Las técnicas de medición de caudal siguen creciendo y evolucionando con nuevos métodos, tales como caudalimetría ultrasónica multihaz, magnética y Coriolis, a expensas de tecnologías más tradicionales, tales como placas orificio, vertederos y otras técnicas basadas en presión diferencial.

El uso ampliado de estas nuevas tecnologías se debe en parte a la mayor capacidad de los microprocesadores y sensores, lo que permite incorporar mediciones imposibles de realizar sin las mejoras logradas en estas áreas. Otra razón para su adopción es que, en la mayoría de los casos, también ofrecen una mayor exactitud y rangeability que las tecnologías de presión diferencial.

Sin embargo, la mayoría de estas técnicas de medición de caudal tienden a requerir más energía que la caudalimetría de presión diferencial, de modo que no resultan adecuadas para su implementación como dispositivos wireless.

Un experto en estándares internacionales comentó recientemente que su empresa pudo encontrar sólo una batería adecuada para sus transmisores wireless que tenga 10 años de vida útil. Esto, por supuesto, con recarga periódica.

Otras baterías recargables tienden a tener ‘memoria’ y otros problemas que se traducen en una vida operativa cercana a los cinco años.

Un tema importante a la hora de usar wireless para medición de caudal es la dinámica del proceso en sí. La mayoría de los lazos de caudal, especialmente para líquidos (fluidos incompresibles), tienen tiempos de respuesta de proceso muy cortos, muchas veces en el orden de los segundos, a diferencia de los lazos de temperatura y nivel, que tienden a ser mucho más largos (posiblemente mensurables en minutos). Por lo tanto, si se usara un sensor wireless para control de caudal, haría falta como mínimo una tasa de actualización rápida para el transmisor, lo que lleva, por supuesto, a una vida corta de batería.

Dentro de este contexto, sería bueno desarrollar una máquina de movimiento perpetuo y recolectar cierta energía a partir de distintos caudalímetros para mantener o cargar las baterías. Por ejemplo, si la barra de desprendimiento de vórtices de un caudalímetro vortex, o la paleta o turbina en otros medidores de caudal, o si las pulsaciones en un medidor de desplazamiento positivo pudieran accionar alguna forma de bobina sin afectar la medición propiamente dicha, quizás quede eliminado el tema de la energía en estos medidores.

Una manera de abordar el problema del tiempo de respuesta es aumentar la capacidad del dispositivo de caudal, incorporando la posibilidad de funcionar como controlador de caudal de un solo lazo o autocontenido. En este caso, el lazo de control sólo requiere la transmisión de la salida al elemento de control final y HMI remota cuando sea necesario un tal cambio, que no es probable que se dé cada ciclo de sensado o actualización (suponiendo que el sistema de control puede aceptar algún grado de banda muerta en la señal).

Si la banda muerta no es aceptable, tener el transmisor actualizando el sistema de control con fines de historia y medición cada ciclo y la salida directamente al dispositivo ‘según necesidad’ es una situación mucho más compleja que operar con diferentes tasas de actualización de un dispositivo en función del tipo de datos.

Una alternativa a las actualizaciones en cada ciclo que puede tener aceptación es utilizar la opción de totalización según la tasa de actualización del sistema de control, lo que, sin embargo, corre el riesgo de perder granularidad de los datos en bruto.

Con todas estas características, el transmisor se acerca a la visión de Open Process Automation (OPA) en lo que hace a un nodo de control de dispositivos (DCN) y a un controlador de campo SCADA RTU monitoreado y controlado (es decir, cambiando el setpoint) remotamente desde la estación de control central.

Por lo general, un sistema SCADA incluye wireless pero, de nuevo, con ciclos de actualización más largos y necesidad de inteligencia en el campo.

Como ya lo aclaramos anteriormente, monitoreo versus control afecta directamente el diseño del sistema. La aparentemente simple elección de monitoreo versus control o transferencia de custodia incide no sólo en el tipo de sensor requerido, sino también en la manera en que ese dispositivo interactúa con el sistema de control y otros dispositivos dentro del sistema de control.

Aun cuando todo esto sea cierto para otras tecnologías más, no sólo medición de caudal, el efecto es más pronunciado en caso de lazos de control rápidos como el de caudal, independientemente de lo que se intente hacer para superar los principios básicos y la razón por la cual se instala el sistema.

 

Preparado por Ian Verhappen, gerente senior de proyectos de automatización en CIMA.

Los precios del petróleo, los altos costos de exploración y el cumplimiento estricto de regulaciones medioambientales obligan a la industria de petróleo y gas a adoptar una política más agresiva para implementar automatización a fin de optimizar procesos en pos de mayores ganancias en productividad, economía de costos y contención de emisiones.

En el pasado, los trabajadores recorrían el yacimiento de petróleo para monitorear manualmente métricas de operaciones, tales como niveles de tanques, caudal de petróleo y posición de válvulas. La automatización y la conectividad ofrecen buenas oportunidades para implementar soluciones más inteligentes en la gestión de yacimientos de petróleo y proceso. 

Cuando se piensa en introducir controles automatizados en la industria de petróleo y gas, los sistemas wireless de monitoreo y control tienen la capacidad de seguir, gestionar y conectar automáticamente activos diferentes y remotos para mejorar operaciones y reducir costos. 

Estos sistemas de control con sensores wireless permiten a los operadores estar informados acerca del estado en tiempo real de caudalímetros y bombas, presiones en cabezales de pozos, niveles en tanques y emisiones, además de facilitar una mejor utilización de los equipos y el cumplimiento de las regulaciones medioambientales vigentes.

Además de automatizar la recolección de datos, estos sistemas remotos de telemetría están configurados para interrumpir operaciones o alertar a operadores en el momento en que los parámetros llegan a umbrales programados. Los datos históricos pueden aportar tendencias para una mejor gestión de los activos, por ejemplo garantizar que los tanques de almacenamiento nunca se rebalsen o que las bombas operen en sus niveles óptimos.

Con un sistema wireless remoto de monitoreo y control, los operadores pueden seguir las condiciones en forma remota, resolver problemas, cambiar parámetros de monitoreo y detener operaciones específicas desde la comodidad de una computadora remota. 

Por ejemplo, en una exploración upstream, las compañías deben gestionar y disponer el agua producida desde los pozos. Un método de disposición es despachar camiones para vaciar los tanques de almacenamiento. Monito­reando los caudales de cada pozo y teniendo en cuenta las capacidades de los tanques de almacenamiento, un operador podrá anticipar cuándo programar la tarea de vaciado de los tanques.

 

Cableado versus wireless

Si bien la industria de petróleo y gas usa predominantemente sistemas cableados que conectan sensores a un sistema de recolección de datos, los sistemas wireless de monitoreo remoto probaron ser el método más económico y versátil en instalaciones existentes que se encuentran en las ubicaciones hostiles y de difícil alcance de los yacimientos de petróleo. 

El uso de telemetría wireless remota para el monitoreo de caudalímetros ofrece importantes ventajas respecto de sus contrapartes cableadas:

  • El electricista no necesita tender alimentación, cables o ductos, lo que simplifica la instalación y la configuración del medidor.
  • La ausencia de requerimientos de cableado reduce costos.
  • El operador puede fácilmente redestinar un medidor a un nuevo proceso sin preocuparse por cómo retornan las señales al sistema de control.
  • Ante protocolos de comunicación que cambian sin cesar, los operadores pueden actualizar cada dispositivo del sistema a HART, Modbus u otro protocolo intercambiando el gateway en lugar de cada dispositivo.

 

Sin cables

Una importante ventaja de usar un sistema wireless es que no requiere cables. Un sistema cableado requiere el tendido de cables para conectar distintos puntos finales. De acuerdo a la ubicación del sistema cableado, tender conductos en grandes áreas puede volver prohibitivo el costo de una red cableada. Además, si un sistema cableado de monitoreo requiere reparación o reconfiguración, se necesita un nuevo cableado para completar la tarea.

Los sistemas wireless remotos de monitoreo y control simulan la arquitectura de un sistema cableado usando enlaces en lugar de cableado para transmitir datos. Por ejemplo, en una aplicación de monitoreo de nivel de tanques, común en la industria de petróleo y gas, los radio nodos alimentan y reciben datos de los sensores de nivel ubicados en el tanque sin necesidad de cables o líneas de alimentación. Los nodos transmiten los datos a un gateway que los formatea en cuanto a accesibilidad por medio de un PLC en una sala de control o a través de una conexión de Internet.

Un sistema wireless tiene un costo competitivo con los sistemas cableados, que implican requerimientos costosos de instalación. Además, es posible configurar y testear sistemas wireless, junto con sus sensores, en entornos controlados, lo que reduce el trabajo in situ en 50 a 70%.

Opera en una gran variedad de terrenos y entornos

La mayoría de los yacimientos de petróleo y gas incluyen muchos kilómetros de terreno accidentado y entornos difíciles que complican el acceso de los operadores y muchas veces lo torna peligroso. Los sistemas wireless remotos de monitoreo y control correctamente especificados pueden operar en condiciones difíciles, territorios accidentados y también sobre rutas, vías de agua, edificios u otras estructuras que suelen limitar la conectividad cableada.

Las radios de un sistema wireless remoto de sensado soportan transmisiones robustas de datos en bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) sin licencia a través de distintos terrenos, estructuras y climas, y continúan operando durante años sin verse afectados por elementos climáticos. Un sistema wireless remoto de monitoreo y control para operación en áreas peligrosas también puede trabajar en entornos cáusticos o explosivos.

Puesto que los sensores y otros componentes no están conectados físicamente, los sistemas wireless pueden aguantar las descargas eléctricas que destruyen los sistemas cableados. Si un rayo llegara a golpear un sensor en un sistema cableado, los efectos se propagan a lo largo del cable, muchas veces destruyendo los equipos adosados. Las redes wireless aguantan mejor los rápidos cambios que se producen en los campos eléctricos en caso de descargas eléctricas. Mientras nada sobrevive a una descarga eléctrica directa, un sistema wireless en ese caso sólo pierde un activo y no toda la red.

 

Acepta multiples y variados sensores

A la hora de monitorear distintos parámetros en la misma red, un sistema cableado necesita que cada sensor esté cableado al controlador y conectado a un puerto de interface. Las redes cableadas de mayor tamaño podrían necesitar un panel considerable con distintos tipos de interfaces. 

Un sistema wireless ofrece una interface de comunicaciones digitales (4-20 mA, Modbus RS485, HART) que permite conectar múltiples sensores al controlador en un solo puerto sin el gasto de tener un conducto. Un módulo de interface Ethernet puede reunir información del gateway en una red Wi-Fi local para acceso local o en un modem que conecte la Internet y un proveedor de servicio de nube. 

Además, un sistema wireless versatil de monitoreo y control es agnóstico en cuanto al sensor, lo que le permite al usuario implementar una red completamente wireless usando los mejores sensores. Por ejemplo, algunas aplicaciones implican el monitoreo de diversos parámetros (presión, nivel, temperatura y caudal) de distintos activos. Otras requieren sensores específicos para abordar las condiciones particulares de cada aplicación.

La conectividad inalámbrica resuelve el problema de mezclar múltiples tipos de interface de sensor para que puedan coexistir dentro de la misma red y proveer nodos con distintas interfaces de sensor. Los operadores pueden agregar o sacar rápidamente sensores según necesidad para medir distintos parámetros. La red lleva los datos de diferentes sensores a un punto único con una sola interface de datos.

Puesto que los sensores representan una parte importante del uso de energía, los sistemas wireless permiten reducir los costos de energía al ponerlos en el modo de reposo desconectándolos o colocando todo el sistema wireless de telemetría en un estado de baja energía y ‘despertándolos’ según un programa o iniciados por un evento.

 

Soluciones wireless SignalFire.

 

Gran escalabilidad

En los yacimientos de petróleo, la distancia de las comunicaciones puede ser importante. Los gateways robustos de un sistema wireless remoto de monitoreo aceptan cientos de nodos transceptores, lo que permite que la red cubra una gran área geográfica y se puedan lograr comunicaciones a grandes distancias entre activos ampliamente desperdigados. 

Antes de elegir un sistema wireless remoto de monitoreo y control, hay que estar seguros de que se respetan todos los requerimientos operativos. Muchas soluciones inalámbricas comerciales no pueden operar en entornos peligrosos. Algunos fabricantes requieren sensores específicos. Si bien el costo es un factor, se trata tan sólo un ítem a la hora de elegir un sistema de control de sensores wireless capaz de abordar las necesidades de operación hoy y en el futuro.

 

Soluciones wireless SignalFire

A la hora de agregar mediciones en una planta existente o instrumentar un nuevo sitio remoto (playa de tanques, batería de producción, separador, puente de inyección, etc.), la instrumentación inalámbrica es indudablemente una alternativa a considerar.

Esta tecnología se ha vuelto muy atractiva gracias a importantes ventajas, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc. 

La solución SignalFire está basada en una arquitectura tipo malla o “mesh”, que se denomina SFRSS (SignalFire Remote Sensing System). La arquitectura incorpora un concentrador comunicado con nodos o sensores remotos.  Esta tecnología confiere robustez y confiabilidad al sistema, dado que la información de un nodo puede llegar al concentrador por varios caminos, a diferencia de las soluciones punto-multipunto donde la comunicación es por una sola vía.

Los nodos suelen alimentarse con baterías internas; para prolongar su duración, se mantienen en un modo de muy bajo consumo y, en un intervalo configurable, transmiten la información a la red.  Esto permite lograr una autonomía de varios años, disminuyendo los costos de mantenimiento del sistema. En caso de que se necesite una frecuencia de refresco de la información muy alta, es posible alimentar el dispositivo de campo con un panel solar, también apto para áreas clasificadas.  

SignalFire ofrece transmisores de campo inalámbricos para señales analógicas (4-20 mA y 1-5 V) y discretas, sensores de temperatura (termorresistencias y termocuplas), pulsos (caudalímetros), presión, nivel e interfase con sensor magnetoestrictivo, dispositivos HART o Modbus, etc.  

Toda la información de los dispositivos se concentra en un gateway, que ofrece comunicación Modbus RTU o TCP hacia el sistema de control de la planta, PLC, RTU o radio de largo alcance.

 

Esquema de la configuración de un sistema wireless remoto de monitoreo y control. Los nodos transmiten los datos recolectados de manera inalámbrica desde los sensores y los envían a un gateway que formatea la información en cuanto a accesibilidad por medio de un PLC en un centro de control o conexión de Internet a través de una laptop. Con gateways que aceptan hasta 10.000 nodos, una red wireless de control de sensores puede cubrir un área geográfica de cientos de kilómetros cuadrados.

 

Solución realmente económica

Muchos usuarios han intentado implementar una solución inalámbrica como WirelessHART o ISA100 pensando tan sólo en los ahorros que iban a conseguir en la instalación, pero llegando tristemente a la conclusión de que dichos ahorros no eran tales luego de considerar los altos costos de los dispositivos de campo (mayores a los de un transmisor convencional), del gateway y, en algunos casos, de las licencias de software necesarias.

Pero los ahorros se notan desde la implementación del sistema, ya que el precio de un dispositivo de campo inalámbrico es similar al de uno convencional con salida 4-20 mA + HART mientras el costo del gateway se justifica rápidamente con los ahorros logrados en mano de obra, cableado y todos sus accesorios (zanjeo, cañeros, bandejas, soportes, cajas de paso, borneras, selladores, terminaciones, etc.). 

El software SignalFire Toolkit, que permite la configuración de los dispositivos de campo y de los gateways, se entrega y actualiza en forma gratuita.

 

Integración con otros sistemas

Cada sistema está compuesto por un gateway con comunicación Modbus (RTU o TCP), y los dispositivos wireless asociados (hasta un máximo de 240 por cada gateway). 

Cada dispositivo de campo debe configurarse con una dirección particular, que terminará siendo el ID de Modbus del mismo.  

A su vez, el gateway también tendrá su propio ID a través del cual el sistema de la planta podrá acceder a información de la red inalámbrica.

Por lo tanto, para que el sistema de la planta pueda leer un valor, sólo tiene que interrogar al esclavo correspondiente (por ejemplo, al ID del sensor de presión instalado en la bomba) y preguntar por la variable de proceso.

 

Transmisión confiable, robusta y segura

Una red de tipo mesh garantiza la transmisión de datos entre dispositivos de campo activos y el gateway a través de un gran número de caminos posibles.  

De esta forma, ofrece un altísimo nivel de confiabilidad, ya que, con cada nuevo dispositivo instalado, se crea un camino para la transmisión de la información, aumentando así la robustez de la red.

Otro mecanismo destinado a garantizar la seguridad de la solución es la posibilidad de encriptación de los datos transmitidos. Al respecto, SignalFire permite la configuración de una clave para encriptar los datos, garantizando que la informacion no pueda ser interceptada o modificada.

La información que los dispositivos de campo reportan al gateway incluye parámetros de diagnóstico, por ejemplo el nivel de la batería, la calidad de la señal inalámbrica y otros valores que pueden usarse para detectar fácilmente problemas de comunicación o programar un mantenimiento preventivo.

 

Preparado con el asesoramiento del Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería de Aplicaciones, Esco Argentina S.A.

Sistema de monitoreo de condiciones basado en PLC de Siemens

El módulo de expansión del controlador SIMATIC S7-1200 está diseñado para aplicaciones de monitoreo de condiciones, lo que le permite al usuario implementar un sistema eficiente combinando hasta siete módulos SM 1281, en cuyo caso cada módulo puede conectar hasta cuatro sensores de vibraciones y un sensor de velocidad. 

Esta solución robusta facilita el monitoreo continuo de componentes mecánicos, tales como motores, gene­­ra­dores, bombas y ventiladores, para proteger una máquina de manera eficiente ante daños mecánicos durante el funcionamiento, y detectar estos daños en una fase temprana, conformando así un sistema de vigilancia permanente de las máquinas. 

Mediante un estudio de las vibraciones, este equipo puede predecir tempranamente problemas, tales como desequilibrio, alineación inadecuada, daños en los rodamientos, fallas en la transmisión, fuerzas
magnéticas cambiantes, problemas hidráu­licos y de otro tipo relacionados con la funcionalidad. 

Este módulo también está disponible en la versión SIPLUS, que viene de fábrica preparado para condiciones ambientales extremas. 

Más información en:
www.siemens.com/siplus-cms o por email Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Los detectores portátiles de gas de Personal Gas Safety monitorean la presencia de gas, radiación  y polvo, y están fuertemente integrados con el sistema de control distribuido Experion Process Knowledge System (PKS) de Honeywell. En caso de exposiciones peligrosas, alarmas automatizadas de hombre caído o pánico de trabajadores en el campo alertan a los operadores de la sala de control en tiempo real. Además, los equipos de seguridad podrán aprovechar las poderosas herramientas embebidas en Experion PKS para proveer tendencias detalladas, reportes y análisis de datos de los detectores de gas para garantizar operaciones seguras. “Monitorear la seguridad del trabajador y garantizar la respuesta adecuada a emergencias son prioridades clave en una planta industrial,” señaló Adrian Fielding, director de Honeywell Process Solutions. “Personal Gas Safety actúa como ojos y oídos de los operadores en el campo a fin de mejorar la vigilancia situacional, evitando condiciones pasibles de ser una amenaza para la vida mientras garantiza a los trabajadores recibir rápidamente la ayuda que necesitan.” Personal Gas Safety ofrece reportes de alarmas críticas, estado de sensores y calibración, identificación del trabajador y datos de localización a partir de detectores de gas portátiles. Los detectores están equipados con un botón de pánico para emergencias y también como sensor para alertas automáticas de hombre caído. Las alarmas críticas provenientes de los detectores aparecen en los monitores de la sala de control, mostrando la ubicación y el estado de exposición del personal a fin de habilitar una respuesta coordinada más rápída y mejor por parte de los operadores. “Por ser una solución de seguridad integrada en Experion PKS, los operadores de planta pueden analizar los datos para adoptar pasos proactivos destinados a mejorar la seguridad,” aclaró Tony Downes, de HPS. “Pueden identificar y detener fugas de trazas de gas, monitores de gas no compatibles o de mal funcionamiento para su remoción del campo y generar en menos tiempo reportes de seguridad, además de reducir costos de mantenimiento.” Personal Gas Safety puede ser adaptado a entornos y riesgos de trabajo específicos mediante alertas personalizadas y notificaciones por email o mensaje de texto. La solución permite a los usuarios identificar áreas peligrosas y fugas de gas aisladas, ampliar el análisis y predicciones de higiene industrial y mejorar la evaluación post-incidente.   Personal Gas Safety es parte de Honeywell Connected Plant, que convierte datos en conocimiento que mejora la operación de plantas y negocio, además de conectar proceso, activos, gente y empresa a fin de maximizar el desempeño.

Los detectores portátiles de gas de Personal Gas Safety monitorean la presencia de gas, radiación  y polvo, y están fuertemente integrados con el sistema de control distribuido Experion Process Knowledge System (PKS) de Honeywell. En caso de exposiciones peligrosas, alarmas automatizadas de hombre caído o pánico de trabajadores en el campo alertan a los operadores de la sala de control en tiempo real. Además, los equipos de seguridad podrán aprovechar las poderosas herramientas embebidas en Experion PKS para proveer tendencias detalladas, reportes y análisis de datos de los detectores de gas para garantizar operaciones seguras.

Monitorear la seguridad del trabajador y garantizar la respuesta adecuada a emergencias son prioridades clave en una planta industrial,” señaló Adrian Fielding, director de Honeywell Process Solutions. “Personal Gas Safety actúa como ojos y oídos de los operadores en el campo a fin de mejorar la vigilancia situacional, evitando condiciones pasibles de ser una amenaza para la vida mientras garantiza a los trabajadores recibir rápidamente la ayuda que necesitan.”

Personal Gas Safety ofrece reportes de alarmas críticas, estado de sensores y calibración, identificación del trabajador y datos de localización a partir de detectores de gas portátiles. Los detectores están equipados con un botón de pánico para emergencias y también como sensor para alertas automáticas de hombre caído. Las alarmas críticas provenientes de los detectores aparecen en los monitores de la sala de control, mostrando la ubicación y el estado de exposición del personal a fin de habilitar una respuesta coordinada más rápída y mejor por parte de los operadores.

Por ser una solución de seguridad integrada en Experion PKS, los operadores de planta pueden analizar los datos para adoptar pasos proactivos destinados a mejorar la seguridad,” aclaró Tony Downes, de HPS. “Pueden identificar y detener fugas de trazas de gas, monitores de gas no compatibles o de mal funcionamiento para su remoción del campo y generar en menos tiempo reportes de seguridad, además de reducir costos de mantenimiento.”

Personal Gas Safety puede ser adaptado a entornos y riesgos de trabajo específicos mediante alertas personalizadas y notificaciones por email o mensaje de texto. La solución permite a los usuarios identificar áreas peligrosas y fugas de gas aisladas, ampliar el análisis y predicciones de higiene industrial y mejorar la evaluación post-incidente.  

Personal Gas Safety es parte de Honeywell Connected Plant, que convierte datos en conocimiento que mejora la operación de plantas y negocio, además de conectar proceso, activos, gente y empresa a fin de maximizar el desempeño.

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