Automatització i control d’una planta potabilitzadora d’aigua

TITULACIÓ: Enginyeria Automàtica  i Electrònica Industrial

AUTORS: Néstor Vallejo Sabanés.DIRECTORS: Lluís Massagués Vidal.

DATA: Maig / 2007.

Índex

 1 Introducció........................................................................................................................7 1.1 Objecte del projecte ......................................................................................................................7 1.2 Antecedents ..................................................................................................................................7 1.3 Abast del projecte .........................................................................................................................7 1.4 Segon objectiu ..............................................................................................................................8

 2 Dimensió del procés de potabilització...........................................................................10 2.1 Segons els paràmetres físics i químics de l’aigua a tractar .........................................................10 2.2 Segons les dimensions de la planta..............................................................................................10

 3 El procés de depuració de l’aigua.................................................................................13 3.1 El procés físic i químic per a aigües del tipus A2........................................................................13 3.2 Les instal∙lacions de potabilització..............................................................................................14

 4 Descripció de la planta potabilitzadora del municipi d’Alcampell............................17 4.1 Esquema sinòptic del procés de la planta potabilitzadora d’Alcampell.......................................17 4.2 Captació remota de l’aigua..........................................................................................................17 4.3 Estació de bombeig......................................................................................................................18 4.4 Ramal d’impulsió.........................................................................................................................19 4.5 Basses de regulació......................................................................................................................19 4.6 Bombeig a ETAP.........................................................................................................................20 4.7 Estació de tractament d’aigua potable ETAP...............................................................................20 4.8 Dipòsit d’aigua tractada...............................................................................................................22 4.9 Bombeig al municipi d’Alcampell...............................................................................................22 4.10 Pou de desguàs...........................................................................................................................23

 5 Adaptacions necessàries en la planta per a implementar el control..........................25 5.1 Modificacions en la captació del canal........................................................................................25 5.2 Adaptacions en l’estació de bombeig...........................................................................................26 5.3 Modificacions en el ramal d’impulsió.........................................................................................26 5.4 Adaptacions en la zona de les basses de regulació......................................................................26 5.5 Modificacions en l’etapa de bombeig a ETAP............................................................................26 5.6 Modificacions en l’estació de tractament d’aigua potable ETAP................................................27 5.7 Adaptacions en el dipòsit d’aigua tractada..................................................................................29 5.8 Adaptacions en les instal∙lacions de bombeig al municipi d’Alcampell......................................29 5.9 Adaptacions en el pou de desguàs...............................................................................................30 5.10 Altres modificacions en la planta...............................................................................................30

 6 Elements de control de la planta. Llistat E/S...............................................................32 6.1 Captació remota de l’aigua..........................................................................................................32 6.2 Estació de bombeig......................................................................................................................32

2

 6.3 General estació captació i bombeig.............................................................................................34 6.4 Bassa de regulació.......................................................................................................................34 6.5 Bombeig a ETAP.........................................................................................................................34 6.6 ETAP...........................................................................................................................................35 6.7 Dipòsit d’aigua tractada i bombeig..............................................................................................36 6.8 Pou de desguàs.............................................................................................................................37 6.9 General ETAP i bombeig.............................................................................................................37

 7 Característiques que ha de satisfer el sistema d’automatització...............................40 7.1 Permetre implementar control distribuït......................................................................................40 7.2 Control en temps real...................................................................................................................40 7.3 Treballar amb elements de camp analògics  i discrets.................................................................41 7.4 Adaptació del control a processos seqüencials............................................................................41 7.5 Robustesa de l’equip de control...................................................................................................41 7.6 Seguretat i fiabilitat......................................................................................................................41 7.7 Resposta fiable en tots els estats del procés.................................................................................42 7.8  Facilitat de manteniment.............................................................................................................42 7.9  Flexibilitat per adaptació a canvis en el procés...........................................................................42

 8 Alternatives de control...................................................................................................44 8.1 Segons l’arquitectura del sistema: control local o distribuït........................................................44

 8.1.1 Arquitectura local, control centralitzat................................................................................44 8.1.2 Arquitectura distribuïda, control distribuït .........................................................................44

 8.2 Segons els busos de comunicacions: propietaris o oberts............................................................44 8.2.1 Busos propietaris.................................................................................................................45 8.2.2 Busos oberts........................................................................................................................45

 8.3  Segons els elements de control : PC’s o PLC’s..........................................................................46 8.3.1 Control amb PC...................................................................................................................46 8.3.2 Control amb PLC.................................................................................................................46

 9 Sistema de control .........................................................................................................48 9.1 Solució adoptada .........................................................................................................................48

 9.1.1 Arquitectura distribuïda ......................................................................................................48 9.1.2 Bus de comunicacions obert ...............................................................................................48 9.1.3 Control amb autòmats programables  PLC's.......................................................................49

 9.2 Sistema de control........................................................................................................................49 9.2.1 Xarxa de control i comunicacions.......................................................................................49 9.2.2 Dominis de colisió   ............................................................................................................50 9.2.3 Enllaç per radio entre estació de bombeig i planta potabilitzadora.....................................52 9.2.4 Antena de comunicació entre estacions...............................................................................54 9.2.5 Autòmat programable..........................................................................................................55

 9.2.5.1 Estructura de control ambModicon TSX Momentum.................................................55

3

 9.2.5.2 Estació de captació .....................................................................................................56 9.2.5.3 Estació de potabilització ............................................................................................57 9.2.5.4 Mòdul processador M1E.............................................................................................58 9.2.5.5 Mòduls d’entrades binàries.........................................................................................58 9.2.5.6 Mòduls de sortides binàries.........................................................................................59 9.2.5.7 Mòduls d’entrades analògiques...................................................................................59 9.2.5.8 Mòduls d’entrades de comptatge.................................................................................59

 10 Modes de funcionament del control............................................................................61 10.1 Funcionament en mode manual.................................................................................................61 10.2 Funcionament en mode automàtic.............................................................................................61 10.3 Funcionament en mode remot....................................................................................................62

 11 Estudi del tràfic en la xarxa de control Ethernet. ....................................................65 11.1 Conceptes previs .......................................................................................................................65

 11.1.1 Busos de camp clàssics i Ethernet.....................................................................................65 11.1.2 Protocols Modbus  TCP, TCP/IP i UDP/IP.......................................................................67 11.1.3 Serveis de comunicació en el bus de camp........................................................................68 11.1.4 Seqüència bàsica d'operació de l'autòmat..........................................................................69

 11.2 Anàlisi del rendiment de la xarxa de control.............................................................................70 11.2.1 Objectius de la simulació...................................................................................................70 11.2.2 El programa de simulació de xarxes NS (Network Simulator)..........................................70 11.2.3 Modelització de la xarxa de control amb protocol TCP....................................................73 11.2.4 Codi font del programa de simulació de la xarxa en NS per a TCP/IP..............................77 11.2.5 Simulació sobre TCP/IP....................................................................................................82 11.2.6 Conclusions sobre el funcionament  de la xarxa de control amb protocol TCP................87 11.2.7 Modelització de la xarxa de control amb protocol UDP....................................................89 11.2.8 Codi font del programa de simulació de la xarxa en NS per a UDP/IP.............................91 11.2.9 Simulació sobre UDP/IP....................................................................................................95 11.2.10 Conclusions sobre el funcionament  de la xarxa de control amb protocol UDP..............97

 12 Programa de control. Descripció general.................................................................100 12.1 Grafcet de nivell 1...................................................................................................................100 12.2 Grafcet G60:  Captació d’aigua...............................................................................................101 12.3 Grafcet G80:  Bombeig a les basses.........................................................................................101 12.4 Grafcet G100:  extracció de fangs en estació de bombeig.......................................................102 12.5 Grafcet G180:  ETAP..............................................................................................................102 12.6 Grafcet G200:  bombeig a la xarxa pública.............................................................................103 12.7 Grafcet G240:  extracció de fangs en la planta de potabilització.............................................105

 13 Modes de marxa i aturada, la guia GEMMA..........................................................107 13.1 Grup F: procediments de funcionament...................................................................................107 13.2 Grup A: procediments d’ aturada.............................................................................................107

4

 13.3 Grup D: procediments de defecte............................................................................................108 13.4 Procediments de marxa i aturada implementats en el control de la planta de potabilització.. .109

 13.4.1 Marxa normal de funcionament en producció.................................................................109 13.4.2 Marxa de verificació sense ordre.....................................................................................109 13.4.3 Producció malgrat els defectes. Alarmes.........................................................................110 13.4.4 Detecció d’anomalies. Alarmes.......................................................................................110 13.4.5 Aturada d’emergència.....................................................................................................111

 14 Programa de control. Grafcets complets. ................................................................113 14.1 Estació de captació...................................................................................................................113

 14.1.1 Captació del aigua i tamisat.............................................................................................113 14.1.2 Bombeig a basses de regulació........................................................................................117 14.1.3 Grafcet de seguretat.........................................................................................................121

 14.2 Planta de potabilització............................................................................................................121 14.2.1 Bombeig a ETAP i potabilització....................................................................................121 14.2.2 Bombeig a la xarxa pública.............................................................................................127 14.2.3 Grafcet de seguretat.........................................................................................................131

      Bibliografia.................................................................................................................132      Pressupost...................................................................................................................134     

5

CAPÍTOL 1

Introducció

6

 1  Introducció

 1.1  Objecte del projecte 

Dissenyar   un   sistema   automàtic   per   a   l’explotació   de   la   planta   potabilitzadora   i d’abastament   d’aigua  del   municipi   d’Alcampell   en   la   província   d’Osca.   El   sistema projectat ha de permetre l’execució normal del procés de potabilització sense la necessitat de presència física en la planta, així com facilitar l’adaptació de sistemes de supervisió i control remots en temps real.

 1.2  Antecedents 

L’  any 2004   l’  Ajuntament  del  municipi  d’  Alcampell   (Osca)  promou  la   redacció   de projecte i la posterior construcció d’una planta d’abastament i de potabilització d’aigua des del  canal  d’Aragó   i  Catalunya per   tal  de  satisfer   les  necessitats  d’aigua  potable  de  la població del municipi. En el moment de realitzar aquest projecte, les obres continuen en curs. Un cop finalitzin, la planta entrarà en funcionament de forma immediata. Encara que no permanentment però sí de forma periòdica,  l’explotació normal de la planta en les condicions actuals necessitarà de presència humana per tal de supervisar el procés i realitzar les tasques de manteniment. En aquest sentit l’ Ajuntament d’ Alcampell es planteja dotar la planta d’un sistema de control automàtic que governi la totalitat del procés i eviti la presència de personal en les instal∙lacions.

 1.3  Abast del projecte 

El punt de partida serà l’estudi del projecte executiu de la planta de potabillització, facilitat pel mateix Ajuntament d’Alcampell, analitzant en detall el tipus i el dimensionat de les instal∙lacions  projectades  així  com el  procés  de potabilització  pròpiament.  Es  visitaran després   les   instal∙lacions  per   tal   de   comprovar   l’adequació   de   les   obres   al   projecte   i determinar les  adaptacions que han de realitzarse tant en la planta com en el procés per a permetre la implementació del sistema de control.

El sistema de control ha de cobrir i unificar tot el procés, dividit en dues plantes diferents i distants més de cinc quilòmetres. Des de l’estació de captació i bombeig de l’aigua en el canal d’Aragó i Catalunya  fins a la planta de potabilització i bombeig a la xarxa pública del   municipi.   El   sistema   de   control   ha   d’articularse   al   voltant   d’una   xarxa   de comunicacions que ha de unir les dues estacions i facilitar l’intercanvi d’informació entre elements físicament distants en el procés.Alhora,  ha de facilitar la  implementació   futura d’un sistema de supervisió  que permeti realitzar el seguiment del procés des qualsevol ordinador amb accés a la xarxa internet, independentment de la seva localització.

7

Finalment tant el software com el hardware empleats han de enfocarse en el sentit de facilitar   en   tot   moment   la   independència   respecte   de   sistemes   propietaris,   per   tal   de disposar d’un sistema obert  que no condicioni ampliacions o modificacions futures del procés pel fet de dependre d’un fabricant concret.  

Per tal de satisfer aquest requisit la xarxa de comunicacions es basarà en mitjans físics i protocols estàndard, com son Ethernet i TCP/IP. La idea d’evitar en tot moment sistemes propietaris   es   farà   extensiva   fins   i   tot   al   software  de  control,   així   per   al   disseny  del programa s’usarà el Grafcet com a un llenguatge gràfic de programació per a autòmats, universal i per tant independent de la tecnologia amb la que finalment s’implementi el control. 

 1.4  Segon objectiu 

La redacció d’aquest treball persegueix un segon objectiu, segurament més important per a l’autor que la mera automatització d’un procés amb màquines programables seqüencials. Aprofitant   les   particularitats   físiques   del   procés,   s’ha  articulat   un   sistema   de   control distribuït que supera els requeriments actuals necessaris per a l’automatització de la planta de potabilització, però serveix de base per a l’estudi del comportament d’una xarxa de comunicacions Ethernet, de les particularitats que han ralentit l’entrada de Ethernet i el protocol TCP/IP dins l’entorn del control industrial i de les diferències amb el busos de comunicacions tradicionals. 

Mitjançant   el  programa  simulador   de  xarxes   de  comunicacions  Network  Simulator   es realitzarà un model de la xarxa de control de l’estació potabilitzadora. Sobre el model creat es   realitzaran   simulacions   del   tràfic   que   s’estima   suportarà   la   xarxa   en   diferents condicions, tot estudiant l’afectació que aquest pot suposar en el rendiment del sistema. (Capítol 11).

També s’ha volgut anar més enllà en el moment de disseny del automatisme,  preveient no només el comportament en funcionament normal, sinó també el comportament davant els diferents modes de marxa i aturades que el sistema pot presentar,   dissenyant la resposta d’aquest en cada situació. En aquest sentit per a l’elaboració del programa s’han estudiat els procediments recollits en la guia GEMMA. Aquesta és una guia gràfica que permet presentar   de   forma   comprensible   els   diferents   modes   de   marxa   d’una   instal∙lació   de producció,  així com les formes i condicions per a passar d’un mode a l’altre. (Capítols 13 i 14).

8

CAPÍTOL 2

Dimensió del procés de potabilització

9

 2  Dimensió del procés de potabilització

El grau  de  complexitat  d’un  procés  de  potabilització  de   l‘aigua  ve  determinat  per   les característiques físiques i químiques d’aquesta i per les dimensions de la planta d’acord amb la grandària de la població que ha d’abastir.  

 2.1  Segons els paràmetres físics i químics de l’aigua a tractar 

El Reglamento de la Administración Pública del agua de la Planificación Hidrológica, R.D. 927/88 en el seu annex 1 classifica les aigües superficials susceptibles de ésser destinades al consum humà en tres grups segons el grau de tractament que requereixen per a la seva potabilització:

• Tipus A1. Tractament físic simple i desinfecció• Tipus A2. Tractament físic normal, tractament químic i desinfecció• Tipus A3. Tractament físic i químic intensius, afinament i desinfecció

La planta potabilitzadora d’Alcampell està dissenyada per a tractar aigües provinents d’un canal. Per aquest motiu cal considerar una uniformitat relativament sostinguda en el temps pel que fa a composició i terbolesa.

En aquests condicions el procés per a la potabilització correspondrà a aigües de tipus A2. Només en el cas de pertorbacions provocades per neteja del canal, pluges torrencials, o abocaments descontrolats l’aigua pot passar temporalment al tipus A3. En aquesta situació la planta no pot garantir el normal funcionament. Per evitar aquest problema un sensor de terbolesa en l’entrada avisarà quan es superen els llindars d’acceptació de la qualitat de l’aigua provocant l’aïllament temporal de la planta del presa del canal.Aquesta és una millora introduïda des d’aquest projecte d’automatització i serà descrita en més detall en un capítol posterior dedicat a les adaptacions i canvis a realitzar en la planta d’Alcampell   per tal d’implementar el control automàtic. 

 2.2  Segons les dimensions de la planta

La planta potabilitzadora del municipi d’Alcampell està dissenyada per a donar un consum mensual punta de 18.000 m3, o 600 m3 diaris. En aquest sentit és una planta de grandària petitamitjana, però te algunes particularitats que condicionen les dimensions físiques de la planta i compliquen el procés: la necessitat de disposar d’una autonomia en el consum de 30 dies, la capacitat per a poder recuperar la reserva d’aigua en 48 hores i el fet de tenir un procés únic repartit en dues plantes distants 5,4 km, la estació de captació i la planta de potabilització. 

A més a més, la planta està pensada per poder ésser ampliada en un futur en previsió d’un augment de les necessitats d’aigua potable provocat per una major població en el municipi 

10

en  períodes   estivals   i   fins   i   tot   de   forma   estacionaria   la   resta   de   l’any,   si   prosperen iniciatives turístiques i industrials promogudes per l’ens municipal. El sistema de control dissenyat ha d’ésser prou flexible i tenir la capacitat d’adaptarse als canvis   que tinguin lloc en la planta.

11

CAPÍTOL 3

El procés de depuració de l’aigua

12

 3  El procés de depuració de l’aigua

 3.1  El procés físic i químic per a aigües del tipus A2

El   tractament   estàndard   per   a   les   aigües   del   tipus   A2   compren   les   següents   etapes seqüencials mostrades en la figura 3.1.

• Desbast / Tamisat:   separa les matèries voluminoses     arrossegades   per   l’aigua bruta.  El   tamisat  és  un primer filtratge destinat   a   remoure   aquelles   partícules sòlides   en   suspensió   de   dimensions superiors a 0,5mm.

• Desarenat : te per objecte aconseguir la separació   mitjançant   l’acció   de   la gravetat d’aquelles partícules de l’aigua bruta   com   la   grava,   arena   i   partícules minerals més o menys fines que no són filtrades   per   l’anterior   etapa   .   Les partícules   granulars   sedimenten independentment unes de les altres.

• Precloració:  un   tractament   de precloració,   realitzat   abans   de   la decantació, casi sempre es recomanable per a  aconseguir  una major qualitat  de l’aigua.   Aquesta   precloració   actua   per oxidació dels diferents cossos continguts en   l’aigua.   Els   avantatges   d’aquest tractament són més apreciables en certs períodes de l’any especialment en aigües superficials quan la qualitat de l’aigua a tractar   és   inferior   als   valors   normals.   La   principal   diferència   entre   aquesta precloració i la desinfecció posterior està en el factor temps. En la desinfecció el temps és molt important, però no ho és tant en la precloració, on els efectes que es busquen s’obtenen ràpidament.

•  Coagulació: les partícules en suspensió coloidal no es precipiten per gravetat per causa de les seves petites dimensions. Presenten càrrega electrostàtica de forma que la   repulsió   elèctrica   impedeix   l’agregació.   La   coagulació   te   per   objecte   la desestabilització   de   les   suspensions   coloidals   presents   en   l’aigua   mitjançant 

13

Figura 3.1. Procés de potabilització

reactius químics que neutralitzen la càrrega elèctrica, permeten així l’agregació de les partícules descarregades segons el procés de floculació. El coagulant o reactiu químic que durant el procés de coagulació s’introdueix al aigua són generalment sals d’alumini o de ferro. El temps de coagulació és molt breu (inferior al segon) i l’ús òptim del coagulant exigeix que la neutralització dels coloides sigui total abans que una part del coagulant precipiti. Per aquest motiu el coagulant ha de difondre’s amb la major rapidesa possible. S’aconsegueix aquest propòsit   mitjançant   cambres   de   mescla   ràpida   mitjançant   agitadors electromecànics.

• Floculació:  l’agrupació de les partícules descarregades al ficarse en contacte les unes amb les altres constitueix la floculació. Aquesta dona lloc a la formació de flòculs capaços d’ésser retinguts en una fase posterior del tractament de l’aigua. S’introdueix en l’aigua un producte floculant que afavoreix l’augment del pes  i cohesió  dels flòculs formats. També  una agitació  mecànica però en aquest lenta (per   tal   de   no   trencar   el   flòcul)   i   homogènia   del   conjunt   en   una   cambra   de floculació ajudarà a la agrupació dels flòculs augmentantne la mida i la velocitat de sedimentació.

• Decantació   /   sedimentació:  te   per   objecte   aconseguir   la   separació   mitjançant l’acció de la gravetat dels flòculs  formats en l’etapa anterior. 

• Filtrat: l’etapa de filtratge retindrà aquelles partícules de mida més petita que han superat l’etapa de decantació. 

• Desinfecció: per tal d’aconseguir l’eliminació de certes matèries minerals dissoltes indesitjables (composts de ferro o de magnesi...), la supressió de sabors i olors i la destrucció   de   germens   patògens   es   recorre   a   un   procés   químic   d’oxidació. L’oxidació   s’acostuma a  fer  mitjançant   la   injecció  de clor.  El  clor  posseeix un poder oxidant romanent  molt  elevat que afavoreix la destrucció  de  les matèries orgàniques.

 3.2  Les instal∙lacions de potabilització.

Freqüentment els rius o aqüífers des d’on es proveeix l’aigua no es troben situats prop de les poblacions de consum. Per altra banda, la planta de potabilització per raons logístiques i d’optimització de recursos s’acostuma a ubicar en zones pròximes a les poblacions que abasteixen.   D’aquesta   forma   el   procés   de   potabilització   considerat   en   conjunt   està físicament   dividit   en   dues   instal∙lacions,   en   edificacions   independents   separades normalment per distàncies de varis quilòmetres (figura 3.2).

14

L’edificació   pròxima   a   l’aqüífer   és   l’estació   de   captació.   Alberga   les   instal∙lacions destinades als processos de captació, tamisat, desarenat, així com la planta de bombeig on s'envia l'aigua  a través del ramal d’impulsió fins als dipòsits d’entrada d’aigua de l’estació de potabilització ( ETAP).

L’edifici  on   es   realitza   el   procés   de potabilització  pròpiament,   s’anomena estació de tractament d’aigua potable E.T.A.P. L’aigua   bruta   arriba   a   l’estació   de tractament   sense  partícules  granulars que   s’han   separat   en   l’etapa   de captació   abans   del   bombeig.   En l’estació   l’aigua   s’acumularà   a l’entrada   en   dues  o   més     basses   de regulació   amb   l’objectiu   de   tenir l’autonomia   suficient   per   garantir   el consum durant el període en que per raons   i   particularitats   de   la   font d’abastament   d’aigua   el subministrament queda interromput.Aquest és el cas que es dona en les captacions en canals durant els períodes en que cal realitzar les pertinents operacions de manteniment. El fet de disposar d’un mínim de dues basses permet les operacions de neteja en una  i continuar tenint reserva d’aigua en la resta.Mitjançant un sistema de bombes s’abasteix la ETAP  des de les basses de regulació. En la ETAP l’aigua circula per gravetat pels tancs de coagulació, floculació, decantació i filtrat en aquest ordre. 

A   la   sortida,   després   de   rebre   el   tractament   químic   de   desinfecció   l’aigua   tractada s’emmagatzema   novament   en   dos   o   més   dipòsits   estancs   per   tal   de   facilitarne   el manteniment. La darrera etapa de la planta és l’estació de bombeig amb  elements de cabal variable per tal de modular   la quantitat d’aigua subministrada d’acord amb el perfil de la corba de demanda. 

15

Figura 3.2. Captació i potabilització en edificacions separades

CAPÍTOL 4

La planta potabilitzadora del municipi d’Alcampell

16

 4  Descripció de la planta potabilitzadora del municipi d’Alcampell

 4.1  Esquema sinòptic del procés de la planta potabilitzadora d’Alcampell

Dues estacions separades 5,4 Km formen la planta potabilitzadora: l’estació de captació, prop del canal dAragó i Catalunya i la de potabilització, propera al nucli urbà d’Alcampell. La figura 4.1, és l’esquema hidràulic complet del procés.  

 4.2  Captació remota de l’aigua

La figura 4.3 esquematitza el  procés que te lloc en l’estació de captació. La toma d’aigua per a l’abastiment de la planta està realitzada en el canal d’Aragó i Catalunya segons model de   la  Confederación Hidrográfica  del  Ebro. Aquesta   toma   consisteix   en   un   boca   de fàbrica   de   formigó   en   massa   amb   una comporta mural integrada de 400 x 400 mm per a poder realitzar el seccionament (figura 

17

Figura 4.1. Esquema del procés de potabilització de la planta d’Alcampell

Figura 4.2. Obertura de captació en el canal

4.2). L’embocadura porta una reixa d’acer galvanitzat amb llum  de pas de 4 cm. Aquest element constitueix el primer desbast de l’aigua captada.La toma d’aigua pròpiament està realitzada amb canonada de fundició  dúctil de 200 mm. En la mateixa canonada estan ubicats una vàlvula comporta i un comptador totalitzador 

DN200 amb emissió d’impulsos. Aquestes instal∙lacions són accessibles i controlades per la Confederación Hidrográfica.

 4.3  Estació de bombeig

Per a realitzar la impulsió fins a les bases i dipòsits de regulació hi ha construïdes les següents instal∙lacions. Dues bombes submergibles d’accionament elèctric de 5,5 kW amb un cabal de 54 m3/h a 10 mca (figura 4.4). Les bombes són de construcció per pas de sòlids de 50 mm. Estan situades en el nivell del canal i impulsen l’aigua fins el canal de tamisat. En aquest canal s’eliminen les partícules 

de mida superior a 0,5 mm amb la finalitat de protegir les bombes principals. Per aquest afer s’usa   un   tamisador   d'esglaons   autonetejant amb   pas   de   sòlids   de   0,5   mm   i   un   cabal nominal de 80m3/h. 

D’aquest canal passa l’aigua per  gravetat fins al   dipòsit   d’impulsió,   amb   una   geometria expressament pensada per que sigui capaç de decantar les partícules arenoses menors de 0,5 mm. Una bomba submergible de tipus vortex de 0,75 kW amb un cabal de 10 m3/h a  15 

mca, s’encarrega d’eliminar periòdicament els fangs acumulats en el fons del dipòsit. 

18

1. Figura 4.4. Bombes d’impulsió al canal de tamisat

Figura 4.3. Captació remota de l’aigua

La  impulsió   a   la  planta  de  potabilització   es   realitza  mitjançant  dues  bombes  verticals multicel∙lulars d’accionament elèctric dimensionades per a elevar 43,5 m3/h a 180 mca. La seva potència és de 3,0 kW (figura 4.5). Les dues bombes en paral∙lel prenen l’aigua del dipòsit d’impulsió. Les instal∙lacions disposen de les vàlvules de retenció i seccionament adients. Aquestes instal∙lacions estan encabides en una edificació realitzada amb formigó armat.

 4.4  Ramal d’impulsió

La   conducció   d’impulsió   te   una longitud de  5.395m des  de   l’estació de   bombeig   fins   les   bases   de regulació, amb un desnivell de 170m. La   conducció,   soterrada   està realitzada   amb   dos   tipus   de canonades.   El   tram   inicial   des   de l’estació   fins   els   3320   m   és   de fundició dúctil DN 200 mm, el tram restant fins les bases de regulació està fet   amb   polietilé   d’alta   densitat   de diàmetre 250 mm i 10 atm de pressió nominal amb una longitud de 2075 m.Disposa   el   ramal   dels   corresponents   desguassos,   vàlvules   de   retenció   i   vàlvules   de seccionament.  

 4.5  Basses de regulació

Aquesta part del projecte es troba encara en execució. Les dades següents són extretes del projecte d’obra civil.L’aigua   bruta   procedent   de   la impulsió   s’acumula   en   tres   basses realitzades en el  terreny, situades a l’entrada   de   la   estació   de potabilització (esquema en la figura 4.6).   Les   condicions   de   pressa d’aigües en el canal per abastiment urbà   que   estableix     La Confederación   Hidrográfica   del Ebro són que les  instal∙lacions han de   tenir  una  autonomia  de  consum de 30 dies, període de temps aquest necessari per a la realització de les tasques   de   manteniment   que requereix el canal.

19

Figura 4.5. Bombes d’impulsió a basses de regulació

Figura 4.6. Basses de regulació

La funció de les basses, per tant és la d’acumular un volum d’aigua equivalent al consum mensual. Per altra banda aquesta reserva ha de poderse omplir en un termini màxim de 48h. Amb un cabal de disseny de 600 m3 diaris la capacitat necessària és de 18.000 m3, que es materialitzarà en tres basses interconnectades de 9.000 m3 cada una. La canonada de connexió és de 200 mm amb fundició i disposa en tots els casos de vàlvula de comporta. Les basses estaran recobertes amb una làmina impermeabilitzant de polietilé d’alta densitat de 1,5 mm. Disposaran de desguàs de fons i sobreeixidor.La canonada d’impulsió  de polietilé  de 250 mm de diàmetre es redueix a 200 mm en l’entrada. Hi haurà una entrada en cada balsa amb una vàlvula de comporta de 200 mm i una vàlvula flotador pilotada també de 200 mm.

 4.6  Bombeig a ETAP

Una edificació   de   formigó   armat,   encara en   construcció   (figura   4.7)   albergarà   les vàlvules   de   sortida   de   cada   bassa   i   les vàlvules de desguàs de fons. Aquest edifici contindrà  un  dipòsit   alimentat  des  de   les basses   i   on   mitjançant   dues   bombes submergibles  de 0,75 kW amb un cabal de 12,5  m3/h  a  8  mca   s’abastirà   d’aigua  el procés  de  potabilització   en   la  ETAP.  La base   del   dipòsit   es   troba   en   un   nivell piezomètric per sota del de les basses, de forma que mentre hi ha aigua en les basses està   garantida   l’entrada   d’aigua   en   el dipòsit.  Cada bomba alimentarà  de forma independent una planta potabilitzadora modular.

 4.7  Estació de tractament d’aigua potable ETAP

La ETAP, en un edifici de formigó armat, es proveeix d’aigua des de les bombes abans esmentades ubicades en  l’edificació  annexa.  Donades les característiques  de l’aigua de captació   la  solució  adoptada  segueix un  tractament   format  per  prefiltració,  mesura del cabal, floculació, filtració i cloració en la canonada de sortida al dipòsit.El procés  (figura 4.8) es realitza mitjançant dues plantes modulars compactes que porten inclòs   tots   els   elements   electromecànics   necessaris   per   al   funcionament   (figura   4.9). Aquest mòdul disposa d’una unitat de filtració de 0,90m2 de superfície i ens permet tractar un cabal mim de 12,5 m3/h. Cada planta està preparada per a tractar un cabal diari de 300 m3. Les hores de tractament diàries dependran del consum real. Ja es veu, que totes les instal∙lacions estan doblades, tant a nivell de circuits i bombes com a nivell de plantes modulars pel tractament. De forma que el funcionament en paral∙lel de 

20

Figura 4.7. Edifici annex a les basses, encara en construcció

les dues, proporciona les condicions nominals de cabal d’aigua potable de la planta, els 600 m3 diaris.   Està fet així, per evitar que un defecte en un circuit deixi del tot inoperant la planta.  Així  en cas d’avaria o simplement de parada per manteniment  la planta pot continuar treballant a la mitat de la seva capacitat. 

Abans de l’entrada a les plantes modulars es realitza una prefiltració, amb el propòsit de garantir que en el filtre principal de sílex no hi arriben cossos estranys, com poden ésser fulles d’arbre, branques d’arbre, arena, etcètera...  Aquesta es fa amb un filtre de xarxa metàl∙lica de neteja manual en la canonada d’entrada. 

També   en   la   canonada  d’entrada  a   cada planta   modular,   es   realitza   l’adició   de producte   floculant,   policlorur   d’alumini líquid o PAX10 tal com se’l coneix en el mercat. El floculant es injectat en l’aigua en quantitat  variable en funció  del  cabal d’entrada,   des   d’un   equip   dosificador controlat   per   microprocessador   compost per una bomba de   membrana de 5 l/h de cabal   a   6   bar   de   pressió   màxima,   amb entrada de control analògica de 4/20 mA, vàlvula  d’injecció   i   vàlvula  de  peu   amb senyal de buit.  La   mesura   del   cabal,     en   la   mateixa canonada d’entrada  es   fa    mitjançant  un mesurador  magnèticinductiu  Endress+Hauser tipus Promag 50W amb un rang de mesura que va des de 6 m3/h a 0,5 m/s fins 120 m3/h a 10 m/s.

21

Figura 4.9. Vista superior de la ETAP compacta

Figura 4.8. Procés en la ETAP

En l’interior de les unitats modulars de tractament, te lloc l’eliminació dels sòlids floculats mitjançant filtres de sílex. Les partícules queden retingudes en els els filtres, però aquest 

tractament en continu, no pot permetre que s’hi acumulin indefinidament,  per  això  en la   zona   del   rentador   del   cada   unitat   es produeix una purga continuada mitjançant la   injecció   d’aire   proporcionada   per   un compressor d’aire de 1,5 kW. Cada unitat de   filtre   disposa   d’un   quadre   pneumàtic format per filtre d’aire, regulador de pressió i cabal i electrovàlvula de comandament.En la sortida de l’aigua després de travessar els filtres, es realitza la cloració en continu. Aquesta consisteix en l’adició  d’hipoclorit sòdic   des   d’un   tanc   d'emmagatzematge 

situat al costat. Un nou equip dosificador de característiques iguals al que controla l’adició de floculant, s’encarrega d’administrar la quantitat de clor necessària d’acord amb el valor de consigna fixat pel usuari. Per tancar el bucle de control del clor es disposa d’un equip analitzador de clor lliure en continu, controlat per microprocessador amb senyal d’alarma per contacte lliure de tensió i dues sortides analògiques 420 mA. Els productes químics pel tractament de l’aigua s’emmagatzemem per separat en tancs de polietilé blanc de 100 litres de capacitat. Cada tanc disposa d’una sonda de nivell de tipus boia amb interruptor per contrapes i tensió 250 V.

 4.8  Dipòsit d’aigua tractada.

L’aigua   clorada  provinent   de   la  ETAP s’emmagatzema   en   un   dipòsit   d’aigua construït   amb   formigó   armat   amb capacitat   per   a   800   m3   (figura   4.10). Aquest   està   dividit   en  dues   cel∙les   per facilitarne el  manteniment.  Disposa de dues sondes de nivell de tipus boia.

 4.9  Bombeig al municipi d’Alcampell.

(Figura   4.11)   la   solera   del   dipòsit d’aigua  tractada està  situada en la  cota 522,3   m.   Això   assegura   una   pressió mínima en el nucli d’Alcampell de 2 atm aproximadament. Per tal d’assolir una pressió de subministrament   de   3   a   3,5   atm   es   disposa   d’un   grup   de   pressió   format   per   tres electrobombes  verticals multicel∙lulars de 25 m3/h  i 10 mca amb una potència de 1,5 kW 

22

Figura 4.10 Dipòsit d’aigua tractada

Figura 4.11. Bombeig a xarxa

cada una. L’accionament de les bombes es del tipus tot o res, i fa per pressostat amb l’ajut d’un calderí de membrana de 770 litres que evita una caiguda brusca de la pressió en la xarxa entre intervals de funcionament de les bombes.   Un comptador totalitzador DN200 emissor d’impulsos aigües avall de les bombes, permet conèixer els metres cúbics d’aigua produïts i abocats a la xarxa a través d’ una canonada de polietilè, de 250 mm i 10 atm de pressió que porta l’aigua fins al nucli de la població.  

 4.10 Pou de desguàs.

S’anomena pou de desguàs a un dipòsit soterrat situat sota el nivell de la ETAP. Aquest recull les aigües provinents del rentat de filtres així com les aigües de buidat de les basses. En aquest dipòsit hi ha dues electrobombes submergibles de 0,75 kW de potència i 12,5 m3/h a 8 mca. Aquestes bombes impulsen l’aigua a l’exterior en un punt més alt fins una petita zona humida.  La figura 4.12, és l’esquema sinòptic del procés

23

Figura 4.12. Extracció de fangs

CAPÍTOL 5

Adaptacions en la planta per a implementar el control

24

 5  Adaptacions necessàries en la planta per a implementar el control.

L’automatització íntegra del procés de potabilització, comporta la necessitat de realitzar modificacions en les instal∙lacions per tal d’adaptar els nous elements de control. Aquestes modificacions de vegades necessàries, de vegades opcionals, cal veureles com   millores en   el   control   del   procés   i   en   el   procés   en   sí  mateix,   augmentantne   la   fiabilitat   i   la seguretat. A continuació es detallen quins són i on es realitzen els canvis.   

 5.1  Modificacions en la captació del canal

En   la   toma   d’aigua   del   canal,   una   comporta   mural   integrada   permet   realitzar   el seccionament.   Per   tal   de   conèixer   l’estat   d’aquesta   comporta,   es   col∙locaran   en   el mecanisme d’obertura dos detectors de posició, que indicaran l’estat de oberta o tancada. Donada la ubicació d’aquests detectors, en la intempèrie i pròxims a l’aigua, tindran un grau de protecció IP 67. 

En la mateixa zona de la comporta, s’hi adaptarà un detector de nivell per ultrasons  IP67, i sortida  analògica  420mA (figura  5.2).  La  seva  mesura  serà   comparada  amb un valor umbral. Per sota d’aquest significarà que el nivell d’aigua del canal no arriba a un mínim que permeti garantir l’alimentació de les bombes.  

Junt amb el detector de nivell, aigües amunt de la vàlvula de tall d’entrada d’aigua es col∙locarà un sensor de terbolesa novament amb IP67 i sortida analògica   420   mA,   que   ens   informarà   de   la quantitat de fangs arrossegats per l’aigua. Quan el nivell de fangs és superior al valor màxim esperat, això   és,   superior   al   valor   llindar   fixat   en   els paràmetres   d’inicialització   del   procés,   pot interrompre’s  l’entrada d’aigua fins que es  torni als   nivells   normals.   Aquesta   circumstància   pot donarse en cas de riades o pluges fortes.  Una   vàlvula   de   comporta   de   diàmetre   nominal   200   mm,   d'obertura   manual,   permet interrompre la entrada d’aigua a l’estació de captació. La vàlvula no està preparada per a poder ser motoritzada, i suposaria un temps i cost considerables adaptarhi expressament un motor elèctric amb la caixa desmultiplicadora. S’opta  doncs  per   situar     aigües   avall  una  nova  vàlvula.  Donat  que   la   seva   funció  és interrompre el subministrament d’aigua, però no pas el regularne el cabal, la vàlvula serà de tipus papallona motoritzada amb detectors finals de carrera que permetin conèixer la posició d’oberta i tancada (figura 5.2).

25

Figura 5.1. Sensor nivell

Totes   les   instal∙lacions  en   la  captació   són accessibles   i controlades per la Confederación Hidrográfica, per aquest motiu   tots   aquest   canvis   es   consensuaran   amb   aquesta entitat.

 5.2  Adaptacions en l’estació de bombeig

S’aprofitaran   els   detectors   de   nivell   instal∙lats   en   el dipòsit, un detector de nivell màxim de senyal tot o res, i un   altre   de   nivell   mínim   per   sota   del   qual   no   poden funcionar les bombes d’impulsió.

 5.3  Modificacions en el ramal d’impulsió

En la conducció d’impulsió s’instal∙larà un interruptor de cabal que indicarà del correcte funcionament del bombeig fins a les bases de regulació. La no detecció de flux amb les bombes en funcionament indicarà d’un problema en la conducció ocasionat per fugues o obstruccions.

 5.4  Adaptacions en la zona de les basses de regulació

L’entrada d’aigua amb canonada DN 200 a les bases i disposa en tots els casos de vàlvula de comporta. No es preveu la seva motorització donat que en el normal desenvolupament del procés aquestes vàlvules han de romandre sempre obertes.  Només en el  cas d’una aturada per manteniment pot tenir sentit el tancarles, però aquesta serà en tot cas una acció manual. Per les mateixes raons tampoc es motoritzaran les vàlvules de seccionament en les conduccions de comunicació entre basses, donat que durant el procés han de romandre sempre obertes. Es mantenen les vàlvules de flotador pilotades DN 200 en la conducció d’entrada en cada bassa, però  traient un senyal tot o res de l’element flotador per al control. El propòsit és de donar ordre de parada de bombes en l’estació de bombeig quan els tres flotadors donin senyal, i evitar així sobrepressions innecessàries en la canonada d’impulsió.

 5.5  Modificacions en l’etapa de bombeig a ETAP

La base del dipòsit des d’ on es bombeja l’agua per a la potabilització en la ETAP, es troba en un nivell piezomètric per sota del de les basses, garantint així un volum d’aigua en el dipòsit   proporcional   al   nivell   d’aigua   en   aquestes.   Però   com  en   les   basses   només   es controla el nivell màxim (mitjançant les vàlvules de flotador), no podem determinar el nivell d’aigua en el dipòsit en el moment en que tot i tenir aigua en les basses, el nivell no arriba al màxim en cap d’ aquestes. Com el problema no és tan de conèixer amb exactitud el nivell d’aigua en el dipòsit, sinó de saber quan aquest arriba a un mínim que posaria en 

26

Figura 5.2.  Comporta motoritzada

perill   les  bombes,  n’hi haurà  prou amb col∙locar una sonda submergida en el  fons del dipòsit per indicarne el nivell mínim.

 5.6  Modificacions en l’estació de tractament d’aigua potable ETAP

  La prefiltració  que es realitza una abans de l’entrada de cada planta modular,  amb el propòsit de garantir que en el filtre principal de sílex no hi arriben cossos estranys, ha de poder ésser controlada pel sistema. En aquest sentit es col∙locarà  un sensor analògic de pressió diferencial amb sortida per corrent 420mA (figura 5.3). Les presses de mesura de pressió  es mecanitzaran en la canonada d'entrada a la ETAP modular entre entrada i  sortida del filtre. Quan la diferència de pressions llegides pels sensors arribi a un valor llindar fixat en el programa de control,   significarà que el filtre 

està obstruït i serà necessària la seva neteja. Aquest és   un   valor   crític   en   el   procés   donat   que   una obstrucció   important   en   el   filtre,   reduirà considerablement el cabal d'entrada fins al punt de deixar   inoperant   la   planta   modular   que   necessita d'uns   cabals   mínims   per   al   seu   correcte funcionament.

Els  tancs de policlorur d’alumini  líquid ( producte floculant ) i d’hipoclorit sòdic disposen actualment d’interruptors de nivell que permeten conèixer l'estat 

de la reserva de producte. De cara a l'automatització del procés, és important conèixer dos valors en el nivell de producte. Un valor que serà merament indicatiu, avisarà quan s'està en situació de reserva. No repercutirà en el procés fins que un segon valor de nivell indiqui la manca de producte, moment en que cal aturar el procés. S'aprofitarà doncs, els detectors instal∙lats com a sondes de nivell mínim i s'afegirà un detector que avisarà de la necessitat de realitzar la recarrega. Aquest serà un detector capacitiu situat en l’exterior del tanc per evitar que siguin danyats pel mateix producte emmagatzemat. 

La   planta   compacta   potabilitzadora   realitza   la filtració  automàticament:  mitjançant el  mesurador magnèticinductiu   Endress+Hauser   (figura   5.4), llegeix   el   cabal   d’aigua   entrant   i   dosifica   el floculant segons aquest. L’aigua floculada travessa els filtres de sílex de la ETAP modular on queden retingudes les partícules aglomerades en flòculs. Donat que el procediment de floculació   i   filtració  es  realitza en continu,  no pot   permetre’s   que   les   partícules   retingudes   s’hi acumulin indefinidament, per això  en la zona del 

27

Figura 5.3. Sensor pressió diferencial

Figura 5.4. Cabalímetre

rentador del cada unitat es produeix una purga continuada mitjançant la injecció d’aire proporcionada per un compressor.La cloració la realitza en continu també la planta compacta. El procés te lloc en la sortida, després de travessar els filtres. Aquesta consisteix en l’adició d’hipoclorit sòdic amb una bomba dosificadora des d’un tanc d'emmagatzematge. La planta afegeix la quantitat de clor necessària d’acord amb el valor de consigna fixat per l’usuari. Realitza una regulació en bucle tancat seguint un algoritme PID de paràmetres fixats pel fabricant. El valor de clor en la sortida es pren mitjançant un equip analitzador de clor en continu (figura 5.5) 

Amb l’automatització íntegra del procés de captació i potabilització   es   plantegen   dues   alternatives   en   el moment d’integrar la planta compacta.La primera és anul∙lar   l’automatisme que incorpora la   pròpia   planta   compacta,   i   realitzar   l’adició   de floculant,   la   neteja   dels   filtres   i   l’adició   de   clor directament des de el control general de la  planta. La segona   consisteix   en   mantenir   actiu   el   propi automatisme de   la  planta   integrantlo  en  el  control general   i   des   d’aquest   controlarne   el   correcte funcionament, aprofitant la lectura de les variables de control des dels mateixos sensors empleats per la planta.    S’opta per la segona opció per diverses raons: 

1.  no menysprear de nou en nou un automatisme que  ja està   instal∙lat,  que ve provat d’origen i no perdre així la garantia del fabricant al intervenir la planta. 2. El fet que el mantenir  l’automatisme de la planta compacta, no significa perdre plena capacitat de control sobre el procés que aquesta realitza. Es pot supervisar des del control general el seu correcte funcionament, llegint en temps real l’estat de les diferents   variables   que   intervenen,   podent   aturar   el   procés   quan   es   detecti anomalies.3. Per la pròpia naturalesa del control implementat, obert, modular i flexible, la primera  opció   sempre   està   disponible.  Si   en   un   moment   posterior   es   decideix assumir   la   regulació   que   realitza   la   planta   compacta,   només   cal   afegir   els corresponents mòduls de control: un nou mòdul d’entrades i sortides i un mòdul de regulació PID, connectats al bus Ethernet i afegir en el programa general les rutines de control d’aquests nous elements. 

     La demanda d’aigua potable pot ésser molt variable en funció de l’època de l’any i del hora del dia. En aquest sentit és d’esperar que hi hagi llargs intervals de temps en que la reserva del dipòsit no baixi el suficient com per a justificar el continuar amb la producció d’aigua potabilitzada.

28

Figura 5.5. Analitzador de clor

En aquests moments la ETAP en conjunt pot deixar de treballar, no cal bombar aigua ni mantenir   els   compressors   i   les   pròpies   plantes   modulars   actives.   Però   en   el   moment d’iniciar de nou la producció  cal esperar a disposar de pressió  d’aire i a que la planta estigui llesta per a produir de nou. Per aquest motiu s’instal∙laran sensors de pressió en la xarxa pneumàtica, per detectar quan la pressió en la xarxa està per sota de la de treball del equips i es cablejarà fins al control un senyal de  “ready” des de  cada planta. 

 5.7  Adaptacions en el dipòsit d’aigua tractada.

Ja s’ha esmentat  al  descriure en el  capítol  anterior  la planta de potabilització,  que els dipòsits on s’emmagatzema l’agua tractada (figura 5.6) disposen de sensors de nivell del tipus de boia. Aquests només permeten conèixer el moment en que el nivell assoleix un punt   determinat,   però   no   permeten disposar  d’una   lectura en  temps real  del nivell   i   per   tant   de   les   reserves   d’aigua potable de l’estació. Donat  que es considera aquesta  un dada rellevant,   es   substituiran   els   actuals sensors   de   boia   per   sensors   analògics d’ultrasons amb sortida  per corrent de 420mA.   Es   col∙locarà   un   sensor   en   cada cel∙la   del   dipòsit,   permetent   conèixer l’estat   de   les   reserves   d’aigua   en   cada moment. 

 5.8  Adaptacions en les instal∙lacions de bombeig al municipi d’Alcampell.

Les   tres   electrobombes   verticals   multicel∙lulars   usades   per   assolir   una   pressió   de subministrament de 3 a 3,5 atm, es governen actualment amb un senyal de tipus tot   res provinent d’un pressostat situat en un calderí de membrana de 1000 litres de capacitat. la pressió de servei oscil∙la  entre un valor màxim i un mínim determinats per la desconnexió i connexió del pressòstat. Les tres bombes s’activen i es detenen alhora (figura 5.7)    

Tenint en compte que per altura de la planta respecte el   nucli   de  població   s’aconsegueixen   ja   gairebé   2 atm   de   pressió,   les   bombes   només   han   de subministrar   entre   1   i   1,5   atm.   La   regulació obtinguda amb el sistema actual és poc eficient.

Es proposa, eliminar el calderí pneumàtic i muntar un variador de velocitat que actuarà sobre una única bomba. Un sensor de pressió que es col∙locarà en la conducció d’impulsió cap a la xarxa d’aigua potable donarà   lectura   en   tot   moment   de   la   pressió   de 

29

Figura 5.6. Dipòsit aigua tractada

Figura 5.7. Bombes de xarxa

subministrament. El valor de la pressió descendirà al augmentar el cabal sol∙licitat en la xarxa. En funció d’aquest valor de pressió s’actuarà sobre el variador i sobre l’encesa i parada de la resta de bombes, de forma que en un moment donat per mantenir la pressió de treball segons sigui la demanda d’aigua, només estaran en marxa la bomba accionada pel variador   o   la   bomba   accionada   pel   variador   més   una   o   dues   de   la   resta   de   bombes disponibles.

 5.9  Adaptacions en el pou de desguàs.

En el pou de desguàs que recull les aigües provinents del rentat de filtres i de buidat de les basses s’instal∙larà un detector de nivell. Aquest es situarà en el fons del dipòsit per sobre de   la  boca  de   les  dues  electrobombes submergides.  S’anul∙larà   la   sonda de  nivell  per flotador que porta instal∙lada cada bomba. 

 5.10 Altres modificacions en la planta.

Per   tal  que  d’informar  al   control  de   l’estat  dels   elements  de  protecció   i  maniobra  de circuits   i   motors,   s’afegiran   contactes   auxiliars,   que   aniran   cablejats   fins   als   mòduls d’entrades i sortides:

• en els contactors que accionen els motors i bombes del procés.• en els relés tèrmics de protecció de motors i bombes.• en els elements disjuntors de motors i bombes.• en els elements de protecció de circuits de maniobra i potencia. 

En cada estació, captació i ETAP s’ubicarà un petit quadre de maniobra i senyalització que ha de permetre:

• commutar el procés a mode manual per a realitzar les tasques de manteniment en la planta.  En  mode  manual   es  permet   l’accionament  de  cada  dispositiu  de   forma individual.

• commutar el procés a mode automàtic.• detenir de forma normal el procés finalitzant les tasques en curs.• detenir el control automàtic en cas d’emergència mitjançant un polsador, aturant el 

procés i deixant sense alimentació els actuadors. 

30

CAPÍTOL 6

Elements de control de la planta. Llistat E/S

31

 6  Elements de control de la planta. Llistat E/S

D’acord amb la divisió per etapes del procés feta fins ara, definim en aquest apartat   els elements de control del procés sensors i actuadors, i el tipus de senyal en cada cas, binària (B) o analògica (A). 

 6.1  Captació remota de l’aigua

Entrades

1  Final carrera comporta mural oberta B

2 Final carrera vàlvula papallona  oberta B

3 Final carrera vàlvula papallona tancada B

4 Relé tèrmic motor vàlvula B

5 Contactor motor vàlvula B

6 Magnetotèrmic línia motor vàlvula B

7 Diferencial línia motor vàlvula B

8 Comptador totalitzador / cabalímetre B

9 Sensor de nivell A

10 Sensor de terbolesa A

Sortides

12 Bobina contactor motor  vàlvula  comporta B

13 Senyal reset de comptador B

 6.2  Estació de bombeig

Entrades

1 Relé tèrmic bomba 1 impulsió tamisat B

2 Contactor bomba 1 impulsió tamisat B

3 Magnetotèrmic línia bomba 1 impulsió tamisat B

4 Relé tèrmic bomba 2 impulsió tamisat B

5 Contactor bomba 2 impulsió tamisat B

6 Magnetotèrmic línia bomba 2 impulsió tamisat B

32

7 Diferencial línia bombes 1 i 2 impulsió tamisat B

8 Relé tèrmic motor tamisador B

9 Contactor motor tamisador B

10 Magnetotèrmic línia tamisador B

11 Diferencial línia motor tamisador B

12 Relé tèrmic bomba impulsió 1 a bassa regulació B

13 Contactor bomba impulsió 1 a bassa regulació B

14 Magnetotèrmic línia bomba 1 impulsió bassa regulació B

15 Relé tèrmic bomba impulsió 2 a bassa regulació B

16 Contactor bomba impulsió 2 a bassa regulació B

17 Magnetotèrmic línia bomba 2 impulsió bassa regulació B

18 Diferencial línia bombes 1 i 2 a bassa regulació B

19 Detector de flux impulsió a bassa B

20 Relé tèrmic bomba submergible d’extracció de fangs B

21 Contactor bomba submergible d’extracció de fangs B

22 Magnetotèrmic línia bomba extracció fangs B

23 Diferencial línia bomba  extracció fangs B

24 Sonda nivell màxim dipòsit B

25 Sonda nivell mínim dipòsit B

Sortides

1 bobina contactor motor bomba  tamisat 1 B

2 bobina contactor motor bomba  tamisat 2 B

3 bobina contactor motor accionament tamisador B

4 bobina contactor motor bomba impulsió  1 a bassa B

5 bobina contactor motor bomba impulsió  2 a bassa B

6 bobina contactor motor bomba d’extracció de fangs B

33

 6.3  General estació captació i bombeig

Entrades

1 Selector mode manual B

2 Selector mode automàtic B

3 Polsador aturada emergència B

Sortides

1 Pilot funcionament en automàtic B

2 Pilot funcionament manual B

3 Pilot aturada emergència B

4 Pilot alarma disfunció B

 6.4  Bassa de regulació

Entrades

1 nivell màxim bassa 1 B

2 nivell màxim bassa 2 B

3 nivell màxim bassa 3 B

 6.5  Bombeig a ETAP

Entrades

1 Relé tèrmic bomba 1 impulsió B

2 Contactor bomba 1 impulsió B

3 Magnetotèrmic línia bomba 1 impulsió B

4 Relé tèrmic bomba 2 impulsió B

5 Contactor bomba 2 impulsió B

6 Magnetotèrmic línia bomba 2 impulsió B

7 diferencial línia bombes 1 i 2 impulsió B

8 Sensor nivell mínim del pou impulsió B

34

Sortides

1 bobina contactor motor bomba 1 impulsió B

2 bobina contactor motor bomba 2 impulsió B

 6.6  ETAP

Entrades

1 Cabalímetre inductiu ETAP modular 1 A

2 Cabalímetre inductiu ETAP modular 2 A

3 Detector inductiu de nivell de floculant ETAP 1 B

4 Detector inductiu de nivell d'hipoclorit ETAP 1 B

5 Sensor de nivell mínim en tanc de floculant ETAP 1 B

6 Sensor de nivell mínim en tanc d'hipoclorit ETAP 1 B

7 Detector inductiu de nivell de floculant ETAP 2 B

8 Detector inductiu de nivell d'hipoclorit ETAP 2 B

9 Sensor de nivell mínim en tanc de floculant ETAP 2 B

10 Sensor de nivell mínim en tanc d'hipoclorit ETAP 2 B

11 Relé tèrmic motor compressor planta 1 B

12 contactor motor compressor planta 1 B

13 magnetotèrmic línia motor compressor planta 1 B

14 Relé tèrmic motor compressor planta 2 B

15 contactor motor compressor planta 2 B

16 magnetotèrmic línia motor compressor planta 2 B

17 diferencial línia compressors B

18 sensor de pressió de xarxa 1 d’aire comprimit B

19 sensor de pressió de xarxa 2 d’aire comprimit B

20 Relé tèrmic entrada ETAP modular 1 B

21 contactor alimentació ETAP modular 1 B

22 magnetotèrmic línia ETAP 1 B

23 Relé tèrmic entrada ETAP modular 2 B

35

24 contactor alimentació ETAP modular 2 B

25 magnetotèrmic línia ETAP 2 B

26 diferencial línia alimentació ETAPS B

27 senyal de ETAP  1 preparada per a producció B

28 senyal de ETAP  2 preparada per a producció B

29 sensor diferencial de pressió prefiltre 1 A

30 sensor diferencial de pressió prefiltre 2 A

31 analitzador de clor ETAP modular 1 A

32 analitzador de clor ETAP modular 2 A

Sortides

1 bobina contactor compressor planta 1 B

2 bobina contactor compressor planta 2 B

3 bobina contactor alimentació ETAP modular 1 B

4 bobina contactor alimentació ETAP modular 2 B

 6.7  Dipòsit d’aigua tractada i bombeig

Entrades

1 Sensor de nivell  cel∙la 1 dipòsit A

2 Sensor de nivell  cel∙la 2 dipòsit A

3 Contactor motor bomba pressió 1 B

4 Magnetotèrmic línia bomba pressió 1 B

5 Relé tèrmic motor bomba pressió 2 B

6 Contactor motor bomba pressió 2 B

7 Magnetotèrmic línia bomba pressió 2 B

8 Relé tèrmic motor bomba pressió 3 B

9 Contactor motor bomba pressió 3 B

10 Magnetotèrmic línia bomba pressió 3 B

11 Diferencial línia bombes 1,2 i 3 pressió B

12 Sensor de pressió A

36

Sortides

1 bobina contactor motor bomba pressió 1 B

2 bobina contactor motor bomba pressió 2 B

3 bobina contactor motor bomba pressió 3 B

4 variador de freqüència bomba pressió 1 A

 6.8  Pou de desguàs

Entrades

1 Sensor de nivell B

2 Relé tèrmic motor bomba 1 de fangs B

3 Contactor motor bomba 1 de fangs B

4 Magnetotèrmic línia bomba 1 fangs B

5 Relé tèrmic motor bomba 2 de fangs B

6 Contactor motor bomba 2 de fangs B

7 Magnetotèrmic línia bomba 2 fangs B

8 diferencial línia bombes 1 i 2 fangs B

Sortides

9 bobina contactor motor bomba 1 de fangs B

10 bobina contactor motor bomba 2 de fangs B

 6.9  General ETAP i bombeig

Entrades

1 Selector mode manual B

2 Selector mode automàtic B

3 Polsador aturada emergència B

Sortides

1 Pilot funcionament en automàtic B

37

Entrades

2 Pilot funcionament manual B

3 Pilot aturada emergència B

4 Pilot alarma disfunció B

En síntesi, i per cada planta el nombre d’entrades i sortides per al control és el següent: 

• en l’estació de captació resulten un total de 38 entrades, 35 binàries, 2 analògiques i 1 numèrica, i 13 sortides, totes binàries.

• En  l’estació  de potabilització  hi  ha 68 entrades,  58 binàries,  9  analògiques   i  1 numèrica, i 15 sortides, 14 binàries i 1 analògica. 

38

CAPÍTOL 7

Característiques que he de satisfer el sistema d’automatització

39

 7  Característiques que ha de satisfer el sistema d’automatització

D’acord   amb   el   tipus   de   procés     i   les   particularitats   de   la   planta,     el   sistema d’automatització ha de complir amb les següents especificacions:

• permetre la implementació d’un sistema de control distribuït• control del procés en temps real• treballar amb elements de camp tant analògics com discrets• facilitat per a la implementació de processos seqüencials• robustesa de l’equip de control • seguretat i fiabilitat• resposta fiable del sistema en tots els estats possibles del procés • facilitat de manteniment• flexibilitat per a l’adaptació a canvis en el procés

Tot seguit es detalla cada punt.

 7.1  Permetre implementar control distribuït

La planta potabilitzadora està físicament dividida en dues estacions que estan separades per   una   distànca   de   varis   quilòmetres:   l’estació   de   captació   i   bombeig   i   l’estació depuradora pròpiament o ETAP. Una primera subdivisió del procés de potabilització ve donada precisament per aquesta deslocalització entre els edificis que alberguen cada instal∙lació. Els processos que tenen lloc en l’estació de captació i en la ETAP presenten un cert grau d’independència gràcies a la   bassa   de   regulació   que   actua   com   a   dipòsit   de   reserva,   permetent   el   normal funcionament de la ETAP encara que el procés en la estació de captació estigui aturat. 

De la mateixa forma, el procés en l’estació  de captació  pot romandre actiu quan en la ETAP està  aturat.  Tot i així  aquesta independència és només temporal,  segons sigui el nivell d’aigua en les bases i el cabal d’entrada a la ETAP. A més a més ha d’haver un intercanvi  d’informació   entre   tots  dos  processos.  Un  senyal  originat  en   l’edifici  de   la ETAP com pot ésser el nivell d’aigua de les basses de regulació condicionarà l’estat d’atur o marxa del procés en la planta de captació. També els senyals d’alarma originats en un edifici poden influir en el procés que te lloc en l’altra instal∙lació.

 7.2  Control en temps real

Encara que no es preveu cap punt  en el procés on el temps de resposta necessari per a la regulació  sigui  crític  per causa de la relativa lentitud de canvi  inherent a   les variables d’aquest tipus de processos, el sistema de control ha d’explorar les entrades dels sensors i modificar   la resposta,  d’acord amb el programa de control,  de forma cíclica  i  amb un període de temps per al cicle el més petit possible, normalment de l’ordre de milisegons.  

40

 7.3  Treballar amb elements de camp analògics  i discrets

Un gran nombre de sensors i actuadors de procés seran discrets, amb resposta del tipus tot o res, però també és necessari que el control treballi amb captadors numèrics com poden ésser els  cabalímetres  i  amb senyals analògiques.  En alguns casos cal  tancar  llaços de control entre sensors i actuadors   analògics per a la regulació d’una variable analògica, com la pressió de servei.

 7.4  Adaptació del control a processos seqüencials.

El procés de potabilització de l’aigua respon perfectament al que s’entén per un procés seqüencial amb la particularitat de que moltes etapes d’aquest romanen actives alhora. És en la posta en marxa on es posa de manifest la característica seqüencial. El procés presenta clarament    una orientació    en  l’espai  que obliga normalment  a  l’activació  d’una etapa darrera l’altra de forma ordenada i en el sentit del flux de l’aigua. Aquest caràcter seqüencial queda perfectament descrit amb el mètode gràfic GRAFCET que s’usarà més endavant per a descriure les etapes del procés i les condicions de transició d’una   a   l’altra.   En   aquest   sentit   és   important   que   el   sistema   de   control   permeti   la programació en aquest llenguatge o si més no, faciliti la implementació d’estructures que emulin l’autòmat creat en GRAFCET .

 7.5  Robustesa de l’equip de control

L’entorn   de   treball   on   s’ubiquen   els   equips   de   control   és   un   entorn   industrial.   Les condicions del procés corresponen a les d’un ambient humit amb atmosfera potencialment corrosiva per causa del productes químics emprats per a la potabilització i amb presència de sorolls electromagnètics per causa dels motors elèctrics. Està clar que contra aquestes condicions l’equip de control ha d’estar blindat. La seva electrònica ha de quedar aïllada de l’entorn en un grau que asseguri la protecció suficient de les condicions ambientals del procés. Aquest punt és especialment crítics en el cas dels elements de camp del control.

 7.6  Seguretat i fiabilitat

L’absència   o   minimització   de   la   presència   humana   en   el   procés   com   persegueix l’automatització  i un entorn de treball relativament hostil necessita d’uns equips de control fiables,  preparats  per  a   reaccionar    davant  els  diferents  events  i  condicions que poden donarse. La   dedicació   al   procés   de   l’equip   de   control   de   planta   ha   d´ésser   exclusiva,   sense compartició de cap altres tasques que no siguin les de reconeixement intern del correcte funcionament de l’equip control. 

41

 7.7  Resposta fiable en tots els estats del procés

Cal preveure que poden aparèixer contingències previstes i imprevistes en el procés  que provoquin la sortida del mode automàtic i l’aturada del procés. El sistema de control ha de tenir “tabulades”  les possible situacions diferents al funcionament normal i respondre de forma fiable en cada cas. Aquestes situacions seran  les parades previstes o d’emergència i les postes en marxa. En aquest projecte es farà ús de la guia GEMMA per tal d’estudiar i programar les accions que el control realitzarà. 

 7.8   Facilitat de manteniment

El sistema de control ha de permetre un manteniment àgil, simple i amb el menor temps possible,   tant  pel  que   fa  als  elements  de  planta  o  cèl∙lula   com als   elements  de  camp Normalment   les   intervencions  per  manteniment   en  el   control   seran  de   tipus  correctiu, necessitant la substitució  d’algun dels elements de l’equip. En aquest sentit te avantatges un control amb elements modulars, evitant sistemes compactes que obligarien a canviar completament l’equip en cas de fallida d’alguna de les seves unitats o a llargues aturades en el procés si es pretén la reparació o substitució   de la part afectada.   En un sistema modular  la substitució  del mòdul avariat pot ésser molt  ràpida,   i  en molts  casos sense necessitat de que el procés se’n ressenti.

 7.9   Flexibilitat per adaptació a canvis en el procés

Les ampliacions o variacions que poden produirse en l’equipament de la planta no poden quedar   condemnades   per   un   sistema  de   control   que   no  presenti   facilitats   per   adaptar ampliacions en el nombre d’entrades i sortides per a incorporar nous elements de camp. De la   mateixa   forma     la   reprogramació   ha   de   poder   realitzarse   sense   complicacions. Novament es fa palesa la necessitat d’un sistema modular, descentralitzat que minimitzi les necessitats de cablejat. 

42

CAPÍTOL 8

Alternatives de control

43

 8  Alternatives de control

 8.1  Segons l’arquitectura del sistema: control local o distribuït

 8.1.1 Arquitectura local, control centralitzat

El control del sistema s’estructura al voltant d’un sistema processador central actuant com a únic gestor. Aquest rep totes les entrades del procés, executa els càlculs apropiats d’acord amb l’algoritme de control i produeix les sortides que s’adrecen als actuadors o dispositius finals de control. 

 8.1.2 Arquitectura distribuïda, control distribuït 

En un de control distribuït els elements del sistema posseeixen la intel∙ligència necessària per a prendre decisions de forma autònoma sense que existeixi un nivell jeràrquic superior. És necessari un intercanvi continu d’informació rellevant entre elements de control per a mantenir la coordinació de tot el sistema.

Un control distribuït s’articula en diferents nivells de control : en el nivell més baix, el nivell de camp o nivell 1,   estan aquells elements en contacte amb el procés, sensors i actuadors. En en un nivell superior (nivell de control o nivell 2)   estan els elements de control i regulació. Per sobre d’aquest, és el nivell 3 on estan els controladors de grup, ordinadors dedicats a la coordinació entre elements del nivell inferior i a la supervisió i control de tota una àrea.  Finalment en el nivell més alt, és el nivell 4, de producció on es planifica la producció dels nivells inferiors .

El desenvolupament del control distribuït està íntimament lligat amb el desenvolupament de les comunicacions industrials. La comunicació entre elements de cada nivell es realitza mitjançant busos i protocols de comunicació especialitzats. Busos de cèl∙lula i camp en els nivells inferiors i Ethernet en el nivell superior.   Un sistema de control distribuït no te que constar sempre de l’estructura de quatre nivells abans esmentada. La seva complexitat dependrà del nombre de processos i la complexitat d’aquests. 

 8.2  Segons els busos de comunicacions: propietaris o oberts

És  inherent  als   sistemes de  control  distribuït   l’ús  de  busos  de camp com a canals  de comunicacions entre els diferents elements del control, des de sensors o actuadors fins als ordinadors o autòmats programables.