El monitoreo remoto wireless resuelve desafíos en la automatización de petróleo y gas

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.

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