Implementar redes industriales para IIoT y digitalización

Dos de los términos que van creciendo en popularidad en los últimos años son ‘nativo digital’ e ‘inmigrante digital’. Los nativos son aquellos individuos lo suficientemente jóvenes como para conocer las computadoras y la Internet desde su infancia. Para ellos, tales tecnologías siempre han existido. Los inmigrantes, ya sea por edad o circunstancia, entraron en contacto con estas tecnologías mucho más tarde en su vida. Con suerte, para ellos, tales tecnologías son un agregado bienvenido a su trabajo y su vida, pero todavía pueden recordar los momentos en que la mayoría de las actividades eran más manuales, locales y aisladas.

Al respecto, para quienes trabajan en las industrias de procesamiento, ha habido una división práctica diferente con la informática, y esto es más complicado.

Por ejemplo, la mayoría de quienes trabajan en refinerías tienen experiencia con sistemas de control distribuido (DCSs), o sea con los sistemas de automatización que operan en sus plantas y unidades de proceso. Los que están cerca de la edad de jubilación probablemente puedan recordar los comienzos de los años ’80 cuando estos sistemas eran todavía nuevos, pero nadie dudaba de que la tecnología basada en computadoras era la mejor manera de operar estas instalaciones.

Simultáneamente, también a comienzos de los años ’80, el concepto de informática (IT) se filtraba en nuestras mentes a medida que los sistemas computarizados se trasladaban a oficinas con la introducción de la computadora personal (PC). Con el tiempo, las PCs fueron reemplazando mainframes y minicomputadoras, mientras las unidades de escritorio se hacían presentes en lugares totalmente nuevos.

El mundo de la planta y el mundo de la oficina fueron creciendo en distintas direcciones: hardware y software especializados y propietarios en plantas versus hardware y software cada vez más estandarizados en oficinas y redes corporativas. La primera dirección llevó a lo que se conoce como tecnología de operaciones (OT), con sus distintas prácticas y requerimientos, para diferenciarla de IT.

OT e IT siguieron su camino en paralelo y separados hasta que surgieron dos cambios importantes. Primero, los constructores de DCSs descubrieron que las plataformas IT habían avanzado lo suficiente en potencia, confiabilidad y versatilidad como para soportar muchas de las necesidades de un DCS. También se dieron cuenta de que ya no era necesario elaborar y fabricar tanto hardware y software propietario, especialmente en las plataformas de HMI.

El otro cambio tuvo que ver con la gerencia de una refinería, que comenzó a reunir datos de plantas y unidades de proceso individuales. Los departamentos de IT se conectaban con los sistemas OT para extraer datos, y OT dejaba de estar aislado.

¿Dónde estamos ahora? Ambos mundos se han poblado con sus respectivos nativos digitales, pero es un concepto diferente acerca de lo que significa ‘digital’, con distintos lenguajes y culturas. Las tendencias que comenzaron hace décadas siguen, por lo que la separación dejó de estar si se tiene en cuenta que IT ingresa cada vez más en el mundo OT, reemplazando viejas plataformas propietarias. OT ya no tiene otra opción práctica que aceptar el cambio y aprender el nuevo lenguaje.

Las diferencias culturales no son tan fáciles de resolver, pero se pueden suavizar a medida que la gente de IT vaya aprendiendo qué es OT, particularmente las necesidades especiales de un proceso de manufactura. Los programas de digitalización requieren una amplia combinación de IT y OT, y muchas veces ya no se puede definir la línea divisoria.

Las redes Ethernet cableadas y wireless son parte integral de la infraestructura de una planta y se están volviendo cada vez más generalizadas. Sin embargo, OT todavía está viva y bien presente en los niveles más bajos de las redes de planta. Los dispositivos de campo individuales, tales como instrumentación y actuadores de válvula, siguen comunicándose utilizando protocolos diseñados específicamente en lugar de Ethernet. La mayoría de los dispositivos de campo están cableados, aunque son cada vez más los que se comunican a través de un protocolo wireless industrial, por ejemplo WirelessHART. Los proyectos de digitalización deben cerrar esta persistente brecha de conectividad de hardware y software, en un momento en que los mecanismos para hacerlo están mejorando día a día, con Ethernet wireless (por ejemplo, WiFi) como herramienta clave.

 

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Figura 1. Hardware robustecido en entornos de planta, con algunas unidades certificadas para ubicaciones peligrosas.

 

Una tarea típica de planta, antes y ahora

Años atrás, los técnicos enviados para reemplazar actuadores de válvula en las unidades de operación de una refinería tenían varias tareas a cumplir: encontrar la válvula específica, verificar su número de tag y contactarse con los operadores de la sala de control mientras realizaban el trabajo mecánico y las conexiones eléctricas. El técnico pedía a los operadores que confirmen que los datos del nuevo actuador aparecían correctamente en las pantallas y luego enviar comandos a la válvula a través del sistema de control para verificar su desempeño correcto desde esa dirección.

En condiciones ideales, esta práctica solía dar buenos resultados. Siempre que los operadores no estuvieran ocupados con alguna otra cosa, por ejemplo una perturbación o un cambio en la calidad de producto, podían brindarle suficiente atención a un técnico bien capacitado trabajando con una lista de chequeo de funciones.

Pero son muchas cosas que pueden salir mal con tales interacciones, o simplemente consumen demasiado tiempo. El progreso es más lento si la sala de control introduce múltiples distracciones o si el técnico encuentra un problema y debe pedir ayuda con un ajuste de configuración o una terminación de cableado poco clara.

Pensemos ahora en la misma tarea, pero esta vez utilizando la tecnología digital más sofisticada disponible hoy en día. Nuestro técnico cuenta con una tableta robustecida (figura 1) que se comunica a través de la red WiFi de la planta. La orden de trabajo aparece en la pantalla, incluido el número de tag del actuador de válvula correspondiente, junto con información detallada del producto. Leyendo un código de barras en el actuador, puede verificar que es la unidad correcta y enviar un mensaje de regreso a la sala de control advirtiendo a los operadores que el dispositivo está cambiando al modo manual, aun cuando la válvula permanezca en su posición actual. Todas las instrucciones y parámetros necesarios para instalar y configurar el actuador se encuentran accesibles en la tableta.

La comunicación desde la tableta con el actuador se realiza a través de la red, trátese de un actuador cableado o que utiliza WirelessHART. Todos los puntos de configuración pueden ser transferidos a través de la red en lugar de ser ingresados manualmente por el técnico.

Todos los tests de verificación, desde el campo o la sala de control, se pueden realizar desde la tableta, que puede asumir cualquiera de las funciones. Esto evita involucrar a la sala de control, aun cuando los operadores pueden ver lo que está pasando, si es necesario, e incluso verificar la ubicación del técnico desde la sala de control, gracias a las tecnologías de reconocimiento de localización.

Una vez completadas la instalación y las pruebas, el técnico concluye la tarea en la tableta para completar automáticamente la orden de trabajo. Luego, procede a restaurar la vista del actuador en la sala de control, haciendo saber que se encuentra de vuelta online y en el modo automático. El reemplazo del actuador queda finalizado y los operadores apenas se pudieron dar cuenta de la situación, ya que poco tuvieron que ver con el procedimiento, más allá de monitorear la actividad del técnico a un alto nivel.

 

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Figura 2. Encontrar información crítica permite ahorrar mucho tiempo durante las tareas de comisionamiento, resolución de problemas y otras actividades.

 

Las rondas

El técnico también podría estar a cargo de realizar rondas de planta en una o más unidades. En el pasado, esto significaba llevar un portapapeles y verificar la lectura de un manómetro y/o nivel de aceite, anotando luego la información en una hoja y enviándola a la sala de control u oficina de mantenimiento.

Es probable que esas funciones sean realizadas ahora por instrumentos, aunque a muchos gerentes de planta todavía les gusta tener personal que camine por la instalación, usando ojos, oídos e incluso narices para notar cosas que quizás a la instrumentación le resulte imposible detectar. Hay veces que las rondas manuales se deban realizar con mal tiempo o en áreas potencialmente peligrosas de la planta, pero es allí donde los proyectos de digitalización pueden ayudar a mejorar estas tareas de baja tecnología.

El tradicional portapapeles es reemplazado ahora por una tableta robustecida, completa con las instrucciones a tener en cuenta (figura 2). El técnico puede comunicarse de vuelta con la sala de control desde cualquier lugar a través de la tableta y puede tomar fotos o un video de algún componente de los equipos para que los operadores o cualquier otra persona de la empresa puedan visualizarlo a través de la red corporativa. Esto es sencillo ya que, con la autorización correcta, es posible acceder a la información a través de la intranet de la empresa y posiblemente a través de la Internet.

Si el técnico necesita información técnica acerca de un componente de los equipos, es sencillo buscarla en la base de datos de la planta o en la documentación original del fabricante en la web. Si es necesario solicitar ayuda al fabricante, es muy sencillo enviar fotos o un video del problema para su evaluación. La situación quizás no requiera que el fabricante envíe algún técnico de servicio, ahorrando tiempo y costo.

Por su parte, la seguridad siempre ha sido y es un tema importante cuando hay personal que se desplaza por una planta, en especial cuando las rondas requieren ir a áreas particularmente peligrosas. Las redes de planta están preparadas para llamadas de emergencia de ‘trabajador caído’, pero también pueden incorporar funciones de reconocimiento de localización, triangulando una fuente de radio a una posición muy exacta en tres dimensiones.

 

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Una mejor cobertura

Los escenarios mencionados no son nada nuevo, pero no todas las refinerías los implementan.

Se ha hablado durante años acerca de trabajadores móviles, localización de personal y otras capacidades por el estilo. En la actualidad, la diferencia está en una mejor cobertura de red y ancho de banda.

Piense en alguien con un teléfono inteligente 10 años atrás. Ese primer teléfono inteligente estaba habilitado para la web, pero tratar de llegar a un sitio web o descargar un documento en un aeropuerto o en la calle era algo muy aleatorio.

Muchos usuarios simplemente se daban por vencidos más veces que no. ¿Por qué? Querían mucha más prestación de lo que tenían. La cobertura de la red en la mayoría de las áreas era demasiado angosta y el ancho de banda demasiado reducido para cumplir con las expectativas.

Muchas redes WiFi en una planta tenían, y quizás todavía tengan, el mismo problema. Teóricamente, había cobertura, pero mover cualquier cantidad de datos era una propuesta dudosa. Asimismo, muchas empresas que implementan redes también subestimaron el uso que tendrían que cubrir y no incluyeron suficiente infraestructura para tener una cobertura completa o suficiente ancho de banda. Pero en los últimos años, el hardware tanto de redes públicas como de redes privadas ha avanzado enormemente en cuanto a cobertura y capacidad de manejo de ancho de banda.

Veamos las redes de planta. En la actualidad, un router WiFi industrial puede soportar más protocolos y más dispositivos, además de operar en condiciones más exigentes que un router de hace solo unos pocos años (Tabla 1) y con un mayor número de diseños modulares más fáciles de implementar (figura 3). Dichos routers soportan redes WiFi de gran ancho de banda y pueden operar junto con dispositivos de campo WirelessHART usando WiFi como red de retorno.

Un router wireless también puede servir como gateway para dispositivos WirelessHART e ISA100 Wireless, si están instalados. Los instrumentos y actuadores wireless todavía se pueden comunicar utilizando sus protocolos dedicados, pero la comunicación con los sistemas host, tales como un DCS o un sistema de gestión de activos, puede realizarse por cable o vía WiFi – en ambos casos, usando normalmente un protocolo Ethernet.

Esta combinación de WiFi y WirelessHART permite implementar conceptos de IIoT, por lo que IT y OT se pueden integrar como nunca antes. Estas redes abarcan dispositivos de campo wireless, sensores inteligentes, soluciones de gestión de activos y analítica, todos preparados para lograr la transformación digital.

Para que esto sea realidad en toda su extensión, se requieren muchos puntos de acceso wireless (WAPs) WiFi usando una tecnología de gran ancho de banda. A la escala de una refinería típica, podría significar entre 100 y 400 WAPs WiFi para conseguir una cobertura completa y sin problemas. Cuando se lo implementa, el acceso está disponible en cualquier lugar, lo que permite desplegar capacidades de trabajadores móviles y tener una implementación rápida de instrumentación wireless.

Los routers simplifican la planificación de la implementación gracias a su diseño modular. Es fácil agregar un gateway WirelessHART o ISA100 a una determinada unidad. Las antenas inteligentes para instrumentación wireless pueden mejorar el alcance, mientras restringen la cobertura al interior de una zona cercada. La mayoría de los routers tienen clasificación Clase 1/División 2, mientras las antenas son Clase 1/División 1 para su extensión a áreas peligrosas.

Algunos usuarios piensan que las redes wireless quizás signifiquen una mayor superficie de ataque para los ciberdelincuentes. Afortunadamente, las redes y su hardware actual incorporan mecanismos defensivos muy fuertes. Por ejemplo, WirelessHART está protegido por una encriptación AES de 128 bits en la capa de red/transporte y un mecanismo de acople de red con dos factores.

El diseño de las redes WiFi e interfaces con otros sistemas normalmente están a cargo de IT, que puede usar las últimas herramientas y prácticas de seguridad para evitar vulnerabilidades en los puntos de transferencia de datos. Las empresas que actualizan como rutina sus routers y otros equipos de red evitan los problemas derivados de tener que mantener un hardware multigeneracional en el lugar, lo que implica el uso de técnicas de seguridad más antiguas.

 

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Figura 3. Los routers pueden manejar más dispositivos mientras toleran entornos de planta extremos. Su construcción modular facilita su configuración e implementación.

 

Ventajas para los usuarios

¿Cómo poner en práctica estas tecnologías? Las empresas que han implementado programas de mejora con digitalización muestran una variedad de áreas donde han logrado importantes avances:

  • Una mejor infraestructura WiFi y WirelessHART con mayores tasas de transferencia de datos y niveles de confiabilidad;
  • Mayor seguridad del personal con capacidades de localización y reunión;
  • Datos de consumo de energía más detallados, lo que se traduce en ahorros en conservación y costo al ampliar el monitoreo y el análisis de datos;
  • Mayor confiabilidad y disponibilidad de activos de manufactura;
  • Aumento de la productividad a resultas de respuestas rápidas a condiciones anormales utilizando herramientas de trabajadores móviles;
  • Ejecución más rápida de chequeos de lazos durante comisionamiento y puesta en marcha, lo cual puede generar mucho dinero al conseguir tiempo de operación adicional;
  • Mayor disponibilidad de planta al reducirse el número de paradas inesperadas.

Todos estos son elementos de digitalización, y hay muchas más posibilidades, ya que siempre se descubren nuevas ideas. Cuando una infraestructura wireless pueda desempeñarse de un modo que no se tenga que pensar en ello, ya sea a nivel de red de dispositivos o de empresa, es posible lograr un gran progreso. Y cuando los proveedores y usuarios puedan conformar una base instalada con redes wireless, sensores inteligentes y soluciones de gestión de activos, estaremos ante la concreción de lo que realmente es digitalización.

 

Preparado en base a una presentación de Christopher Logue, de Emerson Automation Solutions.

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