Agua de la máxima calidad con ayuda de la digitalización

El Internet of Things Industrial (IIoT) y los servicios en la nube habilitan nuevas formas de automatizar, analizar y corregir en tiempo real la operación de una planta. La digitalización puede ayudar a resolver muchos de los retos que afronta el sector como mejorar la calidad del agua, garantizar un suministro fiable y eficiente ante una demanda creciente, y aumentar la resiliencia ante los cambios climáticos y demográficos e, incluso, ante circunstancias adversas como las que hemos vivido.

El agua potable es un bien muy preciado y escaso y por eso debe consumirse y administrarse de forma inteligente. Si el total del agua de la Tierra fuera un recipiente de 100 litros, solamente media cucharadita de agua sería apta para consumo humano. De entre los reactivos químicos que permiten su desinfección, el cloro y sus compuestos derivados, como el hipoclorito de sodio (NaClO), son los agentes desinfectantes más utilizados a nivel mundial.

Debido a múltiples factores, como las variaciones en la concentración de cloruro en la entrada de agua a lo largo del año y según la instalación, el tiempo de resistencia prolongado en los depósitos, su degeneración con el tiempo y/o por la temperatura, etc., llevar a cabo una buena regulación de la concentración en el caudal de agua no es tarea sencilla.

Un lazo de control mal optimizado puede significar una peor calidad el agua y un mayor consumo energético y de productos químicos, e incluso provocar daños en los equipos como válvulas, bombas, motores … por fricción estática, por ejemplo.

Según Control Engineering, aproximadamente la mitad de los lazos de control en la industria no están correctamente ajustados. A veces falta conocimiento o recursos en planta para analizar debidamente los lazos de control. En otras ocasiones falta transparencia sobre lo que está ocurriendo y dónde. Pero lo cierto es que supervisando el comportamiento de nuestros PIDs y optimizándolos podemos ahorrar dinero sin realizar nuevas inversiones.

Mayor calidad y disponibilidad gracias al IoT industrial

El avance en la tecnología nos ha dotado de nuevas capacidades a la hora de capturar datos de equipos remotos e interrelacionar la información proveniente de diversos sistemas. Las nuevas posibilidades que ofrecen los conceptos de IoT industriales y los servicios digitales en la nube se pueden aplicar a la optimización eficiente del rendimiento de los lazos de control de una planta o instalación.

Dentro de su marco estratégico de digitalización, Canal de Isabel II, la empresa pública responsable de la gestión del ciclo integral del agua en la Comunidad de Madrid, ha designado la estación recloradora de Villamantilla como instalación piloto para la prueba de valor de la optimización de lazos PID. En concreto, en este emplazamiento se recogen los datos del PID que realiza la dosificación del hipoclorito en un controlador S7-1500. A través del módulo de comunicación CP1545-1 se independiza el programa de control de la comunicación de datos a la nube, asegurando una alta disponibilidad del sistema de control. Además, el firewall integrado en el CP permite satisfacer los estándares de ciberseguridad acordes con una infraestructura clasificada como crítica.

La conectividad juega un papel clave, pues se deben integrar las tecnologías emergentes provenientes del mundo IT con un entorno industrial. Por esa razón se recurrió al protocolo MQTT, que funciona sobre TCP/IP y utiliza un sistema de publicación/suscripción de mensajes sobre unos temas determinados. Se trata de un protocolo especialmente ligero y muy extendido para comunicación vertical con sistemas en la nube. Una ventaja adicional de esta topología es que la configuración es muy sencilla de realizar y está integrada en TIA Portal, no siendo necesarios conocimientos IT ni software adicionales, y garantizando el ciclo de vida propio de los productos industriales.

Los datos procedentes de la estación recloradora se analizan automáticamente en la App Control Performance Analytics (CPA), que forma parte de la IoT Suite de MindSphere. Los estados de los lazos de control se basan en cálculos automáticos de KPIs que permiten identificar el seguimiento del valor de consigna, los problemas en estado estacionario e incluso la fricción estática o de deslizamiento en válvulas de proceso. Además, proporciona diferentes perspectivas para llevar a cabo un análisis de la causa raíz.

La App también tiene la capacidad de calcular de manera automática un nuevo juego de parámetros para optimizar el funcionamiento de los lazos PID o PI a través de simulaciones, sin perturbar las operaciones en la planta. Una muestra más del potencial de la idea de “gemelo digital” aplicada a tareas de operación y mantenimiento.

Para evitar desplazamientos innecesarios a emplazamientos muy dispersos a nivel geográfico, se ha recurrido al software Sinema Remote Connect, que facilita el mantenimiento remoto de forma segura para máquinas y plantas grandes con subredes idénticas. Así cada vez que se quiera modificar el programa de PLC, los datos a capturar o la frecuencia de éstos, se hará de manera sencilla y segura, sin necesidad de tener que acudir in situ.

De esta manera, Canal de Isabel II ha incrementado la transparencia de cómo están trabajando los procesos de cloración y ha mejorado la calidad de dichos procesos gracias a una menor fluctuación de las variables involucradas en el proceso, motivada por el ajuste perfecto de los PIDs asistido desde la App. Y todo en un proceso completamente automatizado, eliminando la necesidad de intervenciones manuales sobre los lazos de control, que en especial durante el período de confinamiento por la COVID-19 ha puesto de manifiesto el aumento de la resiliencia de sus sistemas gracias a la digitalización. A más largo plazo, otra ventaja será el mayor tiempo de vida de los activos derivado de un funcionamiento más estable y de una detección temprana de incidencias.

Suite de Apps para Cloud/Edge Computing

Junto con la aplicación para la optimización de los lazos de control, en MindSphere se dispone de un número importante de aplicaciones estándares pensadas para la industria, algunas de las cuales también se han desplegado en la estación recloradora.

Con “SIMATIC Performance Insight” se han creado cuadros de mando que ofrecen una visión directa del estado de la instalación. Adicionalmente, el personal de operación y mantenimiento recibe las notificaciones en tiempo real directamente en sus dispositivos móviles gracias a “SIMATIC Notifier”. De ese modo las alertas relacionadas con la presión de agua, el caudal a la entrada o los niveles de cloro llegan rápidamente a las personas designadas para su supervisión y/o resolución.

También se utiliza “SIMATIC Flow Creator” para el procesamiento de los datos, ya que se trata de una plataforma para una programación de flujos de datos intuitiva y sencilla. De esta manera, los valores capturados diariamente en una planta se recogen, se preprocesan acorde a su uso posterior (por ejemplo, para la supervisión de transitorios) y se guardan y envían, por ejemplo, en formato de fichero .CSV a la App que hará uso de los mismos en la nube.

La solución en nube planteada será complementada en el futuro con el ecosistema SIMATIC Industrial Edge. Las aplicaciones se podrán desplegar en un entorno Cloud o Edge en base a las necesidades específicas de cada funcionalidad. Se podrán eliminar así los tiempos de latencia elevados propios de la nube, y se podrá ahorrar ancho de banda y capacidad de almacenamiento, subiendo solo al Cloud aquellos datos que sean imprescindibles para ello.

Javier García del Río, Coordinador de Automatización e Instrumentación (Canal de Isabel II),

Santiago Cuenca Rubio, Responsable de Automatización (Canal de Isabel II) y

David Pozo Martínez, Director Digital Enterprise Director Process Automation Siemens España

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Este artículo aparece publicado en el nº 522 de Automática e Instrumentación, págs. 66 y 68.