Caso de estudio · Red de agua · LoRaWAN
Muchos puntos. Una sala de control.
PLC Linux en la depuradora, PLC ESP32 en campo y LoRaWAN entre ellos.
Las bombas siguen al nivel. La radio solo informa.
Un punto en silencio también es una alarma.
Este caso describe un patrón de telecontrol para la red de agua de un municipio: una depuradora (EDAR), las estaciones de bombeo de su alrededor y pequeños puntos remotos, como depósitos y pozos. Se basa en los equipos de un proyecto real para un operador de agua. No citamos al operador, sus instalaciones ni el número de puntos. Los niveles, periodos, rangos y coberturas de esta página son ejemplos: una forma habitual de hacerlo. Para la dosificación química en una estación, consulta el caso de tratamiento de agua.
El reto
Muchos puntos, poca gente, grandes distancias.
La red de agua de un municipio está repartida. La depuradora, las estaciones de bombeo, los depósitos y los pozos suelen estar a kilómetros unos de otros, y muchos no tienen línea de red fija. El operador tiene que ver cada punto, recibir la alarma cuando falla una bomba y actuar antes de que se desborde un pozo de bombeo. Y la sala de control tiene que saber cuándo un punto deja de comunicar.
Primero, el control local
Una estación de bombeo arranca y para sus bombas según su propio nivel. El enlace de radio nunca puede formar parte de ese lazo.
Pocos datos, mucho alcance
Un punto remoto envía pocos valores: un nivel, el estado de las bombas, una alarma. LoRaWAN los lleva lejos, sin una tarjeta SIM por punto.
Muchas señales en la depuradora
La depuradora tiene transmisores de 4-20 mA y equipos que ya hablan Modbus. Un solo controlador tiene que leer ambos.
El silencio es un estado
Si un punto deja de informar, la sala de control tiene que mostrarlo. Sin noticias no puede parecer que todo va bien.
Una sola vista para el operador
Un panel en el armario de cada punto, una pantalla grande en la sala de control y la alarma en el móvil de la persona de guardia. Los mismos datos, con la misma marca de tiempo, sea cual sea el camino.
Cómo funciona
Tres fases: la estación, la radio, la depuradora.
Cada fase muestra una parte de la red. Pulsa los botones y mueve los controles. Los paneles son simulaciones ilustrativas: niveles, periodos, rangos y tiempos son ejemplos, no datos del operador.
El nivel arranca las bombas. La radio da la noticia.
Un ESP32 PLC 21 lee el nivel del pozo de bombeo con un transmisor de 4-20 mA. Arranca la bomba principal en el nivel de arranque y para las bombas en el nivel de paro. Si el nivel sigue subiendo, entra la segunda bomba. Las bombas se alternan, y un fallo pasa el trabajo a la otra bomba. El PLC envía una trama LoRaWAN corta en cada periodo, y al momento cuando hay un evento: un fallo o un nivel alto. Mueve el caudal de entrada. Pulsa Fallo de la bomba 1.
- Nivel del pozo: 4-20 mA con una resistencia de 500 Ω
- Bomba principal y bomba de apoyo, alternadas
- Una trama en cada periodo y otra en cada evento
Eventos de la estación (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos del operador. Niveles de ejemplo: la bomba principal arranca al 50 %, la de apoyo al 70 %, las dos paran al 20 % y la alarma de nivel alto salta al 90 %. Periodo de ejemplo: una trama cada 15 min, mostrada cada 6 s. Una trama de 4 bytes basta para el nivel, el estado de las bombas y las alarmas.
Cualquier gateway puede oír un punto. El silencio tiene un temporizador.
Un dispositivo LoRaWAN no está emparejado con un gateway. Todos los gateways que tiene al alcance reciben su trama, y el servidor de red elimina las copias. Un punto cubierto por dos gateways sigue informando si uno falla. Un punto cubierto por un solo gateway se queda en silencio. La sala de control conoce el periodo de cada punto: después de tres tramas perdidas, lo marca como punto sin datos. Cuando vuelve el enlace, el contador de tramas indica cuántas se han perdido. Apaga un gateway.
- Cada trama llega a todos los gateways al alcance
- El servidor de red elimina las copias
- Sin datos después de tres periodos perdidos (ejemplo)
Eventos de la sala de control (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos del operador. Ejemplo: cada punto envía una trama cada 15 min, mostrada cada 3 s. La estación A está al alcance del gateway 1, el depósito del gateway 2 y la estación B de los dos. La cobertura real depende de la distancia, el terreno y las antenas. Una forma habitual de recuperar los datos perdidos: el punto guarda sus lecturas en un almacenamiento local y la sala de control pide las que faltan.
Prueba una red de agua completa en el simulador Remote Site Telemetry
Miliamperios, voltios, unidades. Un cable cortado no es un cero.
En la depuradora, un Raspberry PLC 42 lee los transmisores de 4-20 mA, los equipos que ya hablan Modbus y un panel HMI local. Sus entradas analógicas miden 0-10 V, así que cada lazo de 4-20 mA pasa por una resistencia. 4 mA es el cero de la escala. Una lectura de 3,6 mA o menos es un fallo, como un cable cortado o un transmisor averiado, no un caudal cero. El PLC envía cada valor a la sala de control por MQTT, con un indicador de calidad. Mueve la corriente. Corta el cable. Cambia la resistencia.
- De 4-20 mA a 0-10 V con una resistencia
- Límites de fallo según NAMUR NE 43
- Cada valor con su indicador de calidad por MQTT
Valores enviados a la sala de control (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos del operador. Transmisor de ejemplo: caudal de entrada, de 0 a 300 m³/h en 4-20 mA. Límites de fallo según NAMUR NE 43: 3,6 mA o menos, o 21 mA o más. Con 500 Ω, 20 mA dan 10 V, el máximo de la entrada, así que el PLC no puede ver el fallo alto y el panel marca 20 mA o más como dudoso. Con 470 Ω, 21 mA dan 9,87 V. Comprueba la tensión máxima de la entrada en la ficha técnica y usa una resistencia de precisión.
Arquitectura del sistema
¿Cómo se organiza el telecontrol de una red de agua?
Dos tipos de PLC, dos caminos. En campo, un ESP32 PLC 21 con placa LoRa gobierna cada punto remoto: controla las bombas en el sitio y envía tramas LoRaWAN cortas. Unos gateways de exterior reciben las tramas y las pasan a un servidor de red LoRaWAN, que envía los datos decodificados a la sala de control. En la depuradora, un Raspberry PLC 42 lee los transmisores de 4-20 mA, los equipos Modbus RTU en RS-485 y las E/S remotas Modbus TCP, muestra la planta en un panel HMI local y publica sus valores por MQTT. La sala de control reúne los dos caminos en una sola pantalla.
| Señal | Entre | Tipo | Función |
|---|---|---|---|
| Nivel del pozo | EntreTransmisor → ESP32 PLC 21 | Tipo4-20 mA, 500 Ω | FunciónArranca y para las bombas en el sitio |
| Bomba en marcha, fallo de bomba | EntreContactor, relé térmico → ESP32 PLC 21 | TipoEntrada digital | FunciónConfirma cada bomba. Un fallo pasa el trabajo a la otra bomba |
| Orden de bomba | EntreESP32 PLC 21 → contactor | TipoSalida digital | FunciónA través de un relé auxiliar hasta la bobina del contactor |
| Estado del punto | EntreESP32 PLC 21 → gateways | TipoLoRaWAN | FunciónPocos bytes: nivel, estado de las bombas, alarmas. En cada periodo y en cada evento |
| Tramas decodificadas | EntreServidor de red → sala de control | TipoMQTT o HTTP | FunciónDatos de todos los puntos remotos, sin copias |
| Variables de proceso | EntreTransmisores → Raspberry PLC 42 | Tipo4-20 mA, resistencia | FunciónCaudales y niveles de la depuradora (ejemplo) |
| Equipos instalados | EntreVariadores, contadores → Raspberry PLC 42 | TipoModbus RTU | FunciónValores que los equipos ya calculan, en RS-485 |
| E/S remotas | EntreMódulos de E/S → Raspberry PLC 42 | TipoModbus TCP | FunciónMás señales digitales sin cables nuevos hasta el armario |
| Vista local | EntrePanel HMI ↔ Raspberry PLC 42 | TipoPantalla y táctil | FunciónVista de la planta y órdenes locales. El caso no publica cómo se conecta el panel |
| Datos de la depuradora | EntreRaspberry PLC 42 → sala de control | TipoMQTT | FunciónCada valor con su marca de tiempo y su calidad, por Ethernet o 4G |
Por qué funciona
Control en el sitio. Datos en un solo lugar.
El control se queda en el sitio
Las bombas reaccionan al nivel dentro del PLC, en cada ciclo. Una trama perdida cambia lo que ve la sala de control, no lo que hace la bomba.
Cualquier gateway oye al nodo
Los dispositivos LoRaWAN no están atados a un gateway. Dos gateways que cubren los mismos puntos dan a cada punto un segundo camino, y el servidor de red se queda con una copia de cada trama.
Pocos bytes, a propósito
Las tramas cortas ocupan menos tiempo en el aire. En EU868, los canales principales permiten un 1 % de tiempo de emisión por dispositivo. Empaqueta los bits: consulta el empaquetado de bits en LoRaWAN.
Un cable cortado no es un cero
Con 4 mA como cero de la escala, un lazo sin corriente lee cerca de 0 mA y el PLC lo marca. La sala de control recibe una calidad mala, no un falso caudal cero.
Linux donde están las señales
El Raspberry PLC 42 funciona con Debian, con dos puertos RS-485, dos puertos Ethernet y un reloj de tiempo real. Su SAI con supercondensadores apaga Linux de forma ordenada cuando se va la corriente.
El silencio tiene un temporizador
La sala de control conoce el periodo de cada punto. Después de un número fijado de tramas perdidas, el punto se marca como «sin datos». El contador de tramas indica cuántas se han perdido.
Hardware utilizado
Linux en la depuradora. ESP32 en campo. Pantallas para las personas.
Raspberry PLC 42
Un PLC industrial basado en una Raspberry Pi 4, con Debian de 64 bits. En la depuradora lee los transmisores de 4-20 mA con resistencias, habla Modbus RTU por sus dos puertos RS-485 y Modbus TCP por Ethernet, muestra la planta en el panel HMI local y publica los valores por MQTT. Se programa en Python, Node-RED o C/C++.
- Función
- Controlador de la depuradora: señales analógicas, Modbus, HMI local, MQTT
- Ordenador
- Raspberry Pi 4, cuatro núcleos de 64 bits, 1,8 GHz, 2, 4 u 8 GB de RAM
- Entradas
- 26: 12 analógicas o digitales (0-10 V, 12 bits), 14 digitales optoaisladas (5-24 Vdc)
- Salidas
- 16: 6 analógicas, digitales o PWM (0-10 V), 10 digitales optoaisladas (5-24 Vdc)
- Comunicaciones
- 2 Ethernet (Gigabit y 10/100), 2 RS-485, Wi-Fi, Bluetooth LE
- Placa opcional
- Una: LoRa (banda EU, US o Asia), 4G LTE-M/NB-IoT o CAN
- Fiabilidad
- SAI con supercondensadores para un apagado seguro, reloj de tiempo real con batería
- Alimentación, montaje
- De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20
En el proyecto en que se basa este caso, los controladores de planta son Raspberry PLC 42. Envían sus datos por Ethernet, o con una placa 4G donde un punto no tiene red por cable.
ESP32 PLC 21 FLEX
Un controlador industrial basado en el ESP32 de doble núcleo, que se programa con el Arduino IDE. La versión FLEX admite una placa de comunicaciones: aquí, LoRa para la banda EU868. En una estación de bombeo lee el nivel y las señales de las bombas, mueve los contactores de las bombas a través de relés auxiliares y envía las tramas LoRaWAN.
- Función
- Punto remoto: control local de bombas, tramas LoRaWAN
- Entradas
- 13: 6 analógicas o digitales (0-10 V, 11 bits), 7 digitales optoaisladas (5-24 Vdc)
- Salidas
- 8: 3 analógicas, digitales o PWM (0-10 V), 5 digitales optoaisladas (5-24 Vdc)
- Comunicaciones
- Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth LE, RS-485, RS-232
- Placa opcional
- Una: LoRa (banda EU, US o Asia), 4G LTE-M/NB-IoT o CAN
- Reloj
- Reloj de tiempo real DS3231 con batería
- Programación
- Arduino IDE
- Alimentación, montaje
- De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20
En el proyecto en que se basa este caso, los puntos remotos usan el ESP32 PLC 21 con la placa LoRa (EU868). Una estación de dos bombas como la de la fase 1 necesita unas 6 de sus 13 entradas: el nivel, dos señales de marcha, dos de fallo y una boya de nivel alto. Las salidas no son de relé: mueve las bobinas de los contactores con relés auxiliares.
Panel HMI Touch Screen
Las pantallas de los operadores: un panel táctil capacitivo en el armario de cada punto y uno grande en la sala de control.
- Función
- Vista local de la planta, pantalla de la sala de control
- Tamaños
- 7", 10,1" o 18,5"
- Pantalla táctil
- Capacitiva
- Frontal
- Estándar o IP65
En el proyecto en que se basa este caso: paneles de 10,1" con frontal IP65 en los puntos y paneles de 18,5" en la sala de control.
Preguntas sobre este caso
¿Cómo funciona el telecontrol de la red de agua de un municipio?
Cada punto tiene su propio PLC, que lo controla en el sitio: bombas, niveles, alarmas. El PLC envía sus valores a una sala de control. Aquí, los pequeños puntos remotos usan LoRaWAN y la depuradora usa MQTT por Ethernet o 4G. La sala de control muestra todos los puntos, guarda el histórico y envía las alarmas. Si la red falla, cada punto sigue funcionando. Consulta el ejemplo de estación de dos bombas con telemetría LoRaWAN y el paquete de proyecto de bombeo de agua.
¿LoRaWAN o 4G para una estación de bombeo?
LoRaWAN encaja con pocos datos y periódicos: un nivel, el estado de las bombas, las alarmas. No necesita una tarjeta SIM por punto y tiene mucho alcance, pero las tramas son cortas y el tiempo de emisión es limitado (un 1 % en los canales principales de EU868). Una orden a un dispositivo de clase A espera a su siguiente trama de subida. 4G encaja con un punto que necesita más datos, programación a distancia o un camino rápido para las órdenes, o al que no llega ningún gateway. El Raspberry PLC 42 y el ESP32 PLC 21 admiten las dos placas.
¿Qué pasa cuando un punto pierde el enlace de radio?
El punto sigue controlando sus bombas, porque la lógica está en el PLC, no en la sala de control. La sala de control marca el punto como sin datos después de un número fijado de periodos perdidos, y el contador de tramas indica cuántas se han perdido. Una forma habitual de conservar los datos: guardar las lecturas en un almacenamiento local y enviarlas más tarde. Consulta el registro de datos con tarjeta SD sin conexióny pruébalo en el simulador Remote Site Telemetry.
¿Cómo se lee un transmisor de 4-20 mA en una entrada de 0-10 V?
Con una resistencia en paralelo con la entrada. Con 500 Ω, 4 mA dan 2 V y 20 mA dan 10 V. Una lectura de 3,6 mA o menos es un fallo (NAMUR NE 43), no un cero. Para ver también el fallo alto (21 mA o más) en una entrada de 0-10 V, usa un valor más bajo, como 470 Ω. Usa una resistencia de precisión. Consulta la lectura de un sensor de nivel de 4-20 mA.
¿Puede el PLC leer los variadores y contadores ya instalados?
Sí, si hablan Modbus. El Raspberry PLC 42 tiene dos puertos RS-485 para Modbus RTU y dos puertos Ethernet para Modbus TCP. Para un equipo serie lejos del armario, un servidor de dispositivos serie lo pone en la red Ethernet. Los módulos de E/S remotas Modbus TCP añaden señales digitales sin cables nuevos hasta el PLC. Consulta el maestro Modbus RTU por RS-485.
¿Por qué importan ahora los datos de energía de una depuradora?
La nueva Directiva de tratamiento de las aguas residuales urbanas, (UE) 2024/3019, pide una auditoría energética cada cuatro años en las depuradoras de 10.000 habitantes equivalentes o más. Las primeras auditorías se deben hacer en 2028 en las depuradoras de 100.000 habitantes equivalentes o más, y en 2032 en las demás. La directiva también fija una senda nacional hacia la neutralidad energética en 2045. Una red de telecontrol que ya lee los contadores de energía por Modbus aporta parte de los datos para esas auditorías, punto por punto.
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- Un controlador por punto, dimensionado según sus E/S
- LoRaWAN, 4G, Ethernet y Modbus