REVISTA INGENIO
Sistemas SCADA, Aplicaciones en Plantas Potabilizadoras de Agua de la Costa
Ecuatoriana, Caso Municipio del Cantón El Empalme
SCADA Systems, Applications in Water Treatment Plants along the Ecuadorian Coast Region,
Case study: El Empalme Municipality
Carlos David Amaya Jaramillo | Universidad Estatal de Quevedo -UTEQ, Quevedo - Ecuador
Geovanny Gonzalo Guerrero Muñoz | Universidad Estatal de Quevedo -UTEQ, Quevedo - Ecuador
Cristian Samuel Laverde Albarracín | Universidad Estatal de Quevedo -UTEQ, Quevedo - Ecuador
Rogger José Andrade Cedeño | Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí Manuel Félix
López, Manabí - Ecuador
https://doi.org/10.29166/ingenio.v8i1.6846 pISSN 2588-0829
2025 Universidad Central del Ecuador eISSN 2697-3243
CC BY-NC 4.0 —Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional ng.revista.ingenio@uce.edu.ec
, (), - , . -
Este trabajo describe el diseño de un sistema SCADA para mejorar el servicio de agua potable en el
municipio del Cantón El Empalme, Ecuador. Se detallan las fases del diseño, los criterios para el análisis
del estado de automatización de la planta, el diseño de la automatización y la selección de dispositivos.
El sistema SCADA, que utiliza PLCs, sensores y bombas conectados a través del protocolo ModBus TCP,
mejoró la eciencia operativa, redujo los tiempos de respuesta y contribuyó a la calidad del producto
nal. Se identicaron problemas como desequilibrio en las protecciones de los tableros y tiempos de res-
puesta prolongados, los cuales fueron abordados mediante la simulación del modelo de automatización.
is work describes the design of a SCADA system to improve the drinking water service in the munici-
pality of El Empalme Canton, Ecuador. It outlines the design phases, criteria for analyzing the automation
status of the plant, automation design, and device selection. e SCADA system, which uses PLCs, sensors,
and pumps connected via the ModBus TCP protocol, enhanced operational eciency, reduced response
times, and contributed to the quality of the nal product. Issues such as imbalances in panel protections
and extended response times were addressed through simulation of the automation model.
Recibido: 8/4/2024
Recibido tras revisión: 1/5/2024
Aceptado: 3/7/2024
Publicado: 03/01/2025
Monitoreo en tiempo real, control y ad-
quisición de datos, automatización, co-
municación industrial.
Real-time monitoring, data acquisition
and control, automation, industrial com-
munication.
1. Introducción
Para el diseño del sistema SCADA en El Empalme, Ecua-
dor, se considerarán los componentes esenciales de una
red SCADA, que incluyen sistemas de adquisición de
datos, sistemas de transmisión de datos y soware de
interfaz hombre-máquina (HMI). Estos componentes se
integrarán para proporcionar un sistema centralizado de
monitoreo y control, permitiendo la supervisión y con-
trol en tiempo real de toda la red desde una ubicación
remota [1].
El hardware comúnmente utilizado en las redes
SCADA incluye la Unidad de Estación Maestra (MSU)
o Unidad de Terminal Maestra (MTU), sub-MSUs, sitios
de campo distribuidos geográcamente que consisten
en Unidades Terminales Remotas (RTUs) y Dispositi-
vos Electrónicos Inteligentes (IEDs), así como enlaces y
equipos de comunicación. La MSU o MTU almacena-
rá y procesará la información de entradas y salidas de
las unidades de estación esclava, RTUs o IEDs, mientras
que las unidades de estación esclava controlarán el pro-
ceso local [1].
El diseño del SCADA, permite entregar, a la planta
de tratamiento de agua del Gobierno Autónomo Muni-
cipal de El Empalme (GADMEE), una alternativa para la
automatización de sus controles eléctricos, medición en
tiempo real de los niveles de agua en los tanques de dis-
tribución y control de la producción nal de la misma; al
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Sistemas SCADA, Aplicaciones en Plantas Potabilizadoras de Agua de la Costa Ecuatoriana, Caso Municipio del Cantón El Empalme
variador de frecuencias, en esta etapa se presentan
dos reservorios de 2.000 m3
· 1 Motor gt1043a Marathon 55 kW
· 2 motores Siemens 55 kW
· 1 arrancador suave Sirius 3RW40
· 1 arrancador suave Altistar 48
· 1 variador de velocidad Altivar 61
- Etapa de oculación:
· 1 bomba de agua jet750G1
· 1 bomba de agua Pedrollo CPM650 de 1.5 HP
· 1 bomba de agua Shimge JET750G1
· 1 bomba dosicadora BlackLine Pro
· 1 bomba de agua Leo Acro150
· 1 bomba de agua Pedrollo JSWM 3BM
·
Revisión de los tiempos de respuesta de los operado-
res de la planta. Se debe medir cuánto tiempo tardan
los operadores de la planta en encender y apagar las
bombas de la planta, para lo cual se toman escenarios
en donde el operador se moviliza a pie, motocicleta y
automóvil.
2.2. CRITERIOS PARA REALIZAR EL DISEÑO DE LA
AUTOMATIZACIÓN
El diseño de la automatización tiene requerimientos de
soware y hardware los cuales se detallan a continuación:
·
Requerimientos técnicos de la planta de potabilización.
Se requiere automatizar y monitorear las bombas de
admisión y distribución; medición de los niveles en los
tanques de distribución y del caudal de salida.
·
Red de comunicación industrial. Donde se integren
los componentes, comunicación y compatibilidad en-
tre ellos (Cockerham, 2021), (TechTarget, 2021).
·
Interfaz de usuario. Mostrando organización de la in-
formación y de los elementos de la interfaz, navega-
ción y estructura clara y consistente (TechTarget, 2021).
·
Escalabilidad. Un sistema modular con capacidad de
expansión futura.
2.3. CRITERIOS PARA SELECCIONAR LOS DISPOSITI
VOS NECESARIOS
Se debe tener en cuenta los siguientes criterios.
·
Que los equipos sean capaces de controlar los proce-
sos de control en la planta de agua.
· Compatibilidad entre los dispositivos seleccionados.
· Interfaz de comunicación industrial.
· Condiciones ambientales.
· Costos.
diseñar este sistema, es posible que se evite el mal funcio-
namiento de las bombas, gracias a que una de las prin-
cipales características de este sistema, es el monitoreo en
tiempo real en la operación.
En la actualidad, la implementación de sistemas SCA-
DA en plantas potabilizadoras de agua se ha convertido
en una herramienta esencial para optimizar la gestión y
distribución del recurso hídrico. Diversos estudios han
demostrado que estos sistemas permiten el monitoreo en
tiempo real de los sistemas de suministro de agua, opti-
mizando la pérdida de agua y mejorando su calidad. Ade-
más, la seguridad de las redes SCADA es crucial para la
protección de infraestructuras críticas, y se han desarro-
llado esquemas de gestión de claves para asegurar las co-
municaciones [1]. La vulnerabilidad de estos sistemas y
la necesidad de políticas de seguridad de la información
y análisis de riesgos también han sido ampliamente docu-
mentadas [2]. La integración de tecnologías IoT con SCA-
DA ha permitido avances signicativos en el monitoreo
de la calidad del agua en tiempo real, reduciendo costos
y aumentando la eciencia [3]. Este trabajo se enfoca en
el diseño de un sistema SCADA para mejorar el servicio
de agua potable en el municipio del cantón El Empalme,
Ecuador, aprovechando las mejores prácticas y tecnolo-
gías disponibles.
2. Método
El procedimiento a seguir para efectuar el diseño del
SCADA se lo ha divido en tres fases, en la primera se
toma en cuenta el estudio del estado de la planta, en la
segunda las necesidades técnicas de la planta en conjun-
to con el diseño de la automatización, por último, en la
tercera fase se dene la selección de los dispositivos dis-
ponibles en el mercado.
2.1. CRITERIOS PARA EL ANÁLISIS DEL ESTADO DE
AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA
El proceso que se realizó en esta fase consta de:
· Inspección visual de los controles eléctricos y equipos
instalados. Por medio de la observación directa se de-
terminan cuáles son los dispositivos instalados en la
etapa de admisión y distribución de la planta de pota-
bilización de agua del GADMEE , los cuales son:
-
Etapa de admisión: Esta etapa cuenta con un sistema
de arranque estrella-delta y protecciones de perdida
de fase para bombas de 55 kW o 70 HP
· 4 Motor WEG W22 IE1 55 kW
· Arranque por estrella triángulo
· 4 P/N ICM450.
-
Etapa de distribución: Se tienen instaladas 3 bom-
bas, controladas por dos arrancadores suaves y un
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Amaya Jaramillo et al.
2.4. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PLC Y PANTALLA
TÁCTIL
El PLC y el panel táctil son dispositivos que requieren
programación para controlar y visualizar los estados de
la planta. En la gura 1 se presenta un diagrama de u-
jo que explica el funcionamiento del PLC en este dise-
ño. Además, proporcionamos un diagrama de ujo que
muestra cómo operaría la interfaz gráca a través de un
dispositivo HMI.
Figura 2.
Diagrama de ujo del HMI
En la Figura 2 se muestra el diagrama de ujo que go-
bierna al soware de la estación de trabajo o panel táctil,
en donde se mostrarán las pantallas correspondientes a
cada etapa dentro de la planta.
3. Resultados
..
FASE 1: ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA
La planta de potabilización del GADMEE cuenta con las
etapas mostradas en la Figura 3, en donde se encuentran
conectados los controles y bombas instalados.
3.2. FASE 2: DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN
Dentro de la automatización que se diseñó se proporcio-
na la arquitectura del sistema SCADA, en la Figura 4 se
presentan tres de los cinco niveles de automatización, es-
tos niveles corresponden a la supervisión, control y a los
actuadores y sensores, dentro del nivel de supervisión se
encuentran el servidor y el switch, en el nivel de control
se presenta el PLC y un panel táctil los que se encargan
de gobernar el comportamiento de la planta, por último,
se presentan los actuadores para el control de las bombas
y los sensores que recolectan los datos de la planta [1].
3.3. FASE 3: SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS
En la Tabla 1 se muestran los dispositivos escogidos para
la adquisición, el procesamiento, almacenamiento y vi-
sualización de datos, a continuación, se detallan:
· Controlador lógico programable.
· Sensores y actuadores.
· Dispositivos de comunicación.
· Servidores y estaciones de trabajo.
Se detalla que en la Tabla 2 y Tabla 3 se muestran los
tiempos de respuesta de los operadores antes de la imple-
mentación de un sistema SCADA.
Figura 1.
Diagrama del Flujo del PLC.
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Sistemas SCADA, Aplicaciones en Plantas Potabilizadoras de Agua de la Costa Ecuatoriana, Caso Municipio del Cantón El Empalme
Figura 3.
Etapas de la planta de potabilización.
Figura 4.
Arquitectura del SCADA.
Figura 5.
Diagrama P&ID.
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Amaya Jaramillo et al.
3.3.1. P&ID del proceso
En la Figura 5 se muestra el diseño para implementar
el sistema SCADA para supervisar y controlar los pro-
cesos de encendido y apagado de las bombas de admi-
sión y distribución y los sensores de nivel y caudal. Este
sistema se compone de un servidor, un switch de red,
una pantalla HMISTU655, un PLC de la serie M221 de
Schneider Electric, el que gestiona varios dispositivos de
campo, entre ellos las bombas de admisión, las bombas
de distribución, los sensores de nivel y caudal. Para la co-
municación entre los dispositivos se emplea el protocolo
ModBus TCP.
El protocolo ModBus TCP, fue seleccionado por su
simplicidad y conabilidad, facilitando la comunica-
ción entre el servidor, el SCADA, el HMI, el PLC y los
Tabla 1.
Dispositivos escogidos para la automatización
Ítem Descripción Cantidad
1 PLC TM221CE40R SCHNEIDER ELECTRIC 1
2 MÓDULO //INSERTE NOMBRE DEL MÓDULO// SCHNEIDER ELECTRIC 1
3 PANEL TACTIL HMISTU65S 3.2 INCH 1
4 SENSOR ULTRASÓNICO LVC-152 OMEGA ENGINEERING 2
5 SENSOR ELECTROMAGNÉTICO FMG600 OMEGA ENGINEERING 1
6 SERVIDOR POWEREDGE T40 DELL 1
7 SWITCH EDS-508A MOXA 1
Tabla 2.
Tiempos de respuesta de los operadores
Evento / Escenario Encendido o apa-
gado de las bombas
de admisión
Encendido o
apagado de las
bombas de distri-
bución
Detección de fa-
llas en la admi-
sión
Detección de las fallas
en la distribución
Movilización caminando 8 a 10 min 4 a 6 min escenario 10 min 10 min
Movilización en motocicleta 4 a 6 min No aplica 10 min 10 min
Movilización en automóvil 4 a 7 minutos No aplica 10 min 10 min
Tabla 3.
Tiempos de respuesta esperados de los operadores hacia el panel táctil del HMI
Evento / Escenario Encendido o apa-
gado de las bombas
de admisión
Encendido o apa-
gado de las bom-
bas de distribución
Detección de fa-
llas en la admi-
sión
Detección de las fa-
llas en la distribu-
ción
Movilización caminando 3 a 4 min 3 a 4 min 2 min 2 min
Movilización en motocicleta No aplica No aplica 2 min 2 min
Movilización en automóvil No aplica No aplica 2 min 2 min
dispositivos de campo, empleando cable UTP, se garan-
tiza el ujo eciente y seguro a lo largo de toda la red, lo
que proporciona una solución económica y fácil de insta-
lar, al igual que se reducen las interferencias electromag-
néticas que puedan afectar la señal [4].
En este entorno, el sistema permite a los operadores
supervisar y controlar los procesos en tiempo real me-
diante el HMI, mientras que el servidor recopila, procesa
y almacena los datos para su análisis y mejora continua,
el PLC desempeña un papel muy importante en la ejecu-
ción de lógica de control y la gestión de dispositivos de
campo, asegurando que los bombas y sensores funciones
de manera eciente y coordinada.
En el diseño para la planta de tratamiento de agua del
GADMEE, se han implementado los sensores LVC-152 y
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Sistemas SCADA, Aplicaciones en Plantas Potabilizadoras de Agua de la Costa Ecuatoriana, Caso Municipio del Cantón El Empalme
MAG3100, junto a las cuatro bombas de admisión y tres
bombas de distribución, las cuales están conectadas al
PLC TM221CE16R, para monitorear y controlar el esta-
do de la planta, los sensores MAG3100 son capacitivos,
empleados para los dos tanques de distribución que tie-
ne la planta.
Las bombas de admisión llevan el agua de la laguna de
captación a la etapa de ltración y oculación, mientras
que las bombas de distribución se encargan de entregar el
agua tratada a los consumidores nales. Los dos conjun-
tos de bombas se conectan a las salidas digitales del PLC,
el que es responsable de gestionar el funcionamiento de
la planta. La conexión de los sensores y bombas al PLC y
la conguración de los parámetros de entrada y salida en
el programa del PLC garantizando el funcionamiento e-
ciente y conable del sistema.
3.4. DISCUSIÓN
Durante la ejecución de la evaluación del estado operati-
vo de la planta, se llevaron a cabo inspecciones, en donde
se recopilaron los datos del proceso productivo, se logran
identicar varios problemas, los cuales se mencionan a
continuación:
·
Las protecciones generales de los tableros de admisión
y distribución no se encuentran en equilibrio, ya que
las bombas instaladas son inferiores a la cantidad de
bombas diseñadas para el sistema pues debido al daño
de estas han sido deshabilitadas.
·
El monitoreo de los tanques de almacenamiento se lo
realiza de forma manual por un operador.
Los operadores experimentan tiempos de respuesta pro-
longados al realizar operaciones en las bombas de admi-
sión y distribución como se aprecia en la Tabla 2. Esto se
debe a la distancia entre la bodega y la ocina de la planta
de potabilización de agua del GADMEE. En situaciones
normales, los tiempos de reacción para la admisión va-
rían entre 4 y 10 minutos. Sin embargo, al simular que la
pantalla táctil se encuentra en la ocina de la planta, es-
tos tiempos se reducen a un rango de 3 a 4 minutos desde
la bodega, como se muestra en la Tabla 3. Esta mejora
representa una disminución de 1 a 6 minutos en compa-
ración con las condiciones habituales, lo que representa
una mejora entre el 10% y el 60%. Además, las bombas
se desactivarán casi instantáneamente, reduciendo el
tiempo en que operan en condiciones desfavorables. La
automatización permite monitorear y controlar procesos
en tiempo real. Los operadores pueden supervisar las
bombas, válvulas y otros equipos desde una ubicación
central, reduciendo los tiempos de respuesta y mejoran-
do la eciencia [3], [5], [6], [7].
La automatización de la planta conlleva múltiples be-
necios. No solo mejora la eciencia operativa para el
personal de la planta, sino que también contribuye a la
calidad del producto nal, reduce los gastos y aumenta la
seguridad tanto para el personal operativo como para los
visitantes [6], [8].
Los PLC son una solución rentable y conable para
controlar sistemas complejos, lo que es crucial para la
operación continua y segura de una planta de potabili-
zación de agua. La exibilidad operativa del sistema es
otro aspecto importante que se destaca. La capacidad de
ajustar y controlar diversos parámetros operativos a tra-
vés de una interfaz gráca en la pantalla táctil permite
a los operadores responder rápidamente a las condicio-
nes cambiantes y optimizar el proceso de tratamiento de
agua. Esto no solo mejora la eciencia operativa, sino que
también asegura una mejor calidad del agua tratada [9].
Implementar un SCADA con estas características puede
mejorar signicativamente la eciencia y la calidad del
proceso de potabilización, permitiendo una supervisión
continua y precisa de los parámetros críticos del agua,
y facilitando la toma de decisiones informadas para el
mantenimiento y operación de la planta [10]. La imple-
mentación de este tipo de sistema en una planta de pota-
bilización de agua puede resultar en una distribución de
agua más eciente y en ahorros signicativos en la pér-
dida de agua. Las ventajas adicionales incluyen la reduc-
ción de la intervención humana, lo que minimiza errores
y aumenta la precisión del control del sistema. La capaci-
dad de monitoreo en tiempo real y la respuesta inmediata
a problemas potenciales aseguran un suministro continuo
y seguro de agua potable, lo cual es crucial para mante-
ner la calidad del agua y la satisfacción del consumidor
[11], [12]. La implementación de este SCADA inicia me-
joras en otras etapas del proceso productivo de la planta,
ofrece un punto de partida para otros estudios para esta
planta, tales como un análisis de eciencia energética y
estudios de conabilidad [13], [14].
El desarrollo del sistema SCADA también sirve de
antesala para la incorporación de nuevas tecnologías re-
lacionadas a la Industria 4.0, concepto moderno que re-
presenta una transformación digital de los sistemas de
producción mediante la integración de tecnologías avan-
zadas como la inteligencia articial, internet de las cosas
(IoT), big data, computación en la nube, manufactura adi-
tiva, robótica avanzada, realidad aumentada, entre otras
[15], [16]. Los sistemas de Supervisión, Control y Adqui-
sición de Datos (SCADA) son componentes esenciales en
esta evolución, especialmente en plantas potabilizadoras
de agua, donde la eciencia y la precisión son cruciales
para la gestión de recursos hídricos.
La recopilación y análisis de grandes volúmenes de
datos en tiempo real mejora signicativamente la capaci-
dad de monitoreo y control de los procesos de tratamiento
de agua, optimizando la eciencia operativa y reducien
-
do el consumo de energía y recursos. Los sistemas SCA-
DA, cuando se integran con tecnologías de internet de las
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Amaya Jaramillo et al.
Estas tecnologías avanzadas no solo aumentan la e-
ciencia operativa de las plantas potabilizadoras de
agua, sino que también contribuyen a la resiliencia y
la sostenibilidad de los recursos hídricos, aspectos cru-
ciales para el desarrollo sostenible de la Costa ecua-
toriana.
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tion Process of Water Treatment Plant (WTP) by Using
cosas (IoT), facilitan la comunicación entre dispositivos
y sistemas [17], [18], lo que permite una respuesta rápi-
da y precisa a las variaciones en los parámetros de trata-
miento del agua.
Otra ventaja clave es la posibilidad de implementar
mantenimiento predictivo. Al analizar datos históricos y
en tiempo real, los sistemas SCADA pueden proveer de
datos para predecir fallos potenciales y programar inter-
venciones de mantenimiento antes de que ocurran averías
costosas. Esto no solo minimiza el tiempo de inactividad,
sino que también prolonga la vida útil de los equipos. El
uso de algoritmos de aprendizaje automático en combina-
ción con SCADA puede anticipar problemas y mejorar la
abilidad del sistema [19], [20]. Pero, la interconectividad
de los sistemas aumenta el riesgo de ataques cibernéticos.
La integración de sistemas SCADA en infraestructuras
críticas como las plantas potabilizadoras de agua requiere
la implementación de medidas de seguridad robustas. Es
importante adoptar estándares de ciberseguridad y prác-
ticas de gestión de riesgos para proteger estos sistemas vi-
tales contra amenazas externas e internas [21], [22].
La Industria 4.0 también promueve prácticas soste-
nibles mediante el uso de tecnologías avanzadas. En las
plantas potabilizadoras de agua, los sistemas SCADA pue-
den ayudar a gestionar de manera eciente los recursos
hídricos, reducir el desperdicio y asegurar la calidad del
agua suministrada.
4. Conclusiones
Con la nalización del proyecto se obtuvieron las si-
guientes conclusiones:
· El diseño de un sistema SCADA para la Planta de Po-
tabilización de Agua del GADMEE ofrece diagramas
de ujo versátiles para ejecutar la programación de los
diferentes PLC disponibles en el mercado, ya que este
documento ofrece un punto de partida para efectuar
el control y monitoreo de la planta, ofreciendo mejo-
ras en los tiempos respuesta ante fallas en el sistema.
·
El realizar una simulación del modelo de automati-
zación diseñado a lo largo de esta investigación tiene
ventajas ya que por medio de las simulaciones se pue-
den detectar cuales pueden ser los posibles eventos que
ocurrirán en la planta, a su vez ofreciendo una solu-
ción para estos eventos.
·
Un análisis técnico y económico es de suma importan-
cia para realizar cualquier diseño o mejora dentro de
una planta industrial, de esta forma se evalúa cuál es
la mejor solución tratando de tener los menores costos
para la empresa sin interrumpir su crecimiento.
·La integración de sistemas SCADA en el marco de la
Industria 4.0 ofrece múltiples benecios, desde la op-
timización de procesos y el mantenimiento predicti-
vo hasta la mejora de la seguridad y la sostenibilidad.
90
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