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RED DE TOMA DE DATOS Y TELEMANDO DEL CANAL DE ISABEL II

Juan I. Zubizarreta

Canal de Isabel II

_________________________________________________________________________________________ 1. INTRODUCCIN El agua potable es un elemento escaso, variable en aportacin y de primera necesidad, relacionado tanto con el medioambiente como con el desarrollo social e industrial. La gestin que realizan las empresas, como es el caso del Canal de Isabel II, requiere elevados niveles de eficacia y eficiencia que no pueden lograrse sin un adecuado sistema de monitorizacin remota que haga posible un seguimiento del sistema hidrulico disperso en una gran rea geogrfica. 2. OBJETIVOS En este artculo se pretende realizar una descripcin y transmitir los principios de operacin del sistema de monitorizacin y control del Canal de Isabel II, as como ciertos conceptos relacionados con el sector del agua. 3. DESCRIPCIN 3.1 EL CANAL DE ISABEL II La actividad del Canal de Isabel II se centra en el ciclo integral del agua. Bsicamente supone el conjunto de los procesos de captacin, produccin de energa hidroelctrica, tratamiento, transporte distribucin y comercializacin del suministro agua potable en cantidad y calidad adecuadas a la poblacin; y una vez hecho esto se encarga de la depuracin de las aguas residuales a fin de devolverla a los cauces de los ros en condiciones similares a las que fue obtenida de ellos. La empresa matriz del grupo tiene su mbito de competencia en la Comunidad de Madrid, abasteciendo a una poblacin de ms de cinco millones de habitantes. La empresa Canal de Isabel II fue creada en 1851. En aquellos tiempos la poblacin de Madrid era de 200.000 habitantes y las fuentes de agua se basaban en un conjunto de minas de origen rabe que llegaban a proporcionar 7 litros por habitante y da; esta escasez unida al hecho de la no existencia de redes de saneamiento provocaban, como no era raro en las grandes ciudades de aquellos tiempos, problemas importantes de salud pblica.

Atazar

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El problema lleg a ser tan grave que oblig a considerar el traslado de la capitalidad de la nacin a otra urbe con mayor abundancia de recursos hdricos. La solucin pasaba por utilizar los ros de la sierra Madrilea creando embalses de regulacin y almacenamiento y transportando el agua por medio de un canal. Las obras llevadas a cabo, que hoy en da seran muy costosas, en aquella poca resultaron de proporciones sin precedentes. Puesto que la infraestructura de mayor envergadura era un canal de transporte, en honor a la reina regente, la empresa fue llamada Canal de Isabel II. Hoy en da, adems de ser la empresa pblica ms antigua de Espaa es moderna, suministra agua gestionando su ciclo integral para 164 municipios dispersos en los ms de 8.000 Km2 de la Comunidad de Madrid a travs de 10.200 km de tuberas para una poblacin por encima de los 5 millones de habitantes que consumen 300 litros por habitante y da; adems se depuran las aguas residuales de ms de 160 municipios. Como fuente principal de recursos hdricos cuenta con 14 embalses, localizados en 7 ros, que proporcionan una capacidad mxima de 946 hm3 para un consumo medio anual de 576 hm3. 3.2 EL AGUA Volviendo a la visin retrospectiva, una vez que Madrid fue abastecido por agua potable en cantidad y calidad adecuadas aument la demografa as como el consumo. En los datos histricos disponibles desde 1858 se aprecia una tendencia continua de crecimiento con algunas variaciones debidas a los comportamientos en pocas de escasez. El reparto del consumo entre la poblacin creci con bastante rapidez con una tendencia a una estabilizacin a valores cercanos a los actuales 300 litros por persona y da. Casi toda el agua susceptible de utilizacin por el ser humano tiene su origen en las lluvias y una de las principales caractersticas de las mismas es su variabilidad, lo que hace que en ciertos aos las aportaciones sean menores que la demanda En tales momentos el CYII utiliza recursos alternativos constituidos, principalmente por el trasvase desde la cuenca del ro Alberche y la utilizacin de aguas subterrneas. Ambos recursos requieren costes elevados por bombeos, son limitados en cantidad y en el caso de las aguas subterrneas requieren un periodo largo de regeneracin. Un aspecto de inters relacionado con el agua lo constituye su precio. Si bien ste ha ido aumentando con el tiempo, su efecto neto sobre la economa familiar ha ido decreciendo. Para realizar un ejercicio de valoracin sobre el precio del agua, podemos emplear un valor de referencia de cerca de un euro por metro cbico, es decir, por 1000 litros de agua. En el caso del CYII esto implica llevar hasta el propio domicilio del cliente 1.000 Kg de producto obtenido desde ms de 80 Km, adecuadamente tratado y, una vez utilizados, gran parte de ellos son recogidos del mismo domicilio depurado y devuelto a los cauces de los ros. Al contrario del resto de los productos y bienes, el precio del agua penaliza el exceso de utilizacin de manera que ste es mayor cuanto mayor sea el consumo. Adems, la empresa realiza campaas de concienciacin para animar al uso responsable y, en definitiva, a la reduccin del consumo.

0

100

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1858

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1957

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1997

Consumo total en hm3 desde 1858

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3.2 EL SISTEMA DE TELECONTROL En el CYII se conoce como Telecontrol al sistema de monitorizacin permanente de la red hidrulica y telemando. Es una actividad tecnolgica multidisciplinar que el CYII utiliza para monitorizar y de este modo poder conocer el estado hidrulico de sus instalaciones.

Los requisitos de gestin que la amplitud del sistema y complejidad de las redes hidrulicas requieren con sus embalses, canales y conducciones, plantas, etc., as como los requisitos de calidad y seguridad del abastecimiento, hacen obligado la existencia de un sistema que permita disponer de informacin veraz y actualizada a fin de tener la seguridad que el complejo e interrelacionado conjunto de procesos se realizan de forma coordinada, segura y ptima. Para ello, el telecontrol es la herramienta indispensable. El concepto de telecontrol en el CYII naci a finales de la dcada de los 70. Desde entonces, la obligada evolucin de la tecnologa electrnica, informtica y de comunicaciones,

as como las cada da mayores necesidades de cantidad, calidad e inmediatez en informacin exigen una constante y permanente actualizacin y modernizacin. En la actualidad se est controlando las siguientes instalaciones:

? ? Aduccin de agua a Madrid. Desde los 14 embalses y 50 pozos de captacin de aguas subterrneas hasta los depsitos urbanos de regulacin.

? ? Aforos. Puntos singulares de medida de caudal en canales y ros. ? ? Auscultacin de presas. Medida de parmetros de auscultacin y control estructural de presas. ? ? Infraestructuras municipales de abastecimiento. Supervisin de 140 depsitos, elevadoras,

reductoras de presin y chimeneas de equilibrio de la red de abastecimiento de los Municipios de la Comunidad de Madrid.

? ? Redes de distribucin y nudos neurlgicos. Agua entregada a las redes de distribucin y control sobre las principales arterias

? ? Meteorologa. Informacin sobre precipitacin, temperatura y humedad relativa en todos los embalses controlados por el CYII y en distintos puntos caractersticos de la Comunidad de Madrid (cuencas intermedias).

? ? Calidad de agua. Control sobre la cantidad de cloro, amonio, nitritos y sobre los valores de pH y conductividad del agua entregada a los depsitos y en las redes de transporte.

? ? Minicentrales hidroelctricas. Control sobre las magnitudes elctricas, hidrulicas y de produccin de las minicentrales.

Centro Principal de Control

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3.2.1 ESTRUCTURA Y COMPOSICIN De manera simplificada el Telecontrol se compone de dos mundos:

? ? Centro Principal de Control (CPC), junto con el software, que

acta como de centro de recepcin, anlisis, seguimiento, clculo, emisin de rdenes, etc.

? ? Instalaciones de campo que comprenden sistemas de comunicaciones, autmatas de control, los propios instrumentos de medida y los sistemas de alimentacin elctrica

Las instalaciones de campo se encuentran organizadas en estaciones de las que hay ms de 250 en toda la Comunidad de Madrid. Cada estacin tiene asociado un conjunto de entre 8 y 80 instrumentos en un entorno inmediato o de unos 2.000 m de radio como mximo. La conexin entre las estaciones y el Centro Principal de Control se realiza mediante la red troncal de comunicaciones en configuracin de anillo o bien mediante el apoyo de sistemas de telefona mvil de la compaa. Por regla general cada estacin puede comunicarse con el centro por vas alternativas. El tiempo de refresco de la informacin es dependiente de la estacin, de su criticidad, tipo y modo de comunicaciones empleado. Bsicamente existen dos grandes grupos, uno con 30 segundos de refresco de la informacin y otro con 15 minutos. 3.2.2. EL CENTRO PRINCIPAL DE CONTROL (CPC) Constituye el pice del modelo del telecontrol. Es una sala en la que 24 horas al da, 365 das al ao un mnimo de dos personas supervisan la informacin recibida y la gestionan de acuerdo a los planes de explotacin hidrulica, comprobando el perfecto estado de los sistemas y actuando ante la presencia de alarmas o desviaciones sobre lo previsto. El aspecto fundamental de la operacin del CPC lo constituye el software. Un sistema Scada comercial realiza las labores estndar de adquisicin de la informacin de campo concentrada en los autmatas programables, el almacenamiento de los mismos en su base de datos en tiempo real y la presentacin de la informacin al operador mediante imgenes grficas donde se visualizan los esquemas hidrulicos de las instalaciones junto con los valores recibidos de los captadores y las alarmas generadas. En la actualidad, hay dibujadas ms de 250 imgenes distintas por las que se puede navegar a travs de un sistema de mens desplegables y por medio de enlaces directos entre los esquemas relacionados, que permiten seguir el recorrido del agua a lo largo de las conducciones. Por encima del dicho sistema se ha desarrollado internamente en el CYII un software hidrulico especfico que se encarga del tratamiento de la informacin siendo sus principales caractersticas son las siguientes:

? ? Est basado en la programacin de maniobras y acciones sobre el sistema hidrulico as como en la generacin de alarmas y avisos ante cualquier situacin no prevista por el operador en la explota-cin del complejo hidrulico. Entre otras cosas tiene en consideracin los gradientes (variaciones bruscas de las medidas de campo), la superacin de lmites de explotacin, las maniobras no previstas en vlvulas o compuertas, la variacin en los caudales consigna de explotacin, las

Instrumentacin

Control

Comunicaciones

Software

CPC

Energa elctrica

Modelo jerrquico

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rdenes de maniobras no ejecutadas, los vertidos y sobrepresiones, as como las posiciones incorrectas de cierres (de guarda o de seleccin).

? ? Realiza un tratamiento distinto de la informacin dependiendo del tipo de medida o seal recibida

(caudalmetro, manmetro, estado de vlvulas, etc.) y de su posicin, o funcin, en el sistema hidrulico (caudalmetro en salida a la red de distribucin, caudalmetro en conduccin de trans-porte, etc.) estableciendo los controles necesarios (alarmas), que sern distintos para cada tipo.

? ? Sistematiza la deteccin de posibles fallos en los captadores, encaminado a la eliminacin de

valores errneos que podran ser usados como datos histricos. De esta forma se ayuda, tambin, al mantenimiento de las instalaciones.

? ? Sistematiza el ajuste de la formulacin hidrulica utilizada para el clculo de caudales circulantes

por cada elemento de regulacin, y en las estaciones de aforo de los canales, en funcin de su tipologa (compuerta sector, vlvula de chorro hueco, compuerta canal, etc.) y de las condiciones hidrulicas del entorno (desage libre/desage inundado).

? ? Gestiona una base de datos histrica.

El flujo de informacin

Teniendo como origen la informacin que proporciona la instrumentacin de campo, el Centro Principal de Control (CPC) se contempla como centro neurlgico y destino principal de la informacin que recibe, gestiona, analiza, almacena y trata. Este centro tambin facilita informacin a otros usuarios o destinos dentro de la empresa, tales como

? ? Intranet. Todos los das a las 9:00 de la maana se genera un boletn con los datos hidrulicos ms identificativos del da anterior, que pueden visualizarse desde cualquier ordenador de la empresa a travs de la Intranet. Adems, se puede obtener la misma informacin para cualquier da de los cinco aos anteriores.

? ? Data Warehouse. Adems de la informacin que para todos los usuarios pueda obtenerse a travs

de la Intranet, hay otro tipo de informacin ms especfica dirigida a los responsables de la explotacin general. Dicha informacin permite anlisis grficos complejos y correlacin de parmetros.

? ? Monitores remotos. Comnmente llamados CPCillos permiten a los responsables de centros de

explotacin ubicados en cualquier emplazamiento del Canal de Isabel II disponer de la misma informacin que el C.P.C. est gestionando, permitiendo tener visiones a la vez concretas y globales del rea de su influencia y de conjunto general.

? ? Otras Aplicaciones.- La informacin del C.P.C. se enva automtica y permanentemente a un

conjunto de aplicaciones informticas a las que alimentan datos, tales como la pgina web, diversos modelos de la red de explotacin y de distribucin y al sistema de informacin geogrfica (GIS)

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3.2.3. LAS INSTALACIONES EN CAMPO Las instalaciones de campo de Telecontrol pueden ser representadas adecuadamente a travs de un modelo que relaciona los cuatro elementos o sistemas constitutivos, que se describen a continuacin. Comunicaciones

Las comunicaciones posibilitan la transmisin de informacin de y desde los autmatas de control de las estaciones de campo con los sistemas del Centro Principal de Control. La dificultad del Canal de Isabel II al respecto radica en que sus centros de inters hidrulico estn dispersos por la prctica totalidad de la Comunidad de Madrid (ms de 8.000 Km2) y la mayor parte de ellos se encuentran en zonas no urbanas sin infraestructura de comunicaciones pblica o privada existente, por lo que es necesario la presencia de una red de comunicaciones especfica para estos fines. Adems, dicha red ha de tener unas caractersticas de redundancia y seguridad que la hagan muy fiable en cualquier circunstancia. En el CYII esto se logra mediante una Red de Comunicaciones digital, basada en 12 anillos de tramas de 34x2 Mbps con 82 nodos o estaciones en los principales puntos de inters de la Empresa en toda la extensin de la Comunidad de Madrid. La conexin entre los nodos se realiza o bien por cables de fibra ptica instalados en paralelo a los canales y grandes conducciones o por enlaces de microondas en la banda de 18 GHz. La topologa

de anillo empleada asegura caminos alternativos de forma automtica en caso de fallo del principal, esto unido a los planes existentes de mantenimiento proporcionan una disponibilidad mejor que el 99,96%, obtenindose as unos niveles de servicio adecuados. Aunque la necesidad de transmitir informacin generada por los sensores hasta un centro de control fue la gnesis del sistema de comunicaciones del CYII y supone una de sus principales tareas, es cierto que en la actualidad tal necesidad supone un porcentaje nfimo en cuanto a la capacidad de la red de comunicaciones, ya que tambin es empleada para la transmisin telefnica (2.000 telfonos privados), la transmisin de datos entre ordenadores (1.100 ordenadores personales) y la telefona mvil (2 sistemas trunking). Muchas de las estaciones de Comunicaciones lo son tambin de Telecontrol; en tal caso la transmisin se realiza por canales dedicados dentro del sistema. Cuando no se da esta coincidencia, como est ocurriendo en la mayora de las implantaciones de los ltimos aos, se emplean los sistemas de telefona mvil propios, que implican una

capa tcnica adicional obtenindose una gran flexibilidad en cuanto a la ubicacin. El Sistema de Comunicaciones dispone de un Sistema de Telesupervisin con el que se realiza un seguimiento las 24 horas al da que hace posible la configuracin y monitorizacin remota de los distintos elementos que componen la red.

CONTROL

INSTRUMENTOS

ENERGA

COMUNIC.

Modelo de las instalaciones en campo

Estacin de Comunicaciones

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Control En cada estacin un autmata programable se encarga de:

? ? La adquisicin de datos de los instrumentos correspondientes a dicha estacin, a su pretratamiento y acondicionamiento

? ? La transmisin con el Centro Principal de Control a travs del sistema de comunicaciones. ? ? Las automatizaciones y regulaciones locales ? ? Gestin local de telemandos ? ? Visualizacin local de la informacin

Los sensores o instrumentos les hacen entrega de su informacin centralizando de este modo la de un conjunto, en base a criterios geogrficos. La conexin entre los sensores y los autmatas histricamente se realizaba mediante cables de pares de algunos de cientos de metros por donde se transmita corriente analgica en el rango de 4 a 20 mA proporcional al valor fsico de la medida. La tendencia hoy en da consiste en que dicha conexin se realice mediante bus de fibra ptica de manera digital mejorando los errores de conversin y proporcionando separacin galvnica. En los telemandos los autmatas cumplen, tambin, la funcin del control coordinado, de acuerdo a estrictos criterios de seguridad de todos los parmetros medidos y de la actuacin de motores de accionamiento de vlvulas y compuertas. En los casos en los que las estaciones no cuentan con energa elctrica el autmata empleado no es un producto comercial sino un desarrollo propio orientado a la operacin intermitente y manejando el encendido y apagado completo de la estacin. Instrumentacin

Conjunto de sensores que, agrupados en estaciones, se encargan de medir determinados parmetros, entre los que cabe destacar:

? ? Presin, en el rango de 1 a 15 atmsferas mediante procedimiento piezoresistivos. ? ? Caudal, mediante caudalmetros ultrasnicos por tiempo de trnsito y electromagnticos ? ? Nivel de embalses, mediante equipos de variacin de frecuencia de resonancia, con precisiones del

1 por mil ? ? Nivel de depsitos y canales mediante dispositivos de radar ultrasnico. ? ? De auscultacin, extensimetros, pndulos, aforos, piezmetros, termo resistencias. ? ? Posicin de vlvulas y compuertas, mediante un conjunto de equipos basados en principios de

medida digital de movimiento angular, potenciomtricos y de capacidad diferencial ? ? Fsico-qumicos, para Cloro, Amonio, Nitritos, pH, Conductividad y Turbidez ? ? Finales de carrera y medidas digitales de alarmas elctricas y mecnicas.

Todos ellos son equipos electrnicos profesionales de elevado coste, precisin y adecuados para trabajar bajo unas estrictas condiciones ambientales.

En la actualidad, el Sistema de Telecontrol dispone de 5.000 instrumentos de medida. La tasa de incorporacin anual de instrumentos al telecontrol es de 700, coincidente con los planes de 4 a 5 aos de implantacin en marcha

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Uno de los aspectos ms destacables del sistema de instrumentacin radica en su mantenimiento. El hecho de que estos elementos electrnicos se encuentren en lugares desatendidos y en entornos agresivos hacen que la actividad de su mantenimiento constituya una labor fundamental. Sin embargo hay dos aspectos que inciden considerablemente sobre el correcto funcionamiento de los instrumentos, uno es la alimentacin elctrica y el otro las tormentas atmosfricas. Una medida del nivel de dicho mantenimiento lo constituye la disponibilidad de la instrumentacin que definimos en relacin al porcentaje medio diario de sensores fuera de servicio, siendo actualmente del 3,6%, lo que implica una disponibilidad de 96,4%. Energa elctrica Al ser electrnicos todos los equipos requieren de energa elctrica para su funcionamiento. En ciertas instalaciones tales como embalses, plantas o nudos importantes, esto no supone ningn problema. La situacin no es la misma en puntos de menos relevancia pero de inters hidrulico y ubicados lejos de zonas urbanas y dispersos por un toda el rea de accin del CYII. En tales casos el problema de disponer de energa elctrica para alimentar los equipos de medida, de control y de transmisin es tal que determina el diseo de la estacin empleando paneles solares de pequeas dimensiones (del rea equivalente de una hoja DIN A4 A3) y tcnicas de funcionamiento intermitente que reducen a menos de una dcima parte sus necesidades energticas. En todas las instalaciones la energa elctrica de red se convierte en corriente continua a 48V, 24V 12V emplendose grupos de bateras para asegurar el servicio en caso de fallo que proporcionan autonomas de 20 horas a varios das. En algunas instalaciones se emplean, adems, onduladores para volver a generar 220Vac para alimentar equipos alejados. El sistema elctrico es crtico en el sentido que sin energa elctrica no puede funcionar ningn otro equipo y requiere atencin especial en cuanto al mantenimiento 3.3 MANTENIMIENTO La actividad de mantenimiento del Sistema de Telecontrol se realiza con personal propio que desarrolla tres tipos de funciones distintas:

? ? Mantenimiento en campo de aquellos equipos que requieren atencin, en funcin del anlisis conjuntos con el CPC.

? ? Diseo y tareas de oficina tcnica para la redaccin de pliegos de obras a realizar, ya sean nuevas instalaciones o remodelacin de existentes. La mayor parte de las mismas se subcontratan.

? ? Seguimiento de las actividades de empresas contratistas. La coincidencia de los tres tipos de actividades sobre el mismo grupo de tcnicos genera sinergias al competer al mismo equipo humano el ciclo completo de diseo de la instalacin, seguimiento de la implantacin y mantenimiento. 3.4 TENDENCIAS Y FUTURO Las descripciones anteriores intentan transmitir una imagen a da de hoy del Sistema de Telecontrol. Pero dicha imagen es dinmica, en permanente modificacin y adaptacin a las necesidades. Bsicamente hay dos pticas en cuanto al futuro del sistema:

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? ? La permanente mejora de los sistemas e instalaciones existentes. A este aspecto corresponden las lneas de trabajo de modernizacin cuyo principal proyecto en las grandes instalaciones es el empleo de buses de datos de fibra ptica desde los sensores o instrumentos hasta los autmatas de control eliminando el uso de los pares de cobre. Con esto se consiguen menores errores y, sobre todo, mejorar la disponibilidad.

? ? Las nuevas instalaciones. La mayor parte

de instalaciones que se realizan en los ltimos aos se refieren a estaciones pequeas, la tendencia es a continuar los ritmos de instalacin, incluso a reducir el tamao o complejidad de la instalacin y medir cada da ms cerca del usuario final. Todo esto supone un permanente aumento en el nmero de instrumentos a emplear; est previsto llegar a los 7000 en un periodo de 2 a 3 aos ms.

Relacionado con las nuevas instalaciones y concretamente con las que se acometern en los prximos aos, se han iniciado planes de I+D para buscar mejores soluciones a ciertas cuestiones tcnicas que limitan futuros proyectos. Uno de dichos planes consiste en la fabricacin de mini-generadores elctricos a fin de obtener electricidad en pequeas cantidades pero suficiente para alimentar equipos de medida a partir de las propias conducciones hidrulicas, de manera que no haga falta acometida elctrica ni paneles solares. Otro versa sobre las posibilidades de emplear el agua en las propias conducciones como medio de comunicacin de datos entre autmatas, a modo de gua de ondas de ultrasonidos, a fin de no tener la necesidad de emplear cables ni enlaces de radio.

10002000300040005000

198519861987198819891990199119921993199419951996199719981999200020012002

Evolucin del N de instrumentos instalados