SCADA para la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. Tesis presentada en opción al título de Máster en Automática y Sistemas Informáticos SCADA para la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara. Autor: Ing. Samy Brito Barroso. Tutor: Dr C. Roberto Luis Ballesteros Horta. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. Tesis presentada en opción al título de Máster en Automática y Sistemas Informáticos SCADA para la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara. Autor: Ing. Samy Brito Barroso E-mail: [email protected]. Tutor: Dr C. Roberto Luis Ballesteros Horta Prof. Titular, Dpto. Automática y Sistemas Computacionales, Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV. E-mail: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución”.

(3) i. PENSAMIENTO. “(..) El mundo es un templo hermoso, donde caben en paz los hombres todos de la tierra, porque todos han querido conocer la verdad, y han escrito en sus libros que es útil ser bueno, y han padecido y peleado por ser libres, libres en su tierra, libres en el pensamiento.” José Martí.

(4) ii. DEDICATORIA. A mi familia… A mis amigos… A los compañeros de trabajo….

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá y mi papá por todo su esfuerzo. A Gilberto y Margarita por toda su preocupación y confianza, a sus niños también por alegrarme los días. A mi novia y su familia por todo el apoyo. A mis compañeros de trabajo por seguir empujándome hasta aquí. A mi tutor por todo lo que me enseñó, para toda la vida. A mis amigos del alma, Yandrek, Reinier, Jaime y Yosley. A todos los que de una forma u otra me han ayudado a llegar hasta aquí. GRACIAS..

(6) iv. RESUMEN. La rehabilitación y modernización que se acomete en las infraestructuras hidráulicas de las principales ciudades del país, necesita el desarrollo de tecnologías que apoyen el correcto funcionamiento de esta y posibilite el ahorro de importantes recursos como son el agua y la energía eléctrica. Se toma como caso de estudio la red de abasto de agua a la ciudad de Santa Clara que se rehabilitará en un período de tres años a partir del 2016. La tecnología propuesta a instalar garantiza la correcta adquisición de las principales variables. Se diseña la red de comunicación entre las diferentes estaciones que conforman la infraestructura y el puesto de mando de la empresa de acueducto. La decisión de realizar un SCADA en software libre viene determinada por el alto costo de licencia para operar con software propietario. La aplicación de este trabajo logra una mejor explotación de los equipos ya existentes, así como una respuesta más rápida ante cualquier avería, además es aplicable a cualquier red de abasto en otra ciudad..

(7) v. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1. 1.1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS .......... 5. Introducción a los Acueductos y Alcantarillados..................................................... 5. 1.1.1. Papel de la automatización en el empleo racional del agua .............................. 6. 1.1.2. Estaciones que conforman un sistema de abasto de agua ................................. 7. 1.1.3. Estudios de automatización de los sistemas de abasto de agua ........................ 8. 1.1.4. Experiencia cubana en la modernizacion de los sistemas de abasto de agua ... 9. 1.2. Sistemas de supervisión ......................................................................................... 12. 1.2.1. Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ..................... 13. 1.2.2. Evolución de los sistemas SCADA ................................................................ 14. 1.2.3. Principales elementos y funciones de los sistemas SCADA .......................... 15. 1.2.4. Principales software para el diseño de sistemas SCADA ............................... 19. 1.2.5. Ejemplos del uso de los SCADA en sofware libre ......................................... 20.

(8) vi 1.2.6 1.3. Ejemplos del uso de los SCADA en las redes de abasto de agua ................... 21. Las comunicaciones en los procesos industriales .................................................. 24. 1.3.1. Sistema de comunicación................................................................................ 25. 1.3.2. Comunicaciones inalámbricas ........................................................................ 25. 1.3.3. Desarrollo de los sistemas de comunicación móviles ..................................... 26. 1.3.4. Comunicaciones mediante GPRS ................................................................... 27. 1.3.5. Las comunicaciones en los SCADA ............................................................... 28. 1.4. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 29. CAPÍTULO 2. 2.1. Infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara ........................................... 30. 2.1.1 2.2. ARQUITECTURA DEL SCADA ÄGUAS SANTA CLARA¨ ............ 30. Variables a medir en el sistema ...................................................................... 34. Sensores y actuadores a utilizar ............................................................................. 36. 2.2.1. Medición de la presión del agua en la línea .................................................... 37. 2.2.2. Medición del flujo de agua ............................................................................. 37. 2.2.3. Medición del nivel de agua en los tanques ..................................................... 38. 2.2.4. Medición de los parámetros eléctricos en las estaciones de bombeo ............. 39. 2.2.5. Válvulas a utilizar en los registros distribuidores ........................................... 39. 2.3. Sistema de comunicación ....................................................................................... 40. 2.3.1 2.4. Servicio GPRS ................................................................................................ 41. Selección del Autómata Programable a utilizar ..................................................... 43. 2.4.1. Facilidades en la utilización de los TBox ....................................................... 45. 2.4.2. TBox MS......................................................................................................... 46. 2.4.3. TBox Lite ........................................................................................................ 46. 2.4.4. TBox Gateway ................................................................................................ 46.

(9) vii 2.4.5 2.5. Módulos del TBox a utilizar ........................................................................... 47. El software para el diseño del SCADA .................................................................. 49. 2.5.1. Selección del software en plataforma libre ..................................................... 49. 2.5.2. Requisitos funcionales y no funcionales del sistema ...................................... 50. 2.5.3. Variables y alarmas del sistema ...................................................................... 51. 2.6. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 52. CAPÍTULO 3. 3.1. SCADA ÄGUAS SANTA CLARA¨ ..................................................... 53. Las estaciones de trabajo ........................................................................................ 53. 3.1.1. Estaciones de bombeo ..................................................................................... 54. 3.1.2. Estaciones de tratamiento ............................................................................... 55. 3.1.3. Registros distribuidores .................................................................................. 56. 3.2. Las comunicaciones entre los elementos de la infraestructura hidráulica ............. 57. 3.2.1. Esquema de comunicación en las estaciones .................................................. 57. 3.2.2. Esquema general de comunicación ................................................................. 58. 3.3. Interfaz Hombre Máquina ...................................................................................... 60. 3.3.1. Pantallas principales ....................................................................................... 60. 3.3.2. Pantallas de las estaciones .............................................................................. 61. 3.3.3. Pantallas de alarmas y de históricos ............................................................... 62. 3.3.4. Pantallas de horas de trabajo de los motores .................................................. 64. 3.4. Prueba de comunicación entre el autómata TBox Gateway y la computadora ...... 65. 3.5. Valoración económica y medioambiental .............................................................. 67. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 71 Conclusiones ..................................................................................................................... 71 Recomendaciones ............................................................................................................. 72.

(10) viii REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 73 ANEXOS .............................................................................................................................. 82 Anexo I. Listado de las variables transmitidas por el analizador de red ....................... 82. Anexo II. Descripción de los módulos del TBox MS ................................................. 83. Anexo III. Descripción del TBox Lite 200-GE ............................................................ 88. Anexo IV. Esquema de programación de las estaciones .............................................. 89. Anexo V. Jerarquía de pantallas del Proyecto Abasto de Agua .................................. 92. Anexo VI. Estimación de gastos en equipamiento ....................................................... 93.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Villa Clara (EAAVC), perteneciente al Grupo Empresarial de Acueducto y Alcantarillado (GEAAL) del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH) es una empresa de servicios de ingeniería. Trabaja básicamente para satisfacer las necesidades de suministro de agua potable y la evacuación de aguas negras y pluviales al sector residencial y estatal. Sus principales acciones contribuyen al mantenimiento de las condiciones higiénico-sanitarias y a la preservación del medio ambiente, con el correspondiente uso racional de los recursos energéticos e hídricos. Los sistemas de supervisión y control permiten realizar la monitorización en tiempo real de las variables operativas, así como enviar órdenes de mando para realizar el encendido remoto de bombas, el accionamiento de válvulas y en general la manipulación de elementos en las estaciones. El uso de esta tecnología ha demostrado muchas ventajas entre las que se destacan: tener control de todas las variables operativas y de los parámetros de calidad, obtener un aumento significativo en la confiabilidad de los procesos técnicos y lograr una disminución del tiempo de respuesta ante fallas (Izaguirre, 2012). Cuba es uno de los pioneros en el desarrollo de políticas de manejo sostenible de los recursos hídricos. Desde 1960 se ha aumentado la cantidad de agua embalsada, procedido a la rehabilitación de centenares de kilómetros de redes de abastecimiento de agua, creado innumerables plantas de tratamiento de residuales, así como construido y reparado acueductos, todo en estrecha relación con el desarrollo científico y tecnológico para lograr el manejo eficiente y con la menor pérdida posible..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. La gestión de un bien tan escaso, limitado y de alta demanda como es el agua, el control de la disponibilidad de este recurso, la seguridad y la fiabilidad tanto en el abastecimiento como en el control de su calidad, la complejidad y dispersión de las instalaciones, hace necesaria la implantación de modernos sistemas de gestión, operación y control del recurso hídrico. Nuestro país ha realizado un gran esfuerzo por automatizar algunos sistemas de abasto de agua, se puede mencionar el proyecto emprendido por Aguas Varadero, Aguas de La Habana, el acueducto de Santiago de Cuba y más recientemente los estudios de automatización realizados en el polo turístico Cayo Santa María, de la provincia Villa Clara (Curbelo, 2015), (Rabanillo, 2015), (Miranda et al., 2015), (Rodríguez et al., 2015), (Castillo, 2011), (Berasategui, 2012), (Valdivia, 2013). La infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara presenta un deterioro técnico significativo que provoca afectaciones en el suministro y la calidad del agua. Lo más significativo del problema consiste en el ciclo de bombeo que en algunas zonas alcanza los 16 días y la calidad del agua que apenas cumple con los parámetros mínimos de consumo. Los años de continua explotación y la carencia de mantenimiento propician una situación desfavorable para la infraestructura, es por eso que en el 2016 se inicia una reparación capital, la cual abarca desde los conductos de transmisión hasta los medios técnicos necesarios para su operación. Esta reparación parte de una inversión que hace el INRH para revitalizar el suministro de agua a la cuidad, la misma está comprendida hasta el 2019. La EAAVC no tiene especialistas capaces de diseñar un sistema que garantice una explotación eficiente de la tecnología a instalar. El problema científico radica en: las infraestructuras hidráulicas de la ciudad de Santa Clara no cuentan con el equipamiento necesario para medir, trasmitir, visualizar y controlar los parámetros técnicos de las estaciones. Esto provoca una explotación ineficiente de la red de abasto de agua evidenciado en el gasto innecesario de agua y energía eléctrica cuando se produce una avería en alguna de las conductoras. Como objetivo general se propone: “Diseñar un SCADA para la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara, que permita hacer un uso más eficiente de los recursos hídricos y energéticos”..

(13) INTRODUCCIÓN. 3. Para lograr dicho objetivo general, se proponen los objetivos específicos: 1.. Analizar la bibliografía existente sobre la automatización en redes de abasto de agua.. 2.. Analizar en las infraestructuras hidráulicas el estado técnico de los medios de. automatización. 3.. Seleccionar los medios técnicos necesarios para la automatización de la. infraestructura hidráulica. 4.. Diseñar una red de comunicación que enlace las diferentes estaciones con la sala de. control. 5.. Diseñar el software SCADA, sobre plataforma libre, capaz de supervisar. funcionamiento de la infraestructura hidráulica. 6.. Valorar los resultados de las pruebas realizadas al SCADA.. Principales Resultados El principal logro de esta investigación consiste en la obtención de un sistema de supervisión y control que permite conocer y operar desde la sala de control en la EAAVC, la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara. La automatización de la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara permite manejar las principales variables que rigen el correcto funcionamiento de la red de abasto de agua. Los principales resultados científicos del trabajo están en la red de comunicación entre estaciones y el software para la realización del SCADA. La red de comunicación mediante GPRS (General Packet Radio Service) es una alternativa utilizada en los últimos años sobre todo en los países desarrollados para comunicar estaciones de trabajo que se encuentran geográficamente muy distantes entre sí. El desarrollo de aplicaciones SCADA sobre software libre, tiene en la actualidad sus primeros pasos y aunque evoluciona lentamente, es una alternativa viable para los países que aspiran a lograr su soberanía tecnológica. Impacto Se ahorran recursos económicos, energía y agua; ya que se detectarían averías en los conductos en un corto tiempo, facilitaría las acciones remotas de control sobre la instalación, disminuirían los tiempos de reparación de averías y permitiría disponer de.

(14) INTRODUCCIÓN. 4. información histórica y de índices de comportamiento del sistema. Este SCADA sobre plataforma libre contribuye al desarrollo de la soberanía tecnológica en el país y es aplicable tanto a la red de abasto de agua de la ciudad Santa Clara, como a otras redes similares del país. Viabilidad En la actualidad se acometen trabajos de rehabilitación y modernización de las infraestructuras hidráulicas en las principales ciudades del país. Está planificado que para el 2016 este proceso inversionista comience las tareas de rehabilitación en la ciudad de Santa Clara. Este trabajo tiene el apoyo valioso de la Empresa Provincial de Acueducto y Alcantarillado de Villa Clara brindando facilidades en el uso de la documentación técnica, acceso a la infraestructura existente y la asesoría de los principales especialistas. Todo el equipamiento necesario es comercializado por las empresas cubanas COPEXTEL y CEDAI. Organización del informe El presente trabajo de diploma está constituido por introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y cinco anexos. Los contenidos de los capítulos, en forma resumida son los siguientes: Capítulo 1: Uso de SCADA en infraestructuras hidráulicas. Aborda una introducción a los acueductos y alcantarillados, los sistemas SCADA y las comunicaciones en los procesos industriales. Capítulo 2: Arquitectura del SCADA Äguas Santa Clara¨. Se caracteriza la infraestructura hidráulica de la ciudad de Santa Clara, se explica en detalle todos los medios técnicos de automatización utilizados, así como la comunicación entre estos y la selección del software a utilizar para la realización del supervisor. Capítulo 3: SCADA Äguas Santa Clara¨. Explica cómo quedan conformadas las estaciones, las principales pantallas del SCADA, las comunicaciones y la prueba de comunicación realizada para culminar con una valoración económica y medio ambiental..

(15) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. CAPÍTULO 1.. 5. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS. HIDRÁULICAS. Para modernizar un sistema de abasto de agua es necesario conocer el papel que juega la automatización en el uso racional de este importante recurso, los estudios que se realizan en el mundo y en Cuba sobre este tema, así como la función que desempeñan los Sistemas de Control y Adquisición de Datos (SCADA) en su implementación. 1.1. Introducción a los Acueductos y Alcantarillados. El acueducto es un canal artificial construido para transportar agua y abastecer a una población desde un lugar en el que está accesible en la naturaleza, hasta un punto de consumo distante. Puede ser un canal abierto o cerrado, un túnel o una tubería, o puede ser un puente que eleve el canal sobre un valle o un río. Un acueducto arranca en un sistema de captación de agua. El agua pasa de forma controlada a la conducción desde un depósito de cabecera mediante canales o tuberías que la transportan hacia su destinatario final. La construcción de un acueducto exige el estudio minucioso del terreno para escoger el trazado más económico que permita una pendiente suave y sostenida sin alargar demasiado el recorrido de la obra (Castillo, 2011). Aunque existían precedentes de construcciones de acueductos en las civilizaciones antiguas, los ingenieros romanos fueron los que pusieron a punto técnicas que se pudieron generalizar por todas las ciudades del Mediterráneo, gracias fundamentalmente al uso del hormigón. Con todo, los factores técnicos no fueron los únicos que contribuyeron a difundir este tipo de obras, hizo falta también la unidad política del imperio y la existencia de un sistema económico fuerte que creara las condiciones para el desarrollo urbanístico..

(16) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 6. De esta manera la mayor parte del recorrido se hacía por canales, en general cubiertos, que se construían por las laderas de los montes, siguiendo la línea de pendiente deseada y se situaban cada cierto tiempo cajas de agua o arcas de agua, pequeños depósitos que servían para regular el caudal o decantar los sólidos, normalmente arena, que las aguas pudieran arrastrar. Muchos de los principios romanos en la construcción de acueductos se mantienen vigentes hoy en día aunque los modernos se construyen generalmente bajo tierra, como extensas redes de conductos de acero, cemento o tipos de plásticos (Berasategui, 2012). 1.1.1 Papel de la automatización en el empleo racional del agua Debido a que la automática permite el manejo eficiente y racional de los recursos hídricos, ha sido aprovechada para el control de uno de los procesos industriales más comunes: la extracción y conducción del agua. Uno de los primeros ejemplos se puede ver en la presa Glen Canyon, ubicada en Arizona, (Samaniego and Díaz, 2015) esta obra de ingeniería fue terminada en 1966 y para 1968 ya tenía un sistema de control automático, que aunque no es comparable con los de hoy en día, era muy adelantado a su tiempo. Este sistema se instauró como una necesidad de mermar las enormes pérdidas por conducción de agua que habían, de la que la presa no podía darse el lujo por los constantes períodos de sequía y la evaporación al encontrarse en una zona desértica con muy altas temperaturas. Así, desde aquel entonces se monitorizaban las presiones en las conductoras principales, el nivel en la presa y había cierto registro de reporte de histórico. El registro de reporte de histórico pasó del nivel de campo, al de planta y de allí al administrativo. En estos dos últimos niveles se tomaban las decisiones de control más importantes, las cuales eran ejecutadas en gran medida por operarios de forma manual, accionando válvulas, compuertas y otros dispositivos. El sistema de control posibilitó que las pérdidas del preciado líquido por conducción se redujeran de forma considerable (Berazategui, 2016). Los sistemas de control automático vinculados al uso racional del agua evolucionaron con el tiempo, tanto es así, que no se concibe ninguna obra hidráulica importante, que pueda prescindir de ellos, por todas las ventajas económicas, sociales y ambientales que trae. Con el transcurso de los años estos sistemas, se han expandido geográficamente y si al principio.

(17) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 7. solo existían en países desarrollados, hoy en día y desde hace unos cuantos años los países subdesarrollados también hacen uso de estos (Ecob et al., 1995), (Samaniego and Díaz, 2015). De acuerdo con el Congreso Mundial del Agua 2014 de la Asociación Internacional del Agua (GLAAS, 2014), el 60 por ciento de la población mundial de la próxima generación vivirá en ciudades o en áreas urbanas, que requieren del uso masivo de agua y servicios de energía e infraestructura. La pérdida de agua en sistemas de distribución de agua potable es un problema significativo. En los Estados Unidos, por ejemplo, el costo asociado a la pérdida de agua es estimada en $15 billones de dólares por año. Las pérdidas en los sistemas están influenciadas por una variedad de factores incluyendo el material de la línea de transmisión y la edad de la infraestructura de las tuberías obteniendo resultados comunes alrededor del mundo que arrojan pérdidas de agua entre 15 y 70 por ciento. Otro reto importante es el saneamiento y manejo de aguas residuales en países desarrollados y países en vías de desarrollo. Debido a que el agua es esencial para la vida, la conservación del agua, el manejo de las pérdidas de agua y del agua residual son absolutamente críticos para ayudar a abastecer la demanda de agua en el mundo (OMS, 2016b). 1.1.2 Estaciones que conforman un sistema de abasto de agua Las estaciones de bombeo se definen como las estaciones encargadas de obtener el agua de los nacientes y pozos. También son utilizados para darle un impulso adicional al agua, de manera que logre llegar a lugares apartados. Este tipo de estaciones tienen una o varias máquinas de bombeo con el equipamiento necesario para el funcionamiento de las bombas (Suárez, 2005). Las estaciones tipo plantas potabilizadoras tienen la función de potabilizar el agua que se toma de los nacientes de los ríos, de manera que cumpla con las normas de la OMS (Organización Mundial de la Salud), la cual regula los parámetros de las sustancias en el agua potable, por ejemplo: turbiedad del agua, color, alcalinidad, pH y cloro residual. (OMS, 2016a) El proceso de potabilización del agua consiste en varias etapas de tanques de filtración y retención de agua, los cuales cumplen la función de dar tiempo a los técnicos de laboratorio.

(18) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 8. de realizar muestras del agua, para determinar los diferentes tipos de variables ya mencionadas, y así calcular la cantidad de químicos que se deben agregar al agua, durante las diferentes etapas de tratamiento, con el fin de que la misma cumpla con los parámetros sanitarios establecidos por la OMS (Suárez, 2005). Las estaciones tipo tanque de almacenamiento tienen la función de servir como una reserva en el momento en que la demanda sea mayor que el caudal que recibe el tanque. Esto sucede generalmente en la mañana, que es el período de mayor demanda, mientras que en la noche decrece la demanda y el caudal recibido por el tanque es mayor que el caudal de salida de éste. 1.1.3 Estudios de automatización de los sistemas de abasto de agua Para mejorar la gestión y el control de la disponibilidad del recurso agua, así como la seguridad y la fiabilidad en su abastecimiento, teniendo en cuenta la complejidad y dispersión de las instalaciones, es necesaria la creación de modernos sistemas de supervisión y control (Ecob et al., 1995). Se han implementado sistemas de gestión, operación y control del recurso hídrico en la Red de Abastecimiento y Saneamiento de Aguas de la ciudad de Santander y en el Grupo Aguas de Barcelona (Agbar), España (SAPAL, 2005), (Agbar, 2016). En algunos acueductos de diferentes países se implementan sistemas de supervisión y control, entre ellos se encuentran varias ciudades de España, en algunas ciudades de Costa rica, Colombia, Venezuela, Ecuador y en localidades de México (Agbar, 2016), (Suárez, 2005), (Gutierrez, 2013), (López and Machuca, 2011), (Jácome and León, 2014), (Fragoso et al., 2013), (SACMEX, 2016). En Cuba existe experiencia de automatización en los Acueductos de Aguas de la Habana, Aguas Varadero y el acueducto de Santiago de Cuba por parte de las empresas nacionales CEDAI, ETECSA, SERCONI y COPEXTEL en asociación con empresas extranjeras como AGBAR (Rodríguez et al., 2015), (Rabanillo, 2015), (Miranda et al., 2015), (EcuRed, 2016), (Habana, 2016), (Agbar, 2016)..

(19) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 9. 1.1.4 Experiencia cubana en la modernizacion de los sistemas de abasto de agua Existen varios estudios y proyectos para la automatización de redes de abasto de agua en diferentes lugares del país. El estado actual de estos trabajos, así como su alcance es poco conocido dada la falta de información al respecto y las deficiencias tecnológicas acaecidas en nuestro país tras varios años de bloqueo económico. En la red de abasto y distribución de agua potable Troncoso, perteneciente al municipio de Pinar del Río, se instala un sistema de control con autómatas programables y un supervisor en la estación central, para monitorizar las variables del sistema (Cueto and Rivas, 2003). En el 2006 se publica una propuesta de modernización del acueducto de Manzanillo en la provincia de Granma. Este trabajo llega hasta proponer la realización de un SCADA para operar a distancia los pozos de agua y su distribución por la ciudad (Ramírez et al., 2006). Otra investigación aborda sobre la aplicación de una herramienta para la operación de los recursos hidráulicos en la cuenca Ariguanabo de la provincia de La Habana. Se describe una solución en términos de una Plataforma Modular Integrada (Gómez, 2009) y la estrategia de aplicación desarrollada por el Centro de Investigaciones Hidráulicas de la CUJAE. La solución planteada puede contribuir a resolver problemas relacionados con el agua en cuanto a: suministro adecuado a los consumidores, detección temprana de escasez, calidad del agua, monitorización del comportamiento de la infraestructura y detección de irregularidades por parte de operadores y usuarios (Crespo et al., 2009). En Santiago de Cuba la modernización del acueducto hace posible la medición y el control de los parámetros del sistema hidráulico y las conductoras provenientes de las presas de Quintero, Parada y los pozos de San Juan. Cuenta con un sistema de supervisión que instalado en el otrora pozo de Santa Ana registra todas las operaciones de la red de abastecimiento de agua a la ciudad. La automatización del sistema Parada, que es el más pequeño y menos complejo de todos, sirve como prueba de la tecnología a emplear en el acueducto, y como referencia cuando se extienda a los sistemas Quintero y San Juan. El sistema se comunica con en el empleo de tecnología inalámbrica GPRS, que por primera vez se explota en Cuba para estos fines. Esta tecnología reduce los costos por concepto de mantenimiento y al no poseer antena de.

(20) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 10. transmisión, es menos vulnerable a los fenómenos de la naturaleza como los ciclones y los terremotos (Rodríguez et al., 2015). Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son considerados herramientas potentes para la planificación y gestión de bienes comerciales, socioeconómicos y medio ambientales, de ahí la idea de apostar por su uso para lograr un plan estratégico de planeamiento en la Gestión Integral del Agua Urbana (GIAU). En Cuba no se ha generalizado el uso SIG para la gestión de acueductos, tecnología que aumenta el rendimiento de la actividad y contribuye a elevar la calidad del servicio, solo Aguas de La Habana y Aguas Varadero han apostado por su utilización mostrando al resto de los acueductos la capacidad de los mismos para mejorar la gestión (Sánchez, 2013). Aguas Varadero se construye a finales de 1994 como una Asociación Económica Internacional entre el Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos y el grupo empresarial español Aguas de Barcelona. Es una empresa concebida para la prestación de los servicios públicos de acueducto y saneamiento del municipio de Varadero y beneficia alrededor de 47 mil personas también en consejos populares como Boca de Camarioca y Santa Marta. La fuente con que se abastecen estos sistemas de acueductos es subterránea mediante estaciones de bombeo para la captación de agua. Esta fuente es de magnífica calidad para el abastecimiento de la población. El agua es llevada hasta los usuarios por sus sistemas de conducción que tienen 25.5 km y los de distribución 143 km. La rehabilitación de este sistema de acueducto y a la concientización de los usuarios, hace que el per cápita de consumo de agua en el sector residencial sea de 195 litros por persona y en el sector hotelero de 1012 litros por habitación (EcuRed, 2016). Los estándares con los que funciona Aguas Varadero resumidos están en la implantación de un sistema integrado de gestión que ha logrado certificar la calidad, la seguridad y salud del trabajo. En el 2012 se convierte en la primera empresa cubana, la primera de América Latina y la cuarta del grupo Agbar en obtener la certificación ISO 22000-2005, por brindar un agua inocua y de elevada calidad. En el orden económico tributa más de 105 millones de pesos en moneda libremente convertible al INRH, desde su fundación. Una de las misiones que tiene Aguas Varadero y cuyos aportes han beneficiado a la población es el uso de.

(21) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 11. modernas tecnologías en diferentes actividades vinculadas con la gestión del servicio de acueducto y alcantarillado (Perdomo, 2014). Aguas Varadero presenta un sistema supervisor propietario que monitoriza todas las variables del sistema comunicando las estaciones mediante radio-modem. La principal deficiencia del supervisor es la comunicación de datos por radio, pues los varios equipos que la componen encarecen el sistema y complejizan su mantenimiento (Rodríguez et al., 2015). La Sociedad Aguas de La Habana se crea el 17 de enero del 2000 fruto de un convenio entre el INRH y el grupo Agbar. Su función es la de gestionar los Servicios Públicos de Agua Potable, Alcantarillado, Saneamiento, Drenaje Pluvial; desarrolla y mejora la infraestructura de redes hidráulicas en el centro y oeste de la capital del país y contribuye a la conservación del Medio Ambiente y la Salud Pública. Desde inicios del 2016 asume la atención de los problemas relativos a acueducto y alcantarillado en la totalidad de los municipios de la capital cubana (Habana, 2016). Esta Sociedad tiene una factura anual de más de 100 millones de pesos, de los cuales 24 millones son en moneda libremente convertible, en el 2015 obtuvo utilidades por 6 millones de pesos en divisas y por acuerdo de los accionistas, serán dedicados en el 2016 al programa inversionista (Cabrera, 2016)..

(22) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 12. Figura 1.1. Oficinas de Aguas de La Habana. Fuente: (Habana, 2016) 1.2. Sistemas de supervisión. Frente al incremento de información, cambiante y dinámica, el operador de control necesita nuevas ayudas en su tarea de vigilancia y supervisión del proceso. Así, la supervisión de procesos se entiende como todo el soporte a la sistematización en el seguimiento de los procesos, automatizando, en la medida en la que sean posibles, las tareas necesarias para dicha actividad, hasta llegar a ser sistemas completos con capacidad para la toma de decisiones. Un sistema de supervisión es un sistema con la habilidad de medir un proceso y actuar en él, formado por componentes interactivos que razonan acerca del comportamiento del.

(23) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 13. proceso para proponer y ejecutar acciones apropiadas para mantener las condiciones de operación normal aún en caso de fallas (Zapata et al., 2011). Se caracteriza el proceso desde variables y parámetros de éste. La respuesta del proceso a las órdenes, los efectos de los controladores, las influencias y relaciones conocidas entre variables determinan el conocimiento del proceso que tenemos y que debemos utilizar. De ahí la importancia de incidir sobre los beneficios y la necesidad de la supervisión y del concepto de monitorizar como vigilancia del proceso y, por tanto, integrado como parte de la supervisión (Izaguirre, 2012). Monitorizar es la recolección de datos desde el proceso, determina el estado actual del sistema controlado y hace inferencias necesarias para producir datos adicionales como históricos o diagnósticos. La monitorización se limita a la captura de datos del proceso y no tiene acciones directas en los modelos o en la evolución del estado (Zapata et al., 2011). 1.2.1 Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Un SCADA, Supervisory control and data acquisition: según ISA (International Society of Automation) es la tecnología que habilita a un usuario para recoger datos desde una o más instalaciones distantes y le permite enviar instrucciones de control limitadas a esas instalaciones (Boyer, 2009). Se privilegia en estos sistemas la captura de datos, los sistemas de comunicaciones (sistemas dispersos geográficamente) y mínimas opciones de control. Los SCADA requieren que un operador permanezca al frente del sistema o que visite frecuentemente la ubicación remota. La definición de la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) establece que los SCADA son sistemas que operan con señales codificadas sobre canales de comunicación a fin de proporcionar control remoto de equipos, obteniendo información sobre el estado de éstos para la visualización o registro de sus funciones. Puede concluirse entonces que los SCADA son sistemas de adquisición de datos y que, junto con un operador humano u otro sistema de toma de decisiones, conforman un sistema de supervisión en el sentido de la definición dada anteriormente (Zapata et al., 2011). Los sistemas SCADA utilizan la computadora y tecnologías de comunicación para automatizar la supervisión y el control de procesos industriales. Estos sistemas son de partes integrales de la mayoría de los ambientes industriales complejos o geográficamente.

(24) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 14. dispersos, ya que pueden obtener la información de una gran cantidad de fuentes rápidamente, y la presentan a un operador en una forma amigable. Estos sistemas mejoran la eficacia del proceso a supervisar y controlar, proporcionan información oportuna para la toma de decisiones operacionales apropiadas. La información generada en el proceso productivo es enviada a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa, lo que permite la participación de otras áreas como por ejemplo: control de calidad, supervisión y mantenimiento (Boyer, 2009). Las tareas de supervisión y control están relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador de cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de ésta, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre algún equipo lejano, la comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN (Local Area Network). Todo esto se ejecuta en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos (Izaguirre, 2012). 1.2.2 Evolución de los sistemas SCADA Los primeros SCADA eran simples sistemas que proporcionaban reportes periódicos de las variables de campo, vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones del estado de la planta desde ubicaciones generalmente remotas, en muchos casos lo que se hacía era imprimir o registrar en papel la información de las variables de la planta, para tener un histórico de los eventos que ocurrían durante la operación del proceso. Estos sistemas ofrecían capacidades muy simples para monitorizar y controlar, sin proveer funciones de aplicación alguna. La visión del operador del proceso estaba basada en instrumentos y señalizaciones lumínicas montadas en paneles llenos de indicadores. Con el desarrollo de la tecnología, las computadoras comenzaron a aplicarse en el control industrial, la realización de tareas de recolección y almacenamiento de datos, generación de comandos de control, y una nueva función muy importante: la presentación. de la. información sobre una pantalla, que en un inicio eran monocromáticas (Hentea, 2008). La mayoría de los sistemas SCADA modernos instalados constituyen parte integral de la estructura de dirección y gerencia de cualquier planta. Estos sistemas ya no son vistos por la gerencia como simples herramientas operacionales para la supervisión y el control.

(25) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 15. automático, sino como un recurso importante de información corporativa, sin el cual sería imposible administrar la empresa. Los sistemas SCADA sirven como centro de responsabilidad operacional, proporcionan datos importantes a los sistemas y usuarios que fuera del ambiente de control, dependen de dicha oportuna información para tomar sus decisiones económicas cotidianas (Izaguirre, 2012). 1.2.3 Principales elementos y funciones de los sistemas SCADA Los principales elementos de un sistema SCADA son (López, 2015): Unidad Central (MTU): Se trata de lo computadora principal del sistema, el cual supervisa y recoge la información del resto de las subestaciones, ya sean otras computadoras conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo o directamente sobre dichos instrumentos. Esta computadora suele ser un PC (Personal Computer) que soporta el HMI (Human Machine Interface). Unidad Remota (RTU): Están situados en los nodos estratégicos del sistema gestionando y controlando las subestaciones; reciben las señales de los sensores de campo y comandan los elementos finales de control ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización; a un nivel superior está el MTU y a un nivel inferior los distintos instrumentos de campo que son los que ejercen la automatización física del sistema, control y adquisición de datos. Estas computadoras no tienen que ser PC, ya que la necesidad de soportar un HMI no es tan grande a este nivel, por lo tanto, suelen ser computadoras industriales tipo armarios de control, aunque en sistemas muy complejos puede haber subestaciones intermedias en formato HMI. Una tendencia actual es dotar a los Controladores Lógicos Programables (PLC) con la capacidad de funcionar como RTU gracias a un nivel de integración mayor y CPU (Central Processing Unit) con mayor potencia de cálculo. Esta solución minimiza costos en sistemas en los que las subestaciones no sean muy complejas, al sustituir la computadora industrial que es mucho más costosa. El elemento de control final o actuador (Creus, 2010) es el dispositivo que realiza la regulación del fluido en un proceso químico. Dado el desarrollo tecnológico en este campo.

(26) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 16. estos elementos se pueden dividir en dos grandes grupos: regulación con válvulas y regulación con variadores. Red de comunicación: Es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de BUS o canal de comunicación, utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no todos los software, ni los instrumentos de campo como PLC pueden trabajar con todos los tipos de BUS. Dada la estandarización de las comunicaciones con los dispositivos de campo, se puede implementar un sistema SCADA sobre cualquier tipo de BUS. Se encuentran SCADA sobre formatos estándares como los RS-232, RS-422 y RS-485 a partir de los cuales, y mediante protocolo TCP/IP, se puede conectar el sistema sobre todo tipo de buses de campo industriales hasta formas más modernas de comunicación como Bluetooth (Bus de Radio), microondas, satélite o cable. A parte del tipo de BUS, existen interfaces de comunicación especiales para la comunicación en un sistema SCADA, como pueden ser módems para estos sistemas que soportan los protocolos de comunicación SCADA y facilitan la implementación de la aplicación. Otra característica de SCADA es que la mayoría se implementa sobre sistemas WAN (Wide Area Network) de comunicaciones, es decir, los distintos terminales RTU pueden estar alejados geográficamente. Instrumentos de campo: Son todos aquellos que permiten realizar tanto la automatización o control del sistema (Controlador Lógico Programable, controladores de procesos industriales y actuadores en general) como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarmas). Una característica de los SCADA es que sus componentes son diseñados por distintos proveedores, sin coordinación entre sí. De manera que se tienen diferentes proveedores para las RTU (incluso es posible que un sistema utilice RTU de más de un proveedor), módems, radios, minicomputadores, software de supervisión e interfaz con el operador, de detección de pérdidas, entre otras..

(27) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 17. A los instrumentos utilizados para la detección y medición de magnitudes físicas, se les denominan sensores o transductores. Estos se basan en fenómenos físicos para obtener señales que pueden ser medidas típicamente en voltajes o corrientes. Muchos sensores basados en las propiedades eléctricas de los materiales y dispositivos producen señales que requieren ser acondicionadas de manera que puedan ser utilizadas por el resto de los instrumentos (Creus, 2010). Cada uno de los ítems de SCADA involucran muchos subsistemas, por ejemplo, la adquisición de los datos puede estar a cargo de un autómata el cual toma las señales y las envía a las estaciones remotas mediante un protocolo determinado, otra forma podría ser que una computadora realice la adquisición vía un hardware especializado y luego esa información la transmita hacia un equipo de radio vía su puerto serial, y así existen muchas otras alternativas (Igure et al., 2006). La figura 1.2 muestra el esquema general de un sistema SCADA.. Figura 1.2. Esquema general de un SCADA. Fuente: (Gómez et al., 2007).

(28) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 18. Las principales funciones que debe acometer un sistema SCADA son (Chavarría, 2007), (Hentea, 2008), (Boyer, 2009): a) Supervisión remota de instalaciones y equipos: Permite al operador conocer el estado de desempeño de las instalaciones y los equipos alojados en la planta, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadística de fallas. b) Control remoto de instalaciones y equipos: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos remotamente (por ejemplo: abrir válvulas, activar interruptores y prender motores), de manera automática y también manual. Además, es posible ajustar parámetros, valores de referencia, algoritmos de control, entre otros. c) Procesamiento de datos: El conjunto de datos adquiridos conforman la información que alimenta el sistema, esta información es procesada, analizada, y comparada con datos anteriores, y con datos de otros puntos de referencia, dando como resultado una información confiable y veraz. d) Visualización gráfica dinámica: El sistema es capaz de brindar imágenes en movimiento que representen el comportamiento del proceso, esto brinda al operador la impresión de estar presente dentro de una planta real. Estos gráficos también pueden corresponder a curvas de las señales analizadas en el tiempo. e) Generación de reportes: El sistema permite generar informes con datos estadísticos del proceso en un tiempo determinado por el operador. f) Representación de señales de alarma: A través de las señales de alarma se logra alertar al operador frente a una falla o la presencia de una condición perjudicial o fuera de lo aceptable. Estas señales pueden ser tanto visuales como sonoras. g) Almacenamiento de información histórica: Se cuenta con la opción de almacenar los datos adquiridos, esta información puede analizarse posteriormente, el tiempo de almacenamiento dependerá del operador o del autor del programa. h) Programación de eventos: Está referido a la posibilidad de programar subprogramas que brinden automáticamente reportes, estadísticas, gráfica de curvas, activación de tareas automáticas, entre otras..

(29) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 19. 1.2.4 Principales software para el diseño de sistemas SCADA Algunos de los principales software para la implementación de SCADA son (Romagosa et al., 2004), (Gómez et al., 2007), (González and Moreno, 2010): . Aimax, de Design Instrument, S.A.. . Cube, de ORSI España, S.A.. . LabView, Lookout, de National Instrument.. . WinCC HMI, Web Control Center (WebCC), Simatic WinAC/ ODK, Simatic PLCSim, Simatic Protocol, HYBREX, de Siemens.. . SYSMAC SCS, de OMROM.. . Movicon, de Progea.. . Intouch de Wonderware. . T-View, de Shemaphore.. La mayoría de las aplicaciones desarrolladas son de tipo propietario, por lo que la licencia para su ejecución y los módulos para tareas específicas tienen un elevado costo. Además, son aplicaciones cerradas, es decir no se puede modificar su código fuente, en caso de que sea necesario realizar una adaptación al sistema (Moya, 2009). Con el objetivo de desarrollar aplicaciones que tengan un uso de forma libre y gratuita, se han implementado software de código abierto y distribución libre para la creación de sistemas SCADA. Muchos países tienen como tarea desarrollar software de distribución libre, y cuyo código puede ser modificado por cualquier persona, de acuerdo a sus necesidades. Dentro de los principales Sistemas SCADA no propietarios encontramos (Moya, 2009), (Linares et al., 2015): . Argos. . EclipseSCADA. . FreeSCADA. . LinTouch. . mySCADA.

(30) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. . Elicpse-OpenSCADA. . OSCADA-OpenSCADA. . Proview. . ScadaBR. . GALBA. 20. 1.2.5 Ejemplos del uso de los SCADA en sofware libre Uno de los temas que ha despertado un creciente interés en el sector industrial es el desarrollo de un SCADA con el empleo de estándares de software libre. Los sistemas SCADA juegan un papel de primera importancia en los procesos industriales de las empresas, ya que los mismos tienen funciones de control, supervisión y gestión en los procesos industriales (Abaffy and Lárez, 2007). El mercado de los SCADA hasta estos momentos ha sido principalmente de software propietario, por lo que la adaptación a software libre en este campo requerirá de esfuerzos mancomunados entre todos los actores, que conlleven a obtener un producto que pueda satisfacer los requerimientos de una gran diversidad de procesos industriales que se manejan en las organizaciones. Los sistemas SCADA son software cotizados a altos precios. En la generalidad de los casos son construidos en la plataforma Windows, lo cual eleva aún más su valor comercial, pues es necesario comprar el sistema operativo y después el sistema SCADA con toda su base física de control y campo (Mahboob and Zubairi, 2013). Varias empresas internacionales utilizan Sistemas SCADA basados en software libre, entre estas se encuentran (Linares et al., 2015): . OScada/OpenSCADA: se utiliza en depósitos de petróleo en Kiev, para la medición del medio ambiente y el control de las alarmas de emergencia.. . Argos: es utilizado en la línea de reducción de celdas de aluminio en CVG VENALUM (Industria Venezolana de Aluminio en Guayana).. . SZARP: se utiliza para el control y monitorización de más de 40 plantas de calefacción en Polonia..

(31) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 21. El Centro de Desarrollo de Informática Industrial (CEDIN) de la Universidad de las Ciencias Informáticas de Cuba produce un SCADA sobre software libre con varias aplicaciones. Este sistema informático se ha desarrollado bajo los principios del software libre y el desarrollo endógeno; es uno de los aportes tecnológicos de mayor impacto, que aporta a lograr la independencia tecnológica de nuestro país. Su desarrollo comienza en agosto del 2006 y la versión 1.0 del sistema SCADA ya se encuentra instalada en varios lugares de Venezuela y de Cuba. El SCADA “Guardián del ALBA” en su versión 1.0 es el resultado de la colaboración de universidades, empresas venezolanas y cubanas coordinadas por el distrito tecnológico de AIT PDVSA (gerencia de Automatización, Informática y Telecomunicaciones de la empresa Petróleos de Venezuela) con sede en Mérida y La Universidad de las Ciencias Informáticas integrando las soluciones a ambos lados del Caribe. El SCADA Galba se encuentra funcionando en fase de prueba en varias instalaciones de PDVSA, como por ejemplo el “Patio de Calderas” de Barinas, Venezuela (Ramos and Díaz, 2014). El proyecto SCADA-Meteorología constituye una solución tecnológica integral desarrollada a la medida que permite mejorar la asimilación de nuevas tecnologías de mediciones meteorológicas. La aplicación del SCADA automatiza el proceso de adquisición, supervisión y envío de datos de las estaciones meteorológicas automáticas (EMA) y los centros meteorológicos provinciales (CMP). El proyecto SCADA–ETECSA que desarrolla el Centro de Informática Industrial (CEDIN) para la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba, es un software a la medida para supervisar y controlar los equipos existentes en los departamentos de energía de la empresa a lo largo de todo el país. Este producto es un sistema de alta precisión y eficiencia para la supervisión, control y adquisición de la información de los equipos del departamento de energía, para conocer el estado de los dispositivos tecnológicos de la empresa y poder tomar decisiones de forma eficiente (Nieto et al., 2012). 1.2.6 Ejemplos del uso de los SCADA en las redes de abasto de agua El uso de SCADAS para la supervisión y control de las redes hidráulicas es una práctica cotidiana en el mundo. La tendencia radica en el uso de sistemas propietarios producto del poco grado de desarrollo que aún tienen los sistemas no propietarios (Macan and Macan,.

(32) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 22. 2014). Ejemplos recogidos en varias revistas internacionales de alto impacto demuestran esta afirmación. (Ecob et al., 1995), (Stancel et al., 2008), (Gao et al., 2009), (Machell et al., 2010), (Qin and Yan, 2010), (Gouthaman et al., 2011), (Ji et al., 2011), (Shuyu and Shumei, 2011), (Roy et al., 2011), (Yadav and Shukla, 2011), (Chou et al., 2012), (Humoreanu and Nascu, 2012), (Rajeswari et al., 2013), (Stoian et al., 2014). SIEMENS implementa SCADA´s en México para operar de manera remota al Sistema Cutzamala, que proporciona agua a Michoacán, el Estado de México y el Distrito Federal; y en Acapulco está instalado para el “control de arranque y paro de equipo de bombeo para eliminación de fugas”, con una inversión de 100 000 dólares según documentos publicados por ConAgua en su sitio web (Agua, 2012), (CONAGUA, 2016). En la cuidad de Tehuacán, estado Puebla, México, se desarrolla un sistema de información geográfica (SIG) para la administración de la información relacionada con la operación de una red de distribución de agua potable, la cual permite gestionar, evaluar y distribuir agua de buena calidad, además de automatizar el sistema para poder implementar mecanismos que permitan mantenerlo a la vanguardia tecnológica (Fragoso et al., 2013). El sistema "El Falconiano" abastece de agua a la región Centro Norte del estado Falcón, a las refinerías de petróleo más importantes de Venezuela y a nuevos proyectos industriales y turísticos. La incorporación de nuevos aportes y usuarios hace imprescindible la optimización de operaciones. El sistema posee supervisión, control y adquisición de datos (SCADA). Para obtener reglas óptimas de operación, es necesario recopilar y adecuar los datos y construir un modelo hidráulico (López and Machuca, 2011). En Venezuela y en Costa Rica se desarrollan sistemas. SCADA. para acueductos. implementados sobre plataforma libre, en ambos casos aprovechando la evolución de la soberanía tecnológica (Piña, 2010), (Velasquez and Custodio, 2011), (Sancho, 2012). El SCADA Argos fue diseñado como alternativa en el área de automatización industrial, basado en herramientas de software libre, para que pudiera ser utilizado, estudiado y modificado por las distintas comunidades desarrolladoras de software, siguiendo la filosofía de los proyectos de código abierto. Este SCADA es empleado en el proyecto “Guardián del ALBA” de Venezuela, tanto en aplicaciones de extracción de petróleo como en el abastecimiento de agua (Piña, 2010)..

(33) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 23. Según (Velasquez and Custodio, 2011) en Venezuela se diseñó el sistema SCADA AGUA, utilizando herramientas basadas en software libre como son los programas: HTML (HyperText Markup Language), PHP (Hypertext Pre-processor), JAVA (o WORA, write once, run anywhere), MYSQL (sistema de gestión de bases de datos relacional), a fin de que éste operara bajo los sistemas operativos Windows y Linux. Este proyecto, propuesto por el Centro de Instrumentación y Control de la Unexpo de Puerto Ordaz, se hizo para optimizar el funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales del país. En nuestro país los acueductos de La Habana, Varadero y Santiago de Cuba cuentan con sistemas SCADA para su explotación, en todos los casos los sistemas son propietarios de origen extranjeros e importados por las empresas cubanas. En la figura 1.3 se puede apreciar varias pantallas del SCADA Aguas de La Habana.. Figura 1.3. SCADA Äguas de La Habana¨. Fuente: (CIH, 2015).

(34) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 24. De lo abordado en los epígrafes 1.1.4 y 1.2.6 se afirma que no existe ningún trabajo precedente en nuestro país que aborde un SCADA para un sistema de abasto o distribución de agua en plataforma libre. 1.3. Las comunicaciones en los procesos industriales. Las comunicaciones desempeñan una función de primordial importancia en la implantación de los modernos sistemas de automatización industrial. Esta función es vital para aquellas empresas cuyas operaciones se encuentran dispersas geográficamente, como es el caso de los sistemas de distribución de energía eléctrica, los sistemas de abasto de agua, la supervisión y control de instalaciones petroleras, patios de tanques, poliductos, refinerías, industria fabril, entre otros (Briceño, 2011). La red de telecomunicaciones para la automatización industrial tiene como objetivos (Briceño, 2011): . La recolección de datos, instantáneamente desde las localidades remotas.. . La transmisión de los datos hasta los centros de Control de Operaciones y procesamiento de la información.. . Proveer los recursos para aumentar la confiabilidad y seguridad en los procesos de producción mediante detección temprana de condiciones de alarma, supervisión y control continuo de procesos de alto riesgo, verificación del estado de las instalaciones y seguimiento de las condiciones de operación de estaciones remotas.. Para cumplir con estos objetivos la red integrada de comunicaciones debe estructurarse en una arquitectura bien definida y bajo las premisas de racionalización, conectividad, calidad y confiabilidad. La red de comunicaciones generalmente es una red extensa geográficamente y es la encargada de transportar toda la información que se produce en el campo y todos los comandos que se generan en el centro de control; es simplemente un medio de transmisión (Oliva, 2013)..

(35) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 25. 1.3.1 Sistema de comunicación Un sistema electrónico de comunicaciones está compuesto por tres elementos principales como se muestra en la figura 1.4: transmisor, medio de transmisión y receptor.. Figura 1.4. Diagrama simplificado de bloques de un sistema de comunicaciones electrónicas. Fuente: (Tomasi, 2003) La información que se transmite entre el receptor y el emisor debe adaptarse al canal de transmisión. Ello implica la necesidad de disponer de un soporte adecuado a través del cual pueda viajar la información. Los sistemas de comunicaciones actuales utilizan básicamente dos tipos de soporte, lo que permite hablar de dos clases diferentes de comunicación: (Oliva, 2013). . Comunicación alámbrica: También llamada comunicación por cable, pues tiene lugar a través de líneas o cables que unen al emisor y al receptor. La información se transmite mediante impulsos eléctricos.. . Comunicación inalámbrica: En este caso el soporte material a través del cual tiene lugar la comunicación es el propio espacio, y concretamente en la atmósfera terrestre, el aire. La información se transmite mediante ondas de radio.. 1.3.2 Comunicaciones inalámbricas Las comunicaciones inalámbricas hacen uso de las ondas electromagnéticas para enviar señales a través de largas distancias. Esta transferencia de información, lograda a través de la emisión de ondas de radio, permite tener como grandes ventajas la movilidad y la.

(36) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 26. flexibilidad del sistema en general, además de la reducción de los costos de implementar una infraestructura cableada (Tomasi, 2003). Las transmisiones inalámbricas constituyen una eficaz y poderosa herramienta que permite la transferencia de voz, datos y video, sin la necesidad de utilizar cables para establecer la conexión. Las comunicaciones inalámbricas son herramientas muy versátiles que permiten ofrecer diferentes aplicaciones, tales como las comunicaciones punto a punto, punto a multipunto, radioaficionados, servicios públicos como radiodifusión sonora o televisiva, buscapersonas, radio troncal (trunking), telefonía móvil, telefonía fija inalámbrica, los servicios por vía satélite, entre otros. Asimismo, dependiendo del terminal que se use en dichos servicios o aplicaciones, se pueden distinguir modalidades de comunicaciones inalámbricas fijas y comunicaciones inalámbricas móviles (Oliva, 2013). Las comunicaciones inalámbricas abren en la industria nuevas posibilidades para automatizar de forma particularmente flexible. y. eficiente,. ya. sea. para. GSM/GPRS. (Global. System. for. Mobile. communications/General Packet Radio Service), IWLAN (Industrial Wireless Local Area Network) o WirelessHART (Wireless Highway Addressable Remote Transducer Protocol). 1.3.3 Desarrollo de los sistemas de comunicación móviles Los primeros sistemas de telefonía móvil terrestre o de primera generación eran analógicos. Los terminales eran bastante voluminosos, la cobertura se limitaba a grandes ciudades y carreteras principales, y sólo transmitían voz. La compatibilidad entre terminales y redes de diferentes países no estaba muy extendida. Los sistemas de segunda generación ya son digitales. Incluyen la transmisión de datos, aunque a velocidades muy pequeñas e introduce el envío de mensajes SMS (Short Message Service). Tienen una compatibilidad entre las distintas redes nacionales. El GSM (Global System for Mobile) se implanta en Europa y en otros países del resto del mundo (Mantilla et al., 2014). El estándar GSM describe una red digital de conmutación de circuitos, optimizada para telefonía de voz full dúplex y además incluye transporte de datos. Cada frecuencia puede transmitir varias conversaciones. Los sistemas GSM operan en cuatro bandas que son estándares a nivel mundial: 850, 900, 1800 y 1900 Mhz (Moro, 2013)..

(37) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 27. Como puente entre la segunda generación y la telefonía móvil de tercera generación está lo que se ha denominado generación 2,5, caracterizada por las mejoras en los protocolos de transmisión de datos. En esta generación se destaca el GPRS. Algunos de estos sistemas introducen la conmutación de paquetes en la telefonía móvil, es decir, la comunicación se produce al "estilo" Internet. La información se divide en tramas o paquetes, que siguen caminos diferentes hasta alcanzar el destino. El GPRS alcanza los 115 Kbps. En la mayoría de los países de Europa, Asia, Australia, Medio Oriente y África, se emplean las bandas de 900-1800 Mhz. En los Estados Unidos, Canadá, México y la mayor parte de Centro y Sudamérica se usan las bandas de 850-1900 Mhz (Castells, 2007). Los servicios móviles de tercera generación, como es el caso de: UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service), IMT-2000 (International Mobile Communications), CDMA2000 (Code Division Multiple Access), entre otros, responden a la necesidad de “banda ancha” en la transmisión de datos en general, y al uso de aplicaciones multimedia e internet a altas velocidades. A través de estas tecnologías, el usuario debe estar en capacidad de transmitir y recibir información a velocidades como 384 Kbps e incluso 2 Mbps. La tecnología de cuarta generación se soporta en el estándar de su antecesor que basa su sistema en IP (Internet Protocol), es un sistema de sistemas y una red de redes y superándose posteriormente en la convergencia entre redes de cable o redes Wireless, ordenadores, dispositivos eléctricos-electrónicos, TIC (Tecnologías de la información y la comunicación), entre otras para proveer de velocidades de acceso entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, pero lo más importante es que mantiene la calidad del servicio de punto a punto, con una alta seguridad con la finalidad de masificar el número de servicios adicionales en cualquier lugar apostando a tener el menor coste posible (Inga, 2011). 1.3.4 Comunicaciones mediante GPRS El sistema GPRS es una tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red GSM y utiliza una transmisión de datos por medio de paquetes. Surge debido a que las tradicionales redes GSM no se adaptan adecuadamente a las necesidades de transmisión de datos con terminales móviles. Por ello aparece una nueva tecnología portadora, denominada GPRS, que unifica el mundo IP con el mundo de la telefonía móvil, así se crea toda una red.

(38) CAPÍTULO 1. USO DE SCADA EN INFRAESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 28. paralela a la red GSM y orientada exclusivamente a la transmisión de datos. Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP pues usa la tecnología IP para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet (Cai and Goodman, 1997), (Bettstetter et al., 1999). Una ventaja de la tecnología GPRS es que proporciona velocidades de transferencia de datos superiores, la velocidad de trasmisión de datos es de 115,000 Kbps. La tecnología utilizada permite compartir cada canal por varios usuarios, esto permite mejorar la eficiencia en la utilización de los recursos de red. El pago de este servicio es por cantidad de información transmitida y no por tiempo de conexión (Manivannan and Kumaresan, 2010). 1.3.5 Las comunicaciones en los SCADA Un sistema SCADA tiene como característica fundamental el empleo de varios protocolos y vías para establecer la comunicación. El mismo es capaz de comunicarse sobre diversos medios físicos, ya sea líneas telefónicas, sistemas de microondas, transmisión por radio UHF/VHF, cables y fibra óptica, y en los casos más complejos por sistemas de satélites. Para comunicar las estaciones remotas con los puestos de control se utilizan las redes de comunicación. Estas redes pueden ser privadas o redes de operadores públicos como red telefónica, GSM y GPRS. Los sistemas pueden basar sus comunicaciones en una única red o permitir una comunicación redundante que garantice la comunicación en caso de problemas en alguna de las redes (Madera and Cañizales, 2006), (Briceño, 2011). El módulo de comunicaciones contiene los drivers de conexión con el resto de elementos digitales conectados, el driver es un programa que se encarga de la iniciación del enlace, aplicación de los formatos, ordenación de las transferencias, en conclusiones, de la gestión del protocolo de comunicación. Estos protocolos pueden ser abiertos como el Modbus, FieldBus y Map, o propios de los fabricantes. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y central, el intercambio de información (Chavarría, 2007). En los sistemas donde las instalaciones están muy distantes geográficamente se vuelve compleja la comunicación entre los elementos de las instalaciones. Dado el desarrollo que ha experimentado la comunicación GPRS en los últimos años, es común implementar.