Por qué wireless?

Por qué wireless?

 

Las cañerías y la necesidad de medir su caudal (y otros parámetros) plantean importantes desafíos. Es tal la variedad de cañerías instaladas en las más diversas ubicaciones y condiciones ambientales como métodos para medir el caudal que las atraviesa. Aun así, el objetivo final es siempre el mismo: lograr de manera confiable que los datos de medición de caudal estén en una ubicación central para garantizar que se despacha la cantidad correcta de producto en el lugar que corresponde y en el momento exacto. Por lo tanto, ¿cuál es el problema?

Hoy en día, el negocio, la seguridad y las condiciones ambientales requieren que la medición de caudal en una cañería, además de ser confiable y exacta, también debe ser flexible, escalable, de costo económico y disponible para todos los niveles y lugares en la empresa. Sin importar si la cañería transporta líquido, gas o vapor, los datos de medición del caudal en la cañería pasan a ser parte de la analítica del negocio que podría incluirse en la iniciativa IIoT global de la empresa.

Las cañerías suelen emplear varias técnicas de medición que aportan los datos de caudal necesarios para tomar decisiones de negocio informadas. Con este fin, se agregan nuevos puntos de medición por varias razones. Pero, ¿cómo se pueden agregar estos nuevos datos a la base de datos de monitoreo de la medición de caudal de manera rápida y eficaz?

A continuación se examinan las ventajas que se consiguen utilizando tecnología de redes wireless para gestionar mejor el monitoreo de las cañerías.

Puesto que hay mucha información escrita y disponible acerca de los aspectos técnicos de la tecnología wireless, el foco estará en los beneficios prácticos y operacionales que ofrecen las redes wireless.

 

Nunca demasiado cables

El método tradicional de recolección de datos de medición de caudal utiliza un par de cables que recorren la distancia entre el caudalímetro y una ubicación central o un sistema SCADA. La mayoría de las instalaciones no pueden proveer datos más allá del sistema de monitoreo, ya que los datos son básicamente analógicos y no se prestan para la comunicación digital que requiere IIoT o el acceso a la nube. Además, los cables son finitos, no son expandibles y tampoco ofrecen una infraestructura flexible y expandible.

Muchas veces se necesita reunir datos de medición de caudal e información de diagnóstico desde el caudalímetro para mantener la eficiencia de proceso, garantizar una calidad de producto uniforme, prevenir fallas de los equipos y evitar paradas imprevistas. Puesto que muchos caudalímetros son inteligentes, pueden aportar información valiosa al sistema, reduciendo las idas innecesarias al campo sólo para encontrar y reportar ‘sin problemas’.

Hay varios costos asociados con la instalación de un nuevo cable. Están el costo obvio del cable y el costo de la labor para instalarlo. También hay un costo de ingeniería para definir cajas de conexiones, bandejas de canales/cables y, lo más crítico, el tiempo adicional no productivo antes de haberse agregado la medición al sistema de monitoreo. En muchos casos, esta labor e ingeniería adicional significan semanas o incluso meses de demora antes de que los nuevos datos lleguen a la sala de control.

 

Ventajas de la tecnología wireless

La comunicación wireless ya probada en campo está por todas partes. Con varias tecnologías y/o estándares para elegir, las tecnologías wireless se encuentran instaladas prácticamente en todo el mundo en una gran variedad de industrias y miles de aplicaciones, que por supuesto incluye cañerías.

La selección de una determinada tecnología depende de la preferencia del usuario, del proveedor de automatización o de la tecnología de sensores existente. Hay mucha literatura que subraya el valor y los ahorros derivados de la tecnología wireless versus tender más cables, incluyendo herramientas de estimación y cálculo online.

La conclusión es que las empresas no pueden darse el lujo de ignorar la realidad: el monitoreo wireless es una alternativa más que rentable.

Los beneficios que aporta una estrategia de monitoreo wireless tienen que ver con tres aspectos: infraestructura, operaciones y prestación.

 

Infraestructura

  • Cableado nulo o mínimo – Quedan eliminados zanjas, ductos, cajas de conexiones, planos de cableado, etc.
  • Flexibilidad de entorno – No depende de la forma y tipo de terreno, tipo de sensores de medición, uso seguro para aplicaciones urbanas o rurales y otras variables.
  • Integración – La tecnología wireless trabaja junto y se integra con los sistemas existentes de monitoreo del usuario, como así también con los dispositivos existentes de medición, sin afectar el cableado existente y muchas veces frágil.
  • Acceso a áreas remotas – Areas de difícil acceso, tales como grandes distancias, a través del agua, parques de tanques remotos, terreno montañoso, vías de ferrocarril, equipos rotantes, monitoreo de duchas de seguridad, fugas en trampas de vapor, monitoreo del aire ambiental, etc.
  • Infraestructura expandible – Una infraestructura wireless permite agregar dispositivos adicionales según necesidad con el costo sólo del nuevo dispositivo, a diferencia de instalar un nuevo cable que corresponde a un solo dispositivo más, lo que hace que la tecnología wireless sea claramente a prueba del futuro.
  • Habilitado para IIoT – Usar la información wireless de medición y diagnóstico de dispositivos es ahora digital y puede ser integrada en una interface IIoT o de nube para un análisis rápido y accesible en toda la empresa.

 

Operaciones

  • Costo reducido – Una considerable reducción de costos de instalación, ingeniería y reconversión. 
  • Puesta en marcha más rápida – Menos tiempo de ingeniería e instalación del hardware de soporte requerido (cajas de empalme, bandejas de cables, etc.), lo que permite que la operación retorne rápidamente a producción en lugar de paradas prolongadas.
  • Múltiples opciones de alimentación – Incluyen alimentación con batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar u otras opciones de recolección de energía.
  • Fácil ajuste – Incorpora funciones automáticas, tales como salto de canal, red de autoconfiguración, auto-recuperación, listas negras, ciberseguridad, intervalos seleccionables de transmisión de dispositivos, etc.
  • Seguridad – El monitoreo wireless puede reducir las rondas de operador y las idas innecesarias a ubicaciones remotas y muchas veces peligrosas, lo que en definitiva contribuye a la seguridad de los empleados.
  • Gestión de activos – La conectividad wireless permite al personal de mantenimiento tunelar dentro de un instrumento inteligente para comunicar información de configuración, calibración o diagnóstico proveniente de dispositivos de medición inteligentes.

 

Prestación

  • Transmisión confiable de datos – Al emplear tecnología estándar de redes, la confiabilidad de la transmisión de datos puede superar 99%.
  • Ciberseguridad – Utiliza encriptación estándar AES de 128 bits, la misma que en las redes de transferencias bancarias.
  • Independencia del sensor – La mayoría de los dispositivos no wireless existentes pueden ser convertidos a wireless usando sus salidas 1 – 5 V, 4 – 20 mA, Modbus y otras.
  • Redes y distancia flexibles – La mayoría de las redes wireless pueden soportar de 100 a 240 dispositivos. La red común de 2.4 GHz con antena estándar cubre aproximadamente 225 m. En cambio, la red de 900 MHz ofrece un alcance de 0,800 - 5 km, que depende de posibles obstrucciones (línea de visión) y ubicación de la antena. Esta distancia puede ser extendida con antenas de larga distancia o maximizando la capacidad de múltiples saltos, ya que un dispositivo también puede ser un repetidor que extiende el alcance de la red.

 

Bandas de comunicación wireless

Sin entrar en demasiados detalles técnicos, a continuación va un resumen de las principales bandas de comunicación wireless.

 

900 MHz

La banda de 900 MHz es muy robusta y tiene una baja atenuación, por lo que puede recorrer grandes distancias. Esta red también puede comunicarse a través de obstáculos como paredes y hormigón (si bien lo mejor es con línea de visión). Una desventaja es su velocidad, ya que la banda no es tan ancha (902 – 928 MHz, o sea 26 MHz), limitando la cantidad de información que puede ser enviada en un determinado momento. A menos que sea necesario transmitir una gran cantidad de datos, por ejemplo voz o video, 900 MHz ha probado ser más que suficientemente rápida para la comunicación confiable de mediciones e incluso algunas aplicaciones de control.

 

2.4 GHz

La banda de 2.4 GHz es popular ya que permite mayores tasas de transmisión de datos que la banda de 900 MHz, al tener un mayor ancho de banda (2.400 – 2.483 MHz, o sea 83 MHz). Los componentes suelen ser más baratos que en las otras dos bandas gracias a su popularidad. Al haber tantos dispositivos que usan la banda de 2.4 GHz, tales como otras redes wireless y microondas, es muy congestionada, lo que significa que algunas veces puede resultar difícil tener una red wireless que se comunique de manera confiable a causa de la fuerte interferencia.

 

5 GHz

La red de 5 GHz no tiene un uso tan frecuente, lo que puede ser bueno ya que hay poca o nada de congestión dentro de esta banda. En consecuencia, es fácil tener una red de 5 GHz con poca o ninguna interferencia. Esta banda, igual que la banda de 2.4 GHz, permite mayores velocidades gracias a un gran ancho de banda y también puede transferir grandes cantidades de datos.

La desventaja es que sufre una fuerte atenuación, que no permite que la red llegue tan lejos como en las otras dos bandas. Este inconveniente puede ser compensado utilizando antenas de alta ganancia.

 

Por qué wireless?
Figura 1. Los dispositivos cableados y wireless se comunican con el gateway que envía información a la nube para monitoreo y análisis.

 

Comunicación directa versus mesh

La comunicación wireless puede usar redes de comunicación directa o mesh. La red de 900 MHz ofrece distancias mucho mayores y una buena penetración, facilitando la comunicación directa desde el dispositivo de medición al gateway receptor. Hay distintas técnicas para extender el alcance de comunicación en ciertas aplicaciones de monitoreo de cañerías.

La instalación y el ajuste se simplifican utilizando una red mesh de autoconfiguración automática, que permite a los dispositivos wireless utilizar dispositivos vecinos para retransmitir o repetir la transmisión hasta llegar al gateway.

El gateway puede estar ubicado en el centro, en un extremo o dondequiera en el área cubierta por la red. El nodo extremo determina automáticamente el mejor camino primario de comunicación o el más fuerte para que la transmisión pueda llevar la señal de manera confiable al gateway.

También quedan determinados los caminos alternos o secundarios, que son actualizados continuamente en caso de una obstrucción o interferencia repentina (figura 1).

En el monitoreo externo de activos, tales como cañerías o pozos de petróleo, que se extienden normalmente sobre varios kilómetros cuadrados, es poco probable que todos los dispositivos wireless puedan alcanzar el gateway asignado.

Pero hay maneras de resolver estos problemas de ubicación o aplicación. Por ejemplo, si los dispositivos se encuentran en una ubicación peligrosa, es posible alimentarlos con baterías y lograr la clasificación de seguridad intrínseca, limitando la distancia de comunicación.

El problema también puede ser resuelto colocando dispositivos de alta potencia y largo alcance (por ejemplo, para una parada remota) en ciertos lugares en la red. Estos dispositivos tienen radios de alta potencia cuando no están en el área peligrosa. Los dispositivos de baja potencia que están en el área peligrosa podrán conectarse al gateway, automáticamente sin configuración, a través de dispositivos de largo alcance en la red mesh. Esta configuración de red es muy robusta y es fácil de implementar.

En definitiva, hay varias opciones de red a considerar, cada una con sus ventajas y desventajas. Una vez tomada la decisión de ir a wireless, el tema se reduce a unos pocos ítems: aplicación, distancia de medición, velocidad requerida, cantidad de datos y soporte del proveedor.

 

Mitos

La tecnología wireless ya tiene muchos proveedores en sus más de 25 años de vida. Pero con el tiempo, también se han propagado muchos mitos acerca de esta tecnología. A continuación se describen algunos y cuáles son los hechos reales a tener en cuenta:

  • La tecnología wireless es costosa – No tiene que ser costosa. Las soluciones de hoy en día cubren una amplia gama de opciones que van desde muy costosas hasta muy accesibles, con lo que los usuarios podrán seleccionar la mejor solución para sus necesidades específicas.
  • Si selecciona una cierta solución, el usuario está atado a los productos de un solo proveedor – Muchas soluciones wireless ofrecen opciones que permiten el uso de productos cableados existentes que son independientes del proveedor, tales como 4 – 20 mA, Modbus y otros, para comunicar sus mediciones en una red wireless, lo que tiene un costo económico y les brinda a los usuarios la libertad de elegir el mejor producto para su aplicación.
  • Todos los productos deben usar baterías – ¡No es cierto! Los dispositivos wireless tienen muchas opciones de alimentación, tales como batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar y otras soluciones de recolección de energía.
  • Las baterías no duran mucho tiempo – Depende de la aplicación y de la tasa de actualización. La mayoría de los dispositivos wireless pueden ser configurados para comunicarse cada segundo o cada hora, extendiendo así la vida de la batería de 1-2 años a 5 -10 años.
  • Wireless no es seguro – El uso de encriptación AES de 128 bits estándar hace que la información comunicada sea segura y cibersegura. Es el mismo estándar de encriptación que se usa en bancos para la transferencia wireless de dinero y transacciones.
  • Las redes wireless son difíciles de configurar – La mayoría de las redes wireless son autoconfigurables y auto-regenerables. Se procede simplemente a configurar e instalar un dispositivo de medición como normal, se selecciona el tiempo de actualización, se aplica alimentación y el nodo encuentra el gateway directamente o a través de un dispositivo vecino.

 

Por qué wireless?
Figura 2. El monitoreo de cañerías cubre grandes distancias, múltiples mediciones y entornos exigentes.

 

Soluciones de telemetría wireless

SignalFire Remote Sensing System es una red wireless robusta de gran alcance diseñada para monitoreo y control remoto en entornos exigentes al aire libre. El sistema trabaja con medidores de nivel, presión, temperatura y caudal, además de ofrecer control de activos críticos, tales como válvulas, transmisores de presión y temperatura, bombas, ventiladores, calentadores y otros dispositivos.

El sistema SignalFire puede aportar tanto comunicaciones como alimentación  a sensores existentes, lo que hace que la aplicación sea realmente wireless. Hay una gran variedad de sensores compatibles, tales como 4 – 20 mA, 1 – 5 V, Modbus, HART, Digital IO, y otras interfaces analógicas y digitales.

 

Conclusión

A la hora de enfrentarse con la necesidad de datos de medición adicionales por distintas razones, tales como nuevas regulaciones, una mejor seguridad, una mayor confiabilidad, una transformación digital o una mejor prestación, en lugar de tratar de justificar la instalación de más cable, piense en los beneficios de negocio que puede aportar una red de monitoreo wireless.

 

Preparado en base a una presentación de Sandro Espósito, de SignalFire. En la Argentina: Esco Argentina S.A.

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