIÓN REMOTA (ALMENARA) Se describe a continuación el programa completo subdividido en sus correspondientes funciones. El bloque principal de programa OB1 engloba todas las funciones y rutinas necesarias para el funcionamiento de la almenara. 6.2.1- OB1, BLOQUE PRINCIPAL Este bloque es por defecto el que primero se ejecuta por el PLC, por lo tanto todo el programa se implementa en el mismo. Debido a la forma de trabajo de los PLCs de Siemens, en donde el bloque OB1 se ejecuta cíclicamente, se eliminan las operaciones de bucle, siendo el bucle el propio ciclo de programa. Se ha estructurado el programa en diferentes funciones para facilitar la programación y el mantenimiento del mismo. Cada función corresponde con una serie de operaciones a realizar como son comprobaciones de fallos, señales, cálculos, actuación, etc. El programa llamará a cada función desde el OB1 para volver al mismo cuando finalice dicha función. El programa comienza con la función de comunicaciones para solicitar todos los parámetros y consignas necesarias. La función de comunicaciones establece una recepción de datos que se hará efectiva al inicio de ciclo y un envío que se hará efectivo al final de ciclo, por lo tanto al iniciar el ciclo se dispondrá de las consignas y parámetros recibidos desde el Centro de Control. El envío de los fallos, las mediciones, etc, se ejecutará al finalizar el ciclo debido al procesamiento cíclico del PLC, explicado al inicio del capítulo 6 y en el capítulo 3, apartado 3.2.1 – PLC (Programmable Logic Controller). La siguiente operación es la comprobación de fallos de la estación remota almenara. Faltas de tensión, emergencias o intrusismos se consideran suficientemente importantes como para no ejecutar el resto del programa y comunicar dichos fallos al Centro de Control y al personal de mantenimiento mediante mensajes SMS. El resto de funciones de comprobación de señales no conllevan un salto de programa. El programa en su ejecución normal sigue por orden todas las funciones. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 124 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 125 6.2.2- FC10, FALLOS, EMERGENCIAS E INTRUSISMOS Esta función comprueba las entradas digitales destinadas a la detección de fallos eléctricos de sobretensiones, de alimentación de equipos, de activación del SAI, de la activación de la emergencia, de la señal de intrusismo y de las señales de fallo de los actuadores. Ver Anexo B. PLANOS, planos eléctricos de 103 a 116. ● Fallos Cada entrada digital tiene asociada un bit de marcas, de modo que si existe un fallo el bit asociado se pone a 1. De esta forma queda en memoria el fallo. Al final de la función se comprueba si hay alguna marca activada, de ser así se envían las variables al Centro de Control dando constancia a este de los fallos y emergencias surgidos y del estado de la almenara en el momento del fallo o emergencia. Además se envían mensajes SMS al personal de mantenimiento. Los fallos relacionados con sobretensiones, fallos de fase o asimetrías en la acometida, faltas de tensión en equipamientos, o emergencias activan además las lámparas de Fallo/Emergencia del cuadro eléctrico siguiendo un código de identificación. De esta forma el personal de mantenimiento puede averiguar rápidamente la causa del fallo. El código es el siguiente: Señal Lámpara Fallo Comp. Izq. Lámpara Fallo Comp. Dch. Sobretensión o Emergencia Luz Fija Luz Fija Fallo Fase, Asimetría Discontinuo consecutivo Discontinuo consecutivo No hay tensión en actuador Comp. Izq. Luz Fija Apagada No hay tensión en actuador Comp. Dch. Apagada Luz Fija No hay tensión de entrada en el SAI Destellos rápidos Destellos rápidos Fallo en SAI Intermitencia rápida Intermitencia rápida Fallo en alimentación de comunicaciones (PoE) Pulsos largos Pulsos largos ● Intrusismo Se entiende por intrusismo la apertura no autorizada del armario de la estación remota. La forma de detectar esta acción es mediante un final de carrera colocado en la puerta del armario de forma que cuando esta se abre da la señal de intrusismo (A1_M_INTRUSO). En el interior del armario existe un interruptor-cerraja para inhabilitar la señal de intrusismo (A1_M_NO_INTRUSO). Todo el personal de mantenimiento debe llevar consigo la llave que permite la desactivación del intrusismo, identificando así que la apertura del armario está autorizada. Dispone para ello de un tiempo predeterminado de 10 segundos. Las señales relacionadas con el intrusismo siguen una estructura diferente ya que conllevan una temporización. En el momento en que hay un flanco en la señal de intruso se inicia una temporización de 10 segundos. Si durante ese tiempo no hay una identificación mediante la señal “no intruso” se activará la marca A1_M_INTRUSO. La señal se enviará al Centro de Control y se saltará el resto de programa. Se expone a continuación el diagrama de flujo de la función FC10: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 126 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 127 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 128 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 129 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 130 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 131 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 138 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 139 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 140 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 141 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 142 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 143 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 144 6.2.4- FC30, LECTURA DE NIVELES. Esta función realiza la lectura de los niveles aguas arriba y aguas abajo de la almenara. Debido a la redundancia de medida es necesario realizar un cálculo y una vigilancia de valores para obtener una medida de nivel correcta. La función esta dividida en dos partes. Se tratan primero los valores relativos a aguas arriba de la almenara y posteriormente se trabaja con los valores aguas abajo. La medida de nivel se obtiene de la media aritmética del valor medido en ambos sensores de nivel, ultrasónico y piezorresistivo. Antes de realizar esta media se comprueba que la diferencia medida por ambos, la banda muerta, no exceda el valor consignado desde Centro de Control. ● Banda muerta Como medida de seguridad para cerciorarse del correcto funcionamiento de los sensores de medida se establece una banda muerta de nivel, es decir, si la diferencia entre ambas medidas (ultrasonidos – piezorresistivo) supera un determinado valor significará que uno de los dos sensores está funcionando incorrectamente, bien por una descalibración o por una avería. El valor de la banda muerta se decide en el Centro de Control. Si el cálculo de banda muerta supera el valor consignado se activa la marca A1_M_BM_SUP y el programa debe elegir entre uno de los sensores para asumir su medida como medida de nivel aguas arriba. La variable que determina qué sensor se elige como valido es CC_EA_AARR, consigna de entrada analógica para aguas arriba. Esta variable que se establece en el Centro de Control determinará el sensor del cual se tomará la medida de nivel. Valor de CC_EA_AARR Sensor 0 Ultrasonidos 1 Piezorresistivo El funcionamiento para la medida de nivel aguas abajo es idéntico al funcionamiento de la medida de nivel aguas arriba. En este caso la variable que determina el sensor es CC_EA_AABJ. AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 145 El diagrama de flujo es el siguiente: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 146 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DEL TRAMO DE UN CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Documento realizado por Raúl Muñoz y Ricardo Luis 147 6.2.5- FC40 COMUNICACIONES. Primero, pasamos a describir detalladamente los datos que son necesarios tanto enviar como recibir, desde la estación remota almenara. ● Datos a enviar por la Estación Remota Almenara al Centro de Control. FALLOS La estación Remota Almenara envía al Centro de Control 2 bytes de Fallos, de esta forma el personal de mantenimiento puede averiguar rápidamente la causa de los posibles fallos. En estos 2 bytes hay información sobre los fallos eléctricos de sobretensiones, accionamiento de distintos dispositivos y señales de intrusismo y emergencia. FALLOS DATO DESCRIPCIÓN NEMÓNICO M 0.0 SOBRETENSION 400VAC A1_M_SOBRET M 0.1 FALLO FASE/ASIMETRIA/NO R-S-T A1_M_FALLO_FASE M 0.2 DISYUNTOR COMPUERTA IZQ A1_M_NOv_COMP_IZQ M 0.3 DISYUNTOR COMPUERTA DCHA A1_M_NOv_COMP_DCH M 0.4 DISYUNTOR S.A.I. A1_M_NOv_SAI M 0.5 DISYUNTOR FUENTE ALIMENTACION A1_M_NOv_FA M 0.6 SEÑAL DE EMERGENCIA A1_M_EMERG M 0.7 DISYUNTOR F.A. COMUNICACIONES A1_M_NOv_FA_COM M 1.0 FALLO EN S.A.I. A1_M_FALLO_SAI M 1.1 BATERIA BAJA EN S.A.I. A1_M_BAT_BAJA M 1.2 S.A.I. EN MODO BATERIA A1_M_MODO_BAT M 1.3 SEÑAL DE INTRUSISMO A1_M_INTRUSO ESTADOS Mediante el envío de estos 2 bytes se obtiene el estado de las compuertas de las almenaras. El primer byte corresponde a la compuerta izquierda y el segundo a la compuerta derecha. ESTADOS DATO DESCRIPCIÓN NEMÓNICO M 2.0 COMPUERTA IZQ. CERRADA A1_M_COMP_CERR_IZQ M 2.1 COMPUERTA IZQ. ABIERTA A1_M_COMP_ABIER_IZQ M 2.2 FALLO EN COMPUERTA IZQ. A1_M_FALLO_COMP_IZQ M 2.3 PAR SOBREPASADO EN COMP. IZQ. A1_M_PAR_COMP_IZQ M 2.4 COMPUERTA IZQ. MANIOBRANDO A1_M_COMP_MANIO_IZQ M 2.5 COMPUERTA IZQ. EN MANUAL A1_M_MAN_IZQ M 2.6 COMPUERTA IZQ. EN AUTOMATICO A1_M_AUTO_IZQ M 3.0 COMPUERTA DCHA. CERRADA A1_M_COMP_CERR_DCH M 3.1 COMPUERTA DCHA. ABIERTA A1_M_COMP_ABIER_DCH M 3.2 FALLO EN COMPUERTA DCHA. A1_M_FALLO_COMP_DCH M 3.3 PAR SOBREPASADO EN COMP. DCHA. A1_M_PAR_COMP_DCH M 3.4 COMPUERTA DCHA. MANIOBRANDO A1_M_COMP_MANIO_DCH M 3.5 COMPUERTA DCHA. EN MANUAL A1_M_MAN_DCH M 3.6 COMPUERTA DCHA. EN AUTOMATICO A1_M_AUTO_DCH DEFECTOS Se envían 2 bytes al Centro de Control. Mediante este envío se detectan defectos en el sistema, entendiendo por defecto el fallo de una señal vigilada por tiempo.