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"Estudio sobre el tiempo de respuesta hidráulica en redes de alcantarillado control en tiempo real"

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Academic year: 2020

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(1)Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. “Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en Redes de Alcantarillado Control en Tiempo Real“ Presentado por: María Paula López Ruiz Asesor: Ingeniero Juan Guillermo Saldarriaga. Bogotá D.C., Enero de 2010.

(2) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. “Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en Redes de Alcantarillado Control en Tiempo Real“. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 2.

(3) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Agradecimientos. Este trabajo se llevó a cabo gracias al asesoramiento del Ingeniero Juan Guillermo Saldarriga, quien me guió en su elaboración para obtener el mejor resultado posible. A mis padres y abuela Omar López, Consuelo Ruiz y Lilia Garzón, gracias por permitir que yo llegara a este punto de mi carrera profesional.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 3.

(4) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Contenido 1.. 2.. 3.. Introducción ................................................................................................................................ 6 1.1.. Objetivo General ................................................................................................................. 8. 1.2.. Objetivos Específicos ........................................................................................................... 8. 1.3.. Alcance del presente estudio .............................................................................................. 9. Control en Tiempo Real en redes de Alcantarillado ................................................................. 10 2.1.. Qué es Control en Tiempo Real y cuál es su objetivo? ..................................................... 10. 2.2.. Control Integrado .............................................................................................................. 12. 2.3.. Casos de estudio a nivel internacional .............................................................................. 13. 2.3.1.. Alemania.................................................................................................................... 13. 2.3.2.. Quebec, Canadá ........................................................................................................ 18. 2.3.3.. Barcelona, España ..................................................................................................... 22. 2.3.4.. Italia ........................................................................................................................... 24. 2.3.5.. Seattle, Estados Unidos ............................................................................................. 29. 2.4.. Características del Hardware necesario en un sistema controlado en tiempo real ......... 29. 2.5.. Algunos algoritmos y softwares desarrollados para modelar el RTC ............................... 32. 2.5.1.. Modelo RHINOS......................................................................................................... 33. 2.5.2.. Modelo GLOTAR ........................................................................................................ 34. 2.5.3.. Programa SYNOPSIS ................................................................................................. 35. 2.5.4.. ANN (Artificial Neural Networks Algorithms) ............................................................ 36. Procedimientos de Control y Control Óptimo........................................................................... 39 3.1.. 4.. 5.. Generalidades de los costos de RTC.................................................................................. 41. Requerimientos de una Red de Alcantarillado para implementar RTC .................................... 42 4.1.. Herramienta SYNOPSIS...................................................................................................... 42. 4.2.. Herramienta PASST ........................................................................................................... 44. Problemas con el RTC ................................................................................................................ 50. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 4.

(5) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. 6.. Tiempo de Respuesta Hidráulica ............................................................................................... 52. 7.. Futuro del RTC ........................................................................................................................... 55. 8.. Conclusiones.............................................................................................................................. 56. 9.. Referencias ................................................................................................................................ 58. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 5.

(6) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. 1. INTRODUCCIÓN. Los sistemas de drenaje urbano son grandes sistemas que conducen las aguas residuales y lluvias de una ciudad o municipio; pueden ser combinados como en el caso de Colombia que llevan aguas provenientes de la precipitación y aguas residuales domésticas, comerciales, industriales y públicas en la misma tubería o separados en donde las aguas lluvias son conducidas en diferentes tuberías a las de las aguas residuales. La mayoría de estas aguas residuales son conducidas a Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales en donde se les remueve cierta cantidad de contaminantes hasta un punto en que se pueden liberar al ambiente (estos parámetros están dados por las autoridades ambientales); la otra parte de las aguas residuales es vertida directamente a los cuerpos receptores, pero es este último punto el que ha generado una creciente preocupación en la sociedad por los impactos adversos que dichos vertimientos tienen sobre los cuerpos hídricos (Rauch W. , Aalderink, Krebs, Schilling, & Vanrolleghem, 1998).. El control en tiempo real es una gran herramienta tecnológica para operar sistemas de drenaje urbano; uno de los objetivos más reconocidos y por el que mejor reputación goza el RTC (Control en Tiempo Real) es el de disminuir las descargas de aguas residuales sin tratamiento por medio de alivios (CSO) a los distintos cuerpos de agua. Pero recientemente se ha buscado un enfoque más integral, controlando el sistema de drenaje urbano, Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) y cuerpo hídrico receptor como un conjunto que necesita ser operado y controlado como tal. Se describirán 7 casos de estudio en 5 países diferentes, sobre las experiencias internacionales en cuanto implementación de RTC en redes de drenaje urbano.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 6.

(7) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. A medida que los avances tecnológicos lo han permitido las técnicas para el control en redes de alcantarillado se han especializado en términos de dispositivos de medición y herramientas computacionales que hacen más fácil y rápido el control; por consiguiente se han desarrollado diferentes softwares a partir de algoritmos para el control en tiempo real que facilitan su implementación y operación pues a pesar de lo detallado que pueda parecer el RTC debe verse como un elemento facilitador en la toma de decisiones para el control de una red de alcantarillado.. Posteriormente se explicarán las diferentes estrategias o procedimientos de control, sus características y algunos ejemplos en los que estas se han aplicado. En el capítulo de Requerimientos de una red de alcantarillado para implementar RTC se describirán las características que debe cumplir una red para ser objeto de control en tiempo real, algunas herramientas existentes que calculan el potencial RTC y los criterios con los que se calculan.. Finalmente los inconvenientes que se tiene con el control en tiempo real en sistemas de drenaje urbano son mencionados y caracterizados. En el Capítulo 7 una corta recopilación de información registrada en la literatura sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica y su relación con el control en tiempo real es dada. Hacia donde se dirige el RTC y a que objetivos apunta, son aspectos aclarados en el Capítulo 6.. Cuando se habla de Control en Tiempo Real en una red de drenaje urbano entra en juego el concepto de Tiempo de Respuesta Hidráulica que debido a que es un campo de investigación abierto no hay mucha información presente en la literatura siendo difícil definirlo o encontrando significados ambigüos; en el presente estudio no se profundiza este concepto ya que está enmarcado en un estado del arte sobre el control en tiempo real.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 7.

(8) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. 1.1. Objetivo General. Investigar y recopilar información sobre el estado de la investigación en cuanto a Control en Tiempo Real en Redes de Alcantarillado enfocado al Tiempo de Respuesta Hidráulica en las mismas, sus alcances y utilidad en el presente.. 1.2. Objetivos Específicos. . Exponer las diferentes definiciones de Control en Tiempo Real en Redes de Alcantarillado y sus objetivos.. . Identificar los procesos de control en tiempo real en redes de alcantarillado que se llevan a cabo alrededor del mundo.. . Documentar los diferentes softwares usados hoy en día para modelar Redes de Drenaje Urbano en tiempo real.. . Caracterizar redes de alcantarillado con potencial de control en tiempo real.. . Realizar un acercamiento al Tiempo de Respuesta Hidráulica en el marco de Control en Tiempo Real.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 8.

(9) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. 1.3. Alcance del presente estudio. El presente estudio consiste en un estado del arte sobre el Control en Tiempo Real definiéndolo y caracterizándolo; se presenta una recopilación bibliográfica de lo que está presente hoy en día en la literatura sobre el tema, incluyendo experiencias en casos de estudio internacionales al implementar este tipo de control y lecciones que han quedado con el tiempo para futuras implementaciones. La caracterización del RTC consiste en la descripción del hardware y del software necesario o utilizado hasta ahora en la implementación de dicho control. También son presentadas dos metodologías para determinar el potencial de una red de alcantarillado cualquiera para implementarle control en tiempo real, explicando los parámetros que estas metodologías tienen en cuenta para calcular esta viabilidad. Por último se exponen los posibles enfoques futuros del control en tiempo real partiendo de las falencias que se observan en el presente. Después de describir lo concerniente al control en tiempo real en redes de alcantarillado, se realiza un acercamiento a lo que hasta hoy en día se ha estudiado sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado controladas en tiempo real.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 9.

(10) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. 2. CONTROL EN TIEMPO REAL EN REDES DE ALCANTARILLADO 2.1. Qué es Control en Tiempo Real y cuál es su objetivo?. Desde que el control en tiempo real en redes de drenaje urbano se convirtió en un tema de gran interés en la investigación, su definición se ha ido adaptando a los avances tecnológicos y los requerimientos de la sociedad. En 1989, el primer reporte del estado del arte en control en tiempo real en redes de alcantarillado fue publicado (Schilling W. , 1989) y en este se dió una definición en la que dado un Sistema de Drenaje Urbano (UDS), ya sea combinado o separado, se dice controlado en tiempo real si es uno en el que los datos procesados y monitoreados actualmente, son usados para operar los reguladores del flujo durante el proceso actual. En 1996 esta definición evolucionó a la siguiente: “Un sistema de alcantarillado es controlado en tiempo real si los datos procesados tales como nivel del agua, caudal, concentraciones de contaminantes, etc, son continuamente monitoreados en el sistema y, basado en estas mediciones, los reguladores son operados durante el flujo actual y/o el proceso de tratamiento” (Schilling W. , 1996) Como se puede ver, la definición de control en tiempo real en sistemas de drenaje urbano, al cabo de casi una década, ya incluía un aspecto de calidad del agua como los son las concentraciones de los contaminantes en los factores que se monitorean periódicamente, demostrando que sus objetivos son adaptables a las necesidades sociales. Hoy en día existen 3 principales motivaciones para implementar control en tiempo real en los sistemas de aguas residuales de las ciudades : el avance en las tecnologías de medición, el nuevo objetivo enfocado a la evaluación de la calidad de agua así como lo propone el concepto de Control Integral unificando la red, la planta de tratamiento de aguas residuales y el cuerpo de agua receptor, y finalmente el progreso en metodologías y herramientas de control (Schutze, Campisano, Colas, Schilling, & Vanrolleghem, 2004). Otra definición de RTC está relacionada con la estrategia de control que se esté manejando (Local o Global, ver Capítulo 3): “Un sistema colector es controlado en tiempo real si los flujos dentro del sistema están gobernados por reguladores movibles que operan basados en el. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 10.

(11) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. comportamiento del sistema ya sea en el sitio del regulador o un en grupo de sitios” (Walski, Barnard, E, Merritt, Walker, & Whitman, 2004). Una lista jerarquizada de posibles objetivos a cumplir después de instalar RTC en una red de alcantarillado es (Schütze, Butler, & Beck, Criteria for assessment of the operational potential of the urban wastewater system, 2002): . Maximizar el tiempo durante el cual se cumplen los estándares (p.e. de calidad de agua). . Minimizar el grado en el que los estándares no se cumplen. . Maximizar el potencial de recuperación del sistema. . Maximizar el potencial de resistencia del sistema contra futuras e inesperadas perturbaciones. . Mejorar la calidad del agua del río por encima de los estándares mínimos. Objetivos más específicos como la reducción de descargas al cuerpo receptor por medio de alivios de alcantarillado combinado, el aumento de la capacidad de almacenamiento en línea, el transporte de aguas residuales a la PTAR y el tratamiento en la misma, y la disminución de sedimentos cargados por el sistema serán aplicados a casos de estudio que se verán más adelante, probando que el RTC es efectivo para cumplir con estas metas especificas “Tomando en cuenta limitaciones hidráulicas, el RTC permite reducir los volúmenes de CSO de 1/4 a 1/8 del volumen total de almacenamiento existente por evento” (Schilling W. , 1996) El control en tiempo real puede ubicarse en varios grados de automatización dependiendo del modo en el que las decisiones se toman y se ejecutan; está en el grado manual si el personal de operación es quien ajusta y posiciona los elementos actuadores (compuertas, válvulas, bombas, etc. como se verá en el Numeral 2.4), en grado supervisado si los actuadores se activan mediante controladores configurados por el personal de operación o por sistemas de supervisión, o automático si todo está controlado automáticamente (mediante computadores y mecanismos automáticos). Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 11.

(12) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Existen tres etapas por las que debe pasar todo sistema controlado en tiempo real: la primera es la Etapa de Manejo en la que se especifica el protocolo general de control (objetivos globales y estrategias), la segunda es la Etapa de Sistema en la que se establece la configuración inicial de los actuadores (posicionamiento sujeto a cambio futuros) y en si el procedimiento de control y la última y tercera Etapa en Campo en la que se ejecuta la estrategia o procedimiento de control y los actuadores son activados por los controladores para coincidir con su configuración inicial.. 2.2. Control Integrado. El control Integrado es el nuevo concepto de control en redes de alcantarillado que constituye el control de la red de alcantarillado, la planta de tratamiento de aguas residuales y el cuerpo hídrico receptor en uno solo. Este afán de integrar los tres elementos antes mencionados en un solo envolvente control simultáneo y coordinado obedece a la voluntad de simplificar modelos de simulación, ya que desde el momento en el que se deseaba evaluar el efecto de las aguas residuales (tratadas o no) sobre los cuerpos receptores, la complejidad de manejar tres diferentes submodelos, cada uno con variables distintas ( en los modelos de la red de alcantarillado se usan diferentes niveles de detalle para variables que son muy trascendentales en el modelo de la PTAR, y hasta se identifican mismas variables con diferentes nombres) creó una gran confusión en el momento de combinarlos. Una metodología de “integración” (no une sino que prioriza) de los submodelos dió luz para solucionar este problema, partiendo del hecho de que los modelos matemáticos son bastante dependientes del propósito por el que fueron creados (en el pasado el propósito de los modelos era gran precisión en la hidráulica del sistema sin enfocarse por ejemplo en la calidad del agua en los ríos), se busca para un modelo impulsado hacia la calidad de agua enfocar solo uno de los impactos que afecte el estado ecológico del cuerpo receptor y descartar el resto de la información procedente de la combinación de todos los submodelos como inoficiosa (Rauch W. , Aalderink, Krebs, Schilling, & Vanrolleghem, 1998). Con la finalidad de obviar los problemas de. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 12.

(13) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. compatibilidad entre los modelos de cada subsistema para lograr consistencia, se aconseja seguir tres pasos para una buena interconexión: . Determinar el impacto relevante sobre el cuerpo receptor. . Identificar para todos los subsistemas el mínimo conjunto de variables y procesos que son necesarios para describir correctamente el impacto. . Especificar las variables y transformaciones en las interfaces del modelo. Los pasos anteriores son aplicables para el análisis del cuerpo receptor. En general el control integrado en sistemas de drenaje urbano se caracteriza por unificar objetivos es decir que los objetivos de un subsistema siempre están relacionados con los de los otros subsistemas. Unificar información se refiere al intercambio de datos pertenecientes a otros subsistemas en el momento de tomar una decisión de control en uno específicamente, es decir encadenar el funcionamiento de todos los subsistemas mediante la unificación de información (Schutze, Butler, & Beck, 2002).. 2.3. Casos de estudio a nivel internacional 2.3.1. Alemania Alemania desde hace varias décadas presenta un elevado desarrollo en cuanto redes de alcantarillado y el tratamiento de sus aguas residuales; en la década de los ochentas ya contaba con altos estándares de tratamiento y el cubrimiento de la red de alcantarillado alcanzaba casi el 90% en Alemania-Occidental y los deshechos de más del 75% de suscriptores eran sometidos a tratamiento bilógico (Gilles, 1987). La implementación del control en tiempo real en Alemania empezó como una búsqueda de posibles soluciones a dos principales problemas:. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 13.

(14) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. La falta de información en el efecto de la reducción de CSO (Combined Sewer Overflows), en cuanto a que no se tenía suficiente información sobre el comportamiento de la cuenca en eventos de lluvia.. . No se sabía cómo diseñar y operar la red óptimamente, ya que los cálculos solían hacerse con base en un único evento de lluvia y debido a esto la máxima capacidad de almacenamiento se alcanzaba en fuertes eventos de lluvia, mientras que el resto del tiempo la red trabajaba en condiciones estáticas.. Equipos completos de control han sido instalados en ciudades como Düsseldorf, Cologne, Frankfurt, Bremen y sistemas parciales de control en Nüremberg y Munich. El hecho de poder operar la red de forma más dinámica cambiando el concepto de operación estática, impulsó a la implementación de control en tiempo real en las ciudades antes mencionadas. Se presentarán dos casos particulares de estudio en Alemania sobre el control en tiempo real implementado en las redes de alcantarillado de las ciudades de Herrenberg y EnseBremen (Weyand, 2002). . Herrenberg. El interceptor de esta ciudad tiene una diferencia topográfica de 23m y está dividido en 5 secciones, lo que permite hacer el mayor uso de su capacidad de detención. Se pueden almacenar 3600 m3 en el sistema sin tomar medidas constructivas. El actuador encargado de regular las descargas es una válvula reguladora deslizante (Throttle slide). Toda la infraestructura como tal permite el control de los volúmenes y frecuencias de los vertimientos en forma de CSO. Todos los puntos esenciales de operación están provistos con unidades de control local que están conectadas a su vez están conectadas vía control remoto al centro de control ubicado en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales. La información almacenada en las estaciones locales es enviada una vez al día al centro de control, pero en caso de problemas o fallas en la maquinaria la estación local. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 14.

(15) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. correspondiente se conecta automáticamente al centro de control y le transmite inmediatamente toda la información relevante. El centro de control claramente también puede intervenir en las acciones que se llevan a cabo en las estaciones locales, enviándoles los valores o comandos de control deseados.. En el centro de control en la PTAR toda la red de alcantarillado está representada como un diagrama de flujo en paneles, junto con las condiciones del sobreflujo, flujo entrante e incidentes que ocurran en cada estructura de control. Con la combinación del control establecido y la manipulación manual de la válvula reguladora de caudal, se redujeron en un 50% los eventos de vertimientos directos por sobreflujo al cuerpo receptor y en un 10% el volumen de estos mismo vertimientos (CSO).. . Ense-Bremen. En este sistema de alcantarillado existen 6 tanques de detención; cada uno está provisto con dispositivos que permiten regular y realizar las mediciones típicas en un sistema controlado en tiempo real como son las mediciones de caudales de salida, nivel del agua, datos de los CSO y mediciones pluviométricas. Esta información al igual que en el caso de Herrenberg es continuamente enviada al centro de control localizado en la PTAR por vía telefónica u otras líneas inalámbricas. Uno de los objetivos primordiales en este sistema es alcanzar una carga de lluvia uniforme en todos los tanques de detención en cualquier instante; por esto se busca minimizar las descargas directas al cuerpo receptor y antes garantizar que la capacidad de almacenamiento esté a tope. Con el fin de garantizar lo anterior existen dos restricciones en el programa de control: hay un volumen de almacenamiento mínimo en cada tanque de detención y hay un volumen mínimo de diferencia entre los almacenamientos de cada tanque.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 15.

(16) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. La estrategia optada en esta ciudad para evitar fallas técnicas de los dispositivos actuadores y sensores fue la de limitar cada lapso de tiempo entre cada operación de control a un mínimo de 5 minutos y así amortiguar la pérdida de datos que ocurriría.. El presente caso de estudio es una muestra de que el control en tiempo real es una excelente herramienta para utilizar. óptimamente el almacenamiento disponible (no. menor al 76%), que en este caso eran los tanques de detención, y así reducir los picos de las descargas CSO racionando estos vertimientos en unos más pequeños y menos agresivos con el cuerpo receptor. La Ilustración 2-1. Número de eventos CSO en 6 tanques de detención en Ense-Bremen muestra los resultados en cuanto a eventos CSO para los 6 tanques de detención en condiciones de control estático y sin control.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 16.

(17) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Ilustración 2-1. Número de eventos CSO en 6 tanques de detención en Ense-Bremen (Weyand, 2002). La Ilustración 2-2. Despliegue visual típico en un sistema de RTC muestra un despliegue visual de las mediciones continuamente transmitidas, lo que es muy útil para el personal que opera un sistema de control en tiempo real.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 17.

(18) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Ilustración 2-2. Despliegue visual típico en un sistema de RTC (Weyand, 2002). 2.3.2. Quebec, Canadá. La Comunidad Urbana de Quebec (QUC) cuenta con un sistema de drenaje urbano controlado en tiempo real a nivel global desde el verano de 1999 debido a las metas ambientales impuestas por el Ministerio de Ambiente de disminuir la frecuencia de sobreflujos de aguas residuales a 2 por año en el rio St. Lawrence y a 4 por año en el rio St. Charles. El control es óptimo predictivo y puede funcionar bajo tres modalidades o estados: el primero es el control local de cada actuador, el segundo es una operación coordinada de estaciones locales (incluyendo estaciones locales interconectadas) y por último el tercero es un RTC global óptimo predictivo. Los objetivos del control en orden de importancia son: . La minimización de descargas mediante alivios de alcantarillado combinado. . La maximización de la capacidad de la planta de tratamiento. . La minimización de volúmenes acumulados. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 18.

(19) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. La minimización de las variaciones de los puntos de referencia (en niveles de agua, caudales máximos y mínimos, concentraciones de contaminantes, etc.). El sistema de drenaje cuenta con 22 elementos reguladores bajo el mando de la estrategia de control establecida. Con la implementación del RTC, que maximizó la capacidad de la PTAR del Oeste de la comunidad urbana de Quebec se logró una reducción en el volumen de las descargas del 70% en el año 2000 (Schutze, Campisano, Colas, Schilling, & Vanrolleghem, 2004), que es un buen resultado al compararlo con estudios previos que predijeron una disminución de las descargas en la playa Jacques - Cartier en aproximadamente 50% de la frecuencia y en 60% del volumen total. En los tres primeros años de operación no se construyó ninguna infraestructura adicional a la existente ya que en principio solo se quería aprovechar la capacidad de almacenamiento disponible, pero se instalaron tres computadores en el centro de control (tiempo - real, manejo de datos y registros meteorológicos), un control lógico programable (PLC) y un radio moderno. El computador de tiempo – real está dedicado a todas las operaciones RTC y al soporte para software especializados: . Un software de supervisión.. . Un software GOC (sus datos de entrada son intensidades de lluvia presente y futuras obtenidas del modelo meteorológico CALAMAR (Jaquet, Piatyszek, & Lyard, 2002)) medidas del medidor de lluvia, caudales o volúmenes medidos o computados en las estaciones locales, medidas del nivel de agua, apertura de compuertas, máximos caudales bajo compuertas, capacidades de las estaciones de bombeo y de las PTAR primaria y secundaria, corriente en el río St. Lawrence así como diferentes tipos de alarmas (p.e., mal funcionamiento en las compuertas, sensores invalidados, alarmas hidráulicas)).. . Un modelo hidráulico- hidrológico no lineal basado en simplificaciones de las ecuaciones de continuidad y momento donde la pendiente de fricción está definida por la fórmula de Manning.. . Un algoritmo programable no lineal.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 19.

(20) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. En la pantalla de supervisión, el operador puede visualizar todos los valores medidos (p. e., nivel del agua, posición de la compuerta, caudales, intensidades de lluvia) así como alarmas y también el estado de los valores procesados en las estacione locales. Cada estación local puede ser controlada bajo una modalidad manual o automática. En la modalidad de control automático, una sección de la red puede ser operada bajo un caudal establecido por el operador (modo de control operador caudal) o bajo un caudal fijo computado por el esquema GOC (automático GOC). Es importante resaltar que cualquiera de las modalidades de control (manual, operador automático o automático GOC) entra en la valoración global del sistema, pues los puntos de referencia de caudal, fijados por dichas modalidades intervienen en el comportamiento del modelo hidráulico para la sección estudiada que es constantemente actualizado con las mediciones provenientes de cada estación. Se puede decir que las causas del éxito del control en la red de alcantarillado occidental de la QUC residieron en 4 factores cruciales: . La completa utilización de infraestructura de almacenamiento, transporte y tratamiento.. . El control del caudal que se dirigía a la PTAR.. . La prevención de sobrecargas controlando los caudales aguas arriba.. . La robustez del sistema en cuanto a las situaciones por defecto.. Algunas acciones para fortalecer la robustez, es decir amortiguar el sistema de incertidumbres o situaciones inesperadas, fueron la validación, depuración de datos y calibración actualizada de mediciones. Al mismo tiempo el sistema está configurado para que en caso de pérdida de comunicación entre el centro de control y las estaciones locales por un período que excede el horizonte de control de 2 horas, el modo operativo cambia a local delegando a las estaciones locales la toma de decisiones de control (posicionamiento de compuertas), para prevenir inundaciones y averías en la red. Algo similar son los “degraded modes” que conforman un conjunto de reglas aplicadas en caso de fallas o problemas con el objetivo primario de proteger los trabajadores, la maquinaria y los ciudadanos de inundaciones y sobrecargas del sistema. También se garantiza redundancia en la medición de datos hecha por los dispositivos concernientes.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 20.

(21) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. En condiciones de clima seco el modo operativo de todas las estaciones locales se fija en control estático. Las compuertas son posicionadas para prevenir la retención de agua en los sitios de almacenamiento y para tratar los caudales pico del clima seco en la PTAR. Lo anterior se hace con la finalidad de ahorrar en el consumo de energía y garantizar una larga vida útil de los dispositivos mecánicos. En 1999 ocurrió una falla de potencia en la PTAR. La pérdida de capacidad de tratamiento fue reportada automáticamente a la estación central. Esto obligó al sistema de RTC a cambiar al modo a condiciones de clima húmedo. Las aguas residuales fueron acumuladas dentro de los 2 túneles hasta que la energía regreso una hora después. A no ser por el sistema de control, las aguas residuales hubieran sido totalmente vertidas al río (Pleau, Colas, Lavallée, Pelletier, & Bonin, 2005). El desempeño del sistema bajo control global óptimo permitió una reducción de las descargas directas del 87% (para 7 eventos de lluvia registrados durante el verano de 1999 mediante un mejor uso de la capacidad de almacenamiento de los 2 túneles y con un mejor control de los caudales transmitidos a la PTAR) frente al control estático. El sistema de telecomunicaciones probó ser efectivo transmitiendo información pues más del 90% de los casos ésta fue enviada y recibida con éxito hacia las estaciones locales. El modelo usado como almacenador, procesador y simulador de los datos pluviométricos (CALAMAR®) hizo predicciones de intensidades de lluvia que coincidían el 30% con las ocurridas el 95% de las veces. Las actividades de Operación y Mantenimiento para el sistema RTC de la Comunidad Urbana de Quebec comprenden: . Los sensores deben ser limpiados semanalmente. . Las compuertas y demás actuadores hacen parte de la rutina de mantenimiento mecánico. . La calibración del modelo de predicción meteorológica CALAMAR® debe ser validada al cabo de 3 meses. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 21.

(22) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. Para la base de datos el control de calidad debe ser presentado como procesamiento mensual de los archivos. El control de calidad también debe ser presentado cuando se modifique la configuración de la red de alcantarillado. . Los modelos hidráulicos deben ser calibrados anualmente, y las estadísticas y reportes del desempeño alcanzado y en condiciones por defecto deben ser compilados al finalizar cada evento de lluvia. Finalmente se espera que el costo de implementar GOC para municipios más grandes que la QUC no sea mucho mayor, mientras que para municipios más pequeños la depreciación en costos no es lineal (para la mitad del tamaño será más costos que la mitad del precio).. 2.3.3. Barcelona, España. La red de alcantarillado de la ciudad de Barcelona consta de 1450 km de longitud entre tuberías principales y colectores, hay 7 estaciones de bombeo y 3 compuertas que regulan las aguas del alcantarillado combinado. En esta red hay el control en tiempo real se da en 55 estaciones locales o remotas y se cuenta con 22 medidores aforados de lluvia y 39 limnímetros. Dos de las compuertas están ubicadas bajo el suelo en una cámara de derivación, con la finalidad de hacer divergir el flujo en dos posibles caminos a la cuenca de Riera Blanca o la de Diagonal – Barceloneta (Rodés, Marqués, & Sansalvadó, Diciembre 1998). El control en tiempo real se lleva a cabo en dos niveles, a nivel local y a nivel global; a nivel global se maneja un control óptimo que se desarrolla gracias a un modelo de calibración continua o recalibración (MCC). El objetivo de la operación controlada de las compuertas es la de vigilar e intervenir en el caudal de aguas que se conduce a la PTAR, y en el que pueda causar inundaciones o descargas. El procedimiento de control que se realiza es el siguiente: . Medición y adquisición de datos en los puntos de la red donde se encuentren los medidores o de donde se requiera (datos de precipitación y niveles de agua).. . Envío de datos a la estación central, procesamiento y análisis de los mismos.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 22.

(23) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. . Toma de decisiones respecto al posicionamiento de las compuertas.. . Envío de estas decisiones para ser ejecutadas.. . Proyección de los efectos de las decisiones tomadas y estados gráficos de los actuadores.. El anterior es un proceso reactivo ya que el modelo hidráulico empieza a simular cuando hay una necesidad de cambiar el posicionamiento de las compuertas y óptimo porque después de evaluar muchas posibles posiciones de las compuertas escoge la mejor opción. Dado que hay temporadas secas y húmedas en Barcelona, el alcantarillado combinado, o unitario, debe adaptarse a las variaciones climáticas y por tanto el control de este cambia en ambas condiciones. Para la época seca y cuando ocurren fallas técnicas y de comunicación entre el centro de mando y las estaciones remotas, la estrategia de control se enfoca en el nivel local, que trabaja bajo configuraciones preestablecidas (a partir de datos históricos y modelos) de las compuertas con base en los datos obtenidos por sensores de nivel de agua cercanos a estas; la ventaja del control a nivel local es que no debe haber recepción de órdenes desde centro de control evitando los errores de comunicación que puedan suceder y así las acciones sobre los actuadores se hacen inmediatamente. En temporadas de lluvia la estrategia de control se concentra en el nivel global y las decisiones son tomadas con base a las mediciones de todos los sensores de la red reportadas al centro de control; esto implica ventajas frente al control local ya que las decisiones que se toman están basadas en el estado de toda la red en conjunto y así su ejecución se puede dar simultáneamente en toda la cuenca. Mediante el uso de un modelo que se describirá en el Numeral 2.5 con más detalle, se operaron las compuertas de derivación bajo un control óptimo con la finalidad de encontrar las acciones que se deben hacer sobre estas; en dicho modelo se usa una función de optimización matemática para disminuir el riesgo de inundaciones en las calles durante episodios lluviosos y como característica particular es un modelo de calibración constante (MCC), es decir que los cálculos se van haciendo con datos contantemente actualizados. Como resultado del control aplicado se logró reducir los picos de los hidrogramas en el caso de Gran vía - Aribau en casi un metro y en el de Gran vía Amadeu Olleren unos 0,30 metros (Rodés, Marqués, & Sansalvadó, Diciembre 1998), ambos ramales controlados cada uno por una compuerta y aforados con sensores de nivel. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 23.

(24) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. La implementación de control global óptimo (GOC) en la red de alcantarillado de Barcelona permite un conocimiento constante de su estado y así tomar decisiones de control más objetivas. Al automatizar el manejo de las compuertas se estaría incursionando en la teleregulación del sistema después de una etapa anterior de conocimiento actualizado la cual es la telesupervisión.. 2.3.4. Italia. . Cascina Scala (Pavia) y Fossolo (Bologna). Las redes de alcantarillado de estos dos sectores residenciales en Italia fueron caso de estudio en cuanto a implementación de control en tiempo real, con el objetivo de mejorar el desempeño de la planta de tratamiento de aguas residuales y disminuir las descargas CSO a los cuerpos hídricos receptores.. En ambos colectores se considerará para efectos de la simulación, un sistema simple de un colector de alcantarillado largo y una presa lateral de cresta alta con un orificio en el fondo. También se consideraron 2 compuertas móviles aguas arriba del alivio controladas en tiempo real con el fin de que generen un máximo almacenamiento en la red. Se adoptó un control en tiempo real local. La Ilustración 2-3. Disposición de actuadores para la simulación en Cascina Scala y Fossolo .. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 24.

(25) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Ilustración 2-3. Disposición de actuadores para la simulación en Cascina Scala y Fossolo (Campisano, Creaco, & Modica, 2004). La simulación consiste en evaluar la eficiencia que tendría el proceso de tratamiento de aguas residuales y el comportamiento de las descargas CSO en varios escenarios; el primero sería uno donde no hay ningún control, el segundo sería cuando solo una de las dos compuertas es móvil (la que esté más cerca de la presa) y el tercero cuando ambas compuertas son móviles (claramente operadas en tiempo real). Para lo anterior con base en registros históricos de lluvias en ambas cuencas se evalúan las gráficas de contaminación, que en este caso representan la variación de la masa total de sólidos suspendidos en el tiempo, y los hidrogramas. En particular la simulación mostró que bajo los escenarios de control en tiempo real maniobrando una de las compuertas o ambas, se reduce el volumen descargado total (aunque debido a la estrategia local adoptada los picos de CSO se acentúan); en cuanto a los contaminantes conducidos a la planta de tratamiento también se observó una reducción para los escenarios de control, y el incremento de la masa total tratada sin exceder el máximo de la planta.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 25.

(26) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. El modelo implementado para llevar a cabo la simulación está soportado en las ecuaciones dinámicas St. Venant para flujo y en las ecuaciones de advección – dispersión para modelar la carga de contaminantes (Campisano, Creaco, & Modica, 2004). En general se probó que el alivio de sobreflujos junto con la operación de compuertas móviles que modifican el almacenamiento en línea del sistema disminuye el volumen de los vertimientos de sobreflujos, los contaminantes totales que son tratados en la PTAR y aumenta el caudal total que es tratado en la planta.. . Roma-Cecchignola. Para la red de alcantarillado combinado de Roma-Cecchignola se hizo un estudio para determinar la mejor configuración de reguladores como compuertas y vertederos con la finalidad de maximizar el almacenamiento en línea, enfrentando dos estrategias: la primera es de control local simple donde las operaciones decididas para cada vertedero son independientes y permiten alcanzar un nivel del agua aguas arriba fijo, que fue establecido al 85% de la altura de la tubería para así evitar problemas de inundaciones o sobrecargas. La segunda estrategia es la de un control global simple aplicado al nivel de almacenamiento de los tanques de detención di y se evalúa comparando el nivel de llenado individual en línea instantáneamente. Bajo esta segunda estrategia los niveles de llenado en cada tanque di tenderán al promedio entre los niveles de todos los tanques dm y para controlar esta tendencia se fijó una desviación mínima del 1% entre el valor de di y el de dm.. La estrategia local empieza a ser activada cuando el nivel del agua en los colectores alcanza el 85% de los mismos. La estrategia global en cambio, empieza activando los vertederos solamente cuando hay descargas CSO. La simulación parte con hidrogramas registrados de 15 eventos de lluvia en 7 sub cuencas, obtenidos de un solo pluviómetro. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 26.

(27) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. que resultó ser suficiente para el caso (Campisano, Schilling, & Modica, 2000). Este criterio de activación con base en eventos e hidrogramas de lluvia no es el más apropiado ya que de acuerdo con estudios de implementación de RTC (Schilling W. , 1996) la disminución en vertimientos por sobreflujo es constante y el alcance del mínimo pareciera depender de la capacidad de almacenamiento en línea y no de las cargas por agua lluvia (ver Ilustración 2-4. Relación entre la capacidad de almacenamiento y el numero de compuertas en una red de alcantarillado ).. Una metodología simple que consta de dos pasos se desarrolló con el fin de encontrar una buena configuración de los reguladores que se quieren ubicar en el sistema, eligiendo un número intuitivo de actuadores y situándolos de una manera sencilla primero y después comprobando la reducción de vertimientos a través del alivio. Para el primer paso la ubicación y altura de las compuertas es más sencillo de determinar que su número, aun sabiendo que el almacenamiento es proporcional al número y la altura de estas. Si la determinación de las alturas, posiciones y número de compuertas se hace bajo condiciones normales de operación (el caudal de operación normal es 30 veces menor al pico de eventos de lluvia), esta disposición no es óptima para las descargas a través del vertedero pues en eventos de lluvia el comportamiento debe ser diferente, entonces se usan las condiciones hidrostáticas únicamente para esquematizar el sistema.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 27.

(28) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Ilustración 2-4. Relación entre la capacidad de almacenamiento y el numero de compuertas en una red de alcantarillado (Campisano, Schilling, & Modica, 2000). Además de relacionar el número de compuertas con la capacidad de almacenamiento total, se relacionó el número de compuertas con las descargas mediante alivios de alcantarillado combinado, para las estrategias local y global. Los resultados no arrojaron tendencias muy claras para el caso de control local; de lo contrario en el caso de control global se observó un claro decrecimiento de las descargas a medida que el número de compuertas aumentaba. Para el análisis de los 15 eventos de lluvia registrados se creyó conveniente usar solo 4 compuertas controladas a nivel global. Los resultados de 150 simulaciones para combinaciones de 15 eventos de lluvia, 5 diferentes números de compuertas y estrategias local y global, siempre fueron mejores a nivel global con mayor cantidad de compuertas, logrando una disminución de descargas del 2% para eventos muy fuertes de lluvia y una eliminación total de las descargas para los eventos suaves. En el caso del control a nivel local las descargas aumentaron cuando los eventos de lluvia eran. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 28.

(29) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. muy suaves, cuando no el máximo de volumen reducido fue del 46% (Campisano, Schilling, & Modica, 2000).. 2.3.5. Seattle, Estados Unidos. Muchas ciudades Norteamericanas han planeado implementar un control centralizado de sus redes de alcantarillado pero hasta 2005 únicamente Seattle operó la red con control global óptimo (GOC) de 1992 a 1995 (Pleau, Colas, Lavallée, Pelletier, & Bonin, 2005); se decidió que esta estrategia de control no debía seguir siendo llevada a cabo porque no había confiabilidad en las mediciones arrojadas por los sensores, la operación de las compuertas y en los sistemas de telecomunicaciones, además los computadores programables tardaban mucho realizando cálculos, la información hidráulica e hidrológica no era siempre precisa ni estaba siempre disponible y finalmente el sistema no era resiliente frente a situaciones de emergencia. Estos problemas que solían presentarse hace más de una década, han sido solucionados gracias a los avances tecnológicos y la experiencia adquirida internacionalmente en el tema de control en tiempo real en redes de alcantarillado.. 2.4. Características del Hardware necesario en un sistema controlado en tiempo real Una red de Drenaje Urbano que esté controlada en tiempo real debe estar equipada con dispositivos aptos para que las condiciones variables del sistema puedan ser monitoreadas y enviadas, si se requiriese, al centro del control. Estos dispositivos son: a) Sensores: Su función es monitorear los cambios en el proceso, existen sensores para medir precipitación, niveles de agua, caudales y calidad del agua. . Precipitación: Aunque también es posible obtener datos de eventos de lluvia mediante radares meteorológicos los medidores de lluvia pluviómetros o. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 29.

(30) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. fluviógrafos pueden ser pluviómetros de balancín, medidores de peso o contadores de gotas. . Nivel de agua: Estos medidores son esenciales para determinar el nivel en las tuberías a flujo libre, determinando también el estado de almacenamiento del sistema. Pueden ser hidrómetros flotantes, medidores de presión inductiva o medidores sónicos.. . Caudales: Pueden ser medidores de nivel que convierten a caudales, o medidores de velocidad del flujo (ultrasónicos o electromagnéticos).. . Calidad del agua: Los sensores de contaminación miden materia orgánica, nutrientes (amoníaco, nitratos de nitrógeno y fósforo), turbiedad, toxicidad, etc. Otros dispositivos que sirven para monitorear la calidad del agua son sensores de pH, conductividad, potencial redox, absorción de rayos UV e IR; pero adquirir la información buscada a partir de las lecturas de estos dispositivos es aun complejo.. b) Actuadores: Estos son los elementos físicos que intervienen en el flujo o en a infraestructura para ejercer las decisiones de control. . Bombas: Pueden estar conformadas en serie o en paralelo y funcionar con velocidad constante o variable.. . Compuertas: Ya sean deslizantes, radiales o de esclusa cumplen diferentes funciones como almacenamiento en línea o división del flujo en varios caminos, restringiendo su paso en las tuberías o en otras partes del sistema.. . Presas: Transversales o laterales las cuales pueden ser manipuladas al igual que una compuerta para generar almacenamiento si es movible, o si es estática para reducir vertimientos de sobre flujo de aguas residuales.. . Válvulas: Elementos usados para regular o restringir del todo el flujo. . Otros elementos como sifones y canaletas que eviten el escape del flujo o lo reparten en varios caminos.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 30.

(31) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. Dosificadores químicos: Al incorporar sustancias que mejoran la calidad del agua en rangos permitidos a los tanques de mezclado, mejoran las condiciones de calidad del agua.. . Dispositivos de aireación: Como es sabido muchos de los procesos de remoción de contaminantes se hacen con oxígeno, y para llevar a cabo este proceso en las PTAR se necesitan dispositivos aireadores y su costo puede ser determinante.. c) Los controladores hacen parte de un importante aspecto del control del sistema pues de acuerdo con su funcionamiento que puede ser uno de reacción o uno previsivo, dependerá su señal al actuador. Un controlador que funciona a reacción notará la diferencia entre un punto de referencia “set point”, ya sea del nivel de agua, caudal, precipitación, calidad, etc, y un punto medido en el proceso de control y después activará un actuador, pero si esta desviación no ocurre el controlador no enviará ninguna señal al actuador. Los controladores que funcionan previsivamente no esperan a que una desviación entre un punto de referencia y uno medido en tiempo real se dé, en cambio estos anticipan el valor futuro mediante un modelo del proceso.. Existen varios modos de control o estados en los que un controlador se puede encontrar; el más común entre el modo de control discreto es el de encendido/apagado o abierto/cerrado así es como funciona por ejemplo una bomba, y la diferencia entre los dos niveles o estados se llama banda muerta. También existen controladores que funcionan en tres-puntos donde el punto o nivel medio es el que corresponde al estado anterior. Hoy en día los Controladores Lógicos Programables (PLC) son mucho más usados que los controladores análogos, debido a que estos son capaces de adquirir las mediciones hechas, pre procesan de las mismas, realizan un chequeo del estado, almacenan temporalmente los datos, calculan las acciones de control y tienen tanto recepción como reporte de información de la estación central o centro de control.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 31.

(32) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. Toda la información recolectada en el proceso de control llega al centro de control o estación central donde un sistema de control de supervisión y adquisición de datos la maneja. La transmisión de datos del sistema y la generación de alarmas se da desde este mismo lugar, y esto se hace a través de líneas telefónicas exclusivas, o por sistemas de comunicación inalámbrica tales como radio, sistemas celulares, o dispositivos de telecomunicación satelital. Aparte de elementos para la transmisión de la información son necesarios elementos que hagan más amigable la interacción entre las personas y el sistema de control en tiempo real es decir que este debe estar equipado con pantallas, paneles u otros elementos que hagan comprensibles los procesos y datos que están circulando periódicamente.. 2.5. Algunos algoritmos y softwares desarrollados para modelar el RTC. Un modelo operacional, en este caso, de un sistema de drenaje urbano está constituido por un grupo de ecuaciones que representan las variables hidráulicas en juego y su comportamiento bajo el control de los actuadores (compuertas, presas, bombas y válvulas) aunque estos mismos también cuenten con sus propios modelos operacionales que los describen. Su utilidad radica en que permite observar y evaluar previamente las consecuencias que traen las decisiones (posiciones de los actuadores) del control, todo esto en cortos procesos computacionales. El modelo hidráulico - hidrológico utilizado para simular el recorrido de las aguas residuales desde que entran al sistema y mientras que viajan por el alcantarillado, debe cumplir con las siguientes condiciones (Martí, 1994): . Sencillez. . Globalidad. . Velocidad. . Flexibilidad. . Refinamiento progresivo. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 32.

(33) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. Calibrabilidad: Una calibración adaptativa en tiempo real permite un manejo actual del proceso y mayor facilidad de su uso pues se adapta a condiciones de mayor complejidad gracias a la calibración en tiempo real.. . Resolubilidad: Se debe garantizar el funcionamiento de los algoritmos en el campo del control automático.. . Optimabilidad: El modelo debe permitir procesos de maximización de los beneficios buscados y minimización de impactos indeseados por ejemplo maximización del uso de la infraestructura disponible y minimización de inundaciones.. 2.5.1. Modelo RHINOS. Para 1993 la mayoría de modelos de sistemas de drenaje urbano habían sido principalmente para propósitos de diseño de redes de alcantarillado o de rehabilitación (Yuan, Tilford, Jiang, & Cluckie, 1999) así que se desarrolló un modelo con la finalidad de aplicarlo en el control en tiempo real predictivo, encontrando los caudales de redes de alcantarillado con la distribución de lluvias procedente de un radar de clima como dato de entrada. El procedimiento desarrollado es conocido como RHINOS (Real-time urban Hydrological Infrastructure and Output modelling Strategy); las ecuaciones que este procedimiento usa son capaces de modelar el caudal de agua lluvia aun en alcantarillados combinados; trabaja con variables predichas por el modelo y con parámetros observados pero en caso de que estos últimos no estén disponibles en un momento dado, pueden ser sustituidos por el valor arrojado por el modelo; esta característica hace al modelo robusto y resiliente a pérdidas de información por el mal funcionamiento de instrumentos, lo que es un problema muy común. Las variables que hacen parte del modelo RHINOS son las pérdidas variables en el tiempo, el sistema de distribución de datos de entrada (en tiempo y en espacio), efectos de enrutamiento del canal y contribuciones de caudales laterales. Los 3 pasos que se desarrollan en un modelo RHINOS son los siguientes: adquisición de conocimiento sobre el UDS, abstracción de nodos y conectores y la identificación de los cinco. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 33.

(34) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. parámetros CPTF (η, n τ, Δ, α) para cada conector, los cuales hacen parte de las ecuaciones que conforman el modelo. En un caso de estudio en el que se deseaba probar la efectividad del modelo tomando como objetivo el sistema central de drenaje urbano ubicado en Bolton Town (Noreste de Inglaterra); se compararon los datos de salida del modelo y los datos de salida del sistema para cuatro eventos de lluvia consecutivos . Los objetivos de este caso de estudio fueron: detectar el tiempo y duración de los sobreflujos ya sea en tanques que no están en línea o como descargas a través de alivios, y predecir la carga total de aguas residuales y con ello la capacidad de almacenamiento del sistema. Al comparar los hidrogramas predichos y los observados se encontró que coincidían, y al mismo tiempo los predichos cumplieron con los objetivos fijados. Como conclusión se tiene que la identificación y la actualización de los parámetros del modelo requiere tanto niveles de precipitación observadas y predichas como datos observados del flujo en el alcantarillado combinado.. 2.5.2. Modelo GLOTAR. Para el estudio de las compuertas de derivación en la red de alcantarillado de Barcelona se desarrolló un modelo con la herramienta Matlab, que consiste en dividir la red de alcantarillado en grupos de colectores contiguos y reemplazarlos por depósitos virtuales interconectados; se realizó una importante simplificación matemática suponiendo el caudal como función lineal del volumen; pero lo más interesante de este modelo es que al contar con una calibración adaptativa o recalibración sus parámetros no son estáticos sino que por el contrario sus cálculos se van actualizando a medida que el sistema de telesupervisión los proporciona de nuevo y permitiendo que el sistema responda con mayor flexibilidad a situaciones de cambios bruscos o a episodios que no se hayan presentado anteriormente. Los valores arrojados por el modelo deben ser ajustados con los datos obtenidos de los sensores de medición. El software que recibe y procesa los datos resultantes del modelo en tiempo real, se llama GLOTAR (desarrollado en C) y entre sus funciones está: activar el control global al detectar lluvia en alguno de los pluviómetros del modelo o cuando. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 34.

(35) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. el usuario desee activarlo, adquirir y verificar las mediciones de los sensores que llegan al centro de control, procesar dichas mediciones, realizar el ajuste con el modelo, escoger la disposición optima de las compuertas y enviar esta estrategia a la estación remota o local donde se pone en marcha (Rodés, Marqués, & Sansalvadó, Diciembre 1998).. Ilustración 2-5. Diagrama de datos de entrada y de salida de GLOTAR (Weyand, 2002). 2.5.3. Programa SYNOPSIS. Más recientemente se desarrolló una herramienta de simulación, llamada SYNOPSIS (software package for SYNchronous OPtimisation and SImulation of the urban wastewater Systems) la cual modela sistemas de drenaje urbano y calcula el potencial que éstas tienen para implementarles control en tiempo real. Este paquete de simulación tiene en cuenta la mayoría de partes de un sistema de drenaje urbano y la forma en la que interactúan entre sí, ya que sus principios yacen en el concepto de control integrado; lo anterior se evidencia en los tres subprogramas de Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 35.

(36) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. simulación que hacen parte de SYNOPSIS, uno para la red de alcantarillado, otro para la planta de tratamiento de aguas residuales y el último para el río o cuerpo receptor. Los primeros dos subprogramas son corridos simultáneamente y el tercero después de forma secuencial. Después de ser probado el modelo dió resultados coherentes con sus predicciones del potencial de las redes evaluadas.. 2.5.4. ANN (Artificial Neural Networks Algorithms). Las redes neuronales son importantes métodos de inteligencia artificial basados en el funcionamiento de cerebros animales y sus complejos sistemas neuronales. Con el fin de imitar estos procesos biológicos, que al recibir impulsos o entradas por medio de conexiones con los demás elementos del sistema (neuronas) emiten una reacción o salida, se busca modelar un algoritmo de control que integre los objetivos de minimizar descargas CSO y maximizar el caudal que viaja a través de una red de alcantarillado hacia la planta de tratamiento en eventos de lluvia durante intervalos de tiempo definidos. Al tratar de unificar un modelo de control global con uno que predice los caudales de entrada en una cuenca debido a la precipitación, los cálculos computacionales pueden tomar largos periodos de tiempo debido a su naturaleza no lineal lo que no es una opción cuando de control en tiempo real se trata. Para solucionar este problema el uso de algoritmos neuronales es la herramienta adecuada, pues como se verá su aplicación en el control del sistema de alcantarillado de la ciudad de Seattle, Washington, USA el cual consta de 160 km de alcantarillado que funcionan por gravedad, 11 estaciones de bombeo y 17 estaciones reguladoras, fué exitosa. Con la disposición de un algoritmo de control óptimo llamado OPTCON el cual necesita como datos de entrada los registros de lluvia sobre la cuenca, se han tenido buenos desempeños en cuanto a la reducción de descargas a los cuerpos hídricos cercanos a la ciudad y en cuanto al control operacional de compuertas; pero al comparar este desempeño con el del algoritmo ANN que no necesita de un. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 36.

(37) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. ICIV 20092018. completo conocimiento previo de la información meteorológica, se obtienen resultados muy similares, como se observa en la Ilustración 2-6 para la estación de Connecticut Street.. Ilustración 2-6 (Darsono & Labadie, 2007). El ANN arroja resultados muy similares a los que el programa de control óptimo OPTCON da, con la diferencia que el algoritmo neuronal no necesita de conocimiento previo de toda la información meteorológica de la cuenca, aspecto que genera largos periodos de cálculo computacional. Otra ventaja que tiene el algoritmo ANN es que reúne un modelo que describe toda la dinámica de un sistema hidráulico de alcantarillado (modelo UNSTDY (Darsono & Labadie, 2007)) con uno que opera bajo la teoría de optimización de decisiones de control (OPTCON). Además las redes neuronales aplicadas a este caso pueden amortiguar fácilmente la variabilidad de los datos de lluvia como intensidades y distribuciones. Los datos de entrada que requiere el algoritmo de redes neuronales son: . Datos de distribución de lluvia actuales y registros históricos de la misma.. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 37.

(38) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de investigación en Acueductos y alcantarillados-CIACUA Estudio sobre el Tiempo de Respuesta Hidráulica en redes de alcantarillado – Control en Tiempo Real. . ICIV 20092018. Estados de control de las compuertas (u otros reguladores) en el pasado, esto para reproducir fielmente el control óptimo de UNSTDY/ OPTCON.. El algoritmo ANN puede ser mejorado mediante la adición de mediciones en tiempo real de niveles de agua y caudal en cuanto al modelo hidráulico; y mediante mediciones meteorológicas por radar (Yuan, Tilford, Jiang, & Cluckie, 1999).. Maria Paula López Ruiz. Proyecto de grado. 38.

Referencias

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