Los dispositivos de campo HART nos brindan toneladas de datos de alto nivel, pero todavía hay empresas que dejan información en el campo. ¿Cómo resolver el tema?

Todo lo que hay que saber acerca del protocolo HART e IIoT

Hay una tendencia a pensar que nuestras empresas están muy lejos de la innovación que va surgiendo todo el tiempo. Por supuesto que son muchas las preocupaciones a la hora de adoptar una nueva tecnología. A lo que se suma el costo de reconvertir la planta para la incorporación de lo nuevo. Además, muchas personas ni siquiera piensan en iniciar una conversación acerca de las posibilidades de aplicar una nueva solución.

Para salir de este estado de cosas, un primer paso es saber más acerca del protocolo de comunicación HART. Ver que puede aportar información importante y analizar las posibilidades de lograr una integración de bajo costo en la computación de nube de IIoT a partir de los dispositivos HART en el campo.

 

¿Qué es el protocolo de comunicación HART?

En el campo, muchos problemas se pueden resolver rápidamente recolectando datos de los dispositivos que se encuentran en el campo. Incluso cuando los dispositivos de campo sólo usaban señales analógicas 4-20 mA, todos tenían a su disposición el protocolo HART. ¡Pero sin usarlo!

El protocolo HART no es nuevo, pero aún teniendo un gran número de estos dispositivos instalados en distintos lugares del mundo, sus conceptos básicos no están claros para todos.

HART significa Highway Addre­ssable Remote Transducer  y el protocolo fue desarrollado a mediados de los años ’80. Recien en 1986, el protocolo de comunicación HART pasó a ser abierto, habiendo sido anteriormente un protocolo propietario.

HART es un protocolo híbrido donde la señal digital se superpone a la señal analógica 4-20 mA. Es el 4-20mA tradicional que todavía se usa en muchas plantas.

El protocolo HART, desarrollado en base al estándar Bell-202, modula/desmodula usando FSK (Frequency Shift Keying) y trabaja a 1.200 bps. La señal tiene dos frecuencias: 1.200 Hz representa ‘1’ y 2.200 Hz representa ‘0’. La técnica permite que el maestro se comunique con el esclavo sin ninguna interrupción en la señal 4-20 mA.

Todo esto es tan sólo una breve explicación del protocolo HART. Pero hay muchas otras cosas más, por ejemplo comandos HART, multi-drop HART, etc.

 

Diferencias entre HART y otros protocolos de fieldbus

Los dispositivos de campo HART ofrecen un nivel de datos similar al de sus contrapartes digitales; sin embargo, mientras un dispositivo digital siempre comunica los datos tanto si se los utiliza como si no, la mayoría de los dispositivos HART yacen en el campo con los datos bloqueados dentro de ellos.

Todos los dispositivos con el protocolo de comunicación HART facilitan una gestión inteligente de dispositivos (IDM según sus siglas en inglés), lo que también se puede encontrar en PROFIBUS, fieldbus Foundation y otros dispositivos digitales.

Multidrop, que es la manera digital de leer toda la información de los dispositivos HART, es muy lenta y no tan popular. Pero hay otras alternativas para rescatar toda esta información valiosa del campo sin tener que recurrir a multidrop.

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre los dispositivos HART y los dispositivos digitales? Ninguna en cuanto al nivel de información que puede obtenerse de un dispositivo de campo. Todos ofrecen los mismos datos preciosos acerca del estado del dispositivo.

Del lado negativo, la forma estándar de instalar dispositivos HART significa que el sistema de control sólo lee la señal 4-20 mA, completamente diferente a como lo hace una red con dispositivos de campo digitales.

Del lado positivo, hoy se dispone de métodos cableados y wireless para obtener los datos desde el campo y convertir la información resultante en conocimiento aplicable, tal como ocurre, por ejemplo, en Netilion Health de Endress+Hauser.

 

Interfaces HART en una solución de nube IIoT

Hay dos alternativas para rescatar datos de IDM a partir de los dispositivos de campo HART sin un gasto excesivo de inversión y modificación en la planta.

En primer lugar, es importante señalar que la tecnología wireless es la manera más fácil de recolectar esta información. Con un adaptador Wire­less­­HART en los dispositivos de campo, es posible transferir todos los datos a un gateway WirelessHART.

Este gateway WirelessHART, por ejemplo Fieldgate SWG70 de Endress+Hauser, puede estar integrado en el dispositivo de borde y proveer todos los datos a la computación de nube IIoT.

La tecnología wireless es una solución ya establecida en numerosas industrias, por lo que muchos usuarios finales ya la están utilizando para resolver distintas aplicaciones.

En segundo lugar, si todavía uno no está familiarizado con el tema wireless, hay otra manera excelente de conectar los dispositivos de campo a la nube IIoT: los gateways HART, que usan la comunicación HART desde el lazo 4-20 mA y la integran en una plataforma IIoT, por ejemplo Netilion.

Por supuesto que, según la cantidad y la complejidad, un gateway HART puede significar un poco más de inversión que una solución wireless. Sin embargo, hay que tener en cuenta que sólo toma un par de meses conseguir el retorno de la inversión a la hora de implementar este tipo de solución en una planta.

Fieldgate SFG250, un gateway Ethernet HART, es otro buen ejemplo de implementación de IIoT en una planta. ¡HART sobre Ethernet es una de las maneras más sencillas de leer todos los datos que se necesitan sin tener dolor de cabeza al final del día!

 

¿Conviene instalar una solución IIoT en la planta?

¿Por qué no? IIoT no está tan lejos de la mayoría de los posibles usuarios. Los beneficios de los servicios de IIoT son claros y ofrecen muchas ventajas en una planta.

Por ejemplo, IIoT puede brindar un panorama claro de la planta para enterarse de que alrededor del 30% de los activos ya están obsoletos…

Utilizando uno de los servicios de IIoT, es posible registrar fácilmente los dispositivos a mano y crear un mellizo digital en la nube. Como alternativa, se lo podrá hacer automáticamente usando un dispositivo de borde.

Luego tendrá acceso a la analítica donde toda la información relacionada con la base instalada es presentada de manera transparente con una clara comprensión y poderosos gráficos. La analítica brinda toneladas de información, por ejemplo un panorama de todos los dispositivos y qué dispositivos ya no están disponibles. Todo esto permite reducir la complejidad y el trabajo de mantenimiento, entre otras cosas más.

 

Monitoreo de la salud de activos con el protocolo HART e IIoT

Netilion Health ofrece información acerca de dispositivos tanto de Endress +Hauser como de terceros. Se trate de cable o wireless, el gateway HART/WirelessHART se puede conectar a un dispositivo de borde, que se comunica de manera segura con la solución de nube y brinda toda la información de salud sin importar dónde se encuentre.

Es posible ver el estado de todos los dispositivos según lo define NAMUR NE 107. Cuando un dispositivo indica un diagnóstico o falla, se puede profundizar en la información aportada por el dispositivo y comprender cuál es el problema y cómo puede ser remediado.

También se puede obtener un historial del estado del dispositivo y ver cuándo y con qué frecuencia ocurrieron los eventos, para lograr así una imagen clara de la situación. Esto permite ahorrar mucho tiempo a la hora de resolver el problema y también dinero al evitar una parada no programada.

HART a la hora de cosechar los beneficios de la digitalización

Hay muchas plantas hoy en día que ya tienen instaladas enormes bases de datos de dispositivos HART que ofrecen el mismo nivel de información que la mayoría de las nuevas redes modernas.

Todos los dispositivos de campo HART ofrecen gestión inteligente de dispositivos (IDM), tal como ocurre con otros dispositivos digitales.

Además, sistemas digitales como Netilion pueden acceder a datos de dispositivos HART, abriendo la puerta a todos los beneficios de los servicios digitales. Gateways HART, tales como Fieldgate SFG250, aportan una solución que permite llevar toda la información HART a un servicio en la nube de IIoT. También, instalando un adaptador WirelessHART en paralelo al sistema analógico, es posible recolectar los datos digitales de manera wireless mediante el gateway sin afectar la señal analógica enviada al sistema de control.

Ambas soluciones ofrecen acceso a IDM y se conectan al gateway para saltar del campo a la nube, brindando una conectividad segura. Con los dispositivos conectados, el siguiente paso es acudir a los Servicios Netilion para aprovechar la digitalización del sistema.

Los nuevos dispositivos de campo suelen venir con dos protocolos digitales: la comunicación estándar, por ejemplo HART, y Bluetooth, que permite chequear todos los datos usando una app o conectándose a un gateway Bluetooth. FieldEdge SGC200 tiene una conexión directa a la nube, de modo que se puede aplicar el servicio Netilion Health a los dispositivos de campo conectados, facilitando el acceso a la información en cualquier lugar.

La reconversión de la planta es sencilla, ya que el protocolo HART ofrece toda la información necesaria para la comunicación digital.

 

Preparado en base a varias presentaciones de Fabricio de Andrade, gerente de Endress+Hauser Digital Solutions.

En muchísimas ocasiones es importante tener acceso a mediciones o al control de dispositivos en sitios muy alejados de la planta, o bien en activos que pertenecen a la empresa pero que están distribuidos en un área geográfica muy extensa (dentro del país o incluso en el extranjero).

Como ejemplos se puede mencionar mediciones en tanques con materia prima o productos terminados, control de bombas que toman aguas de pozos o de un río, monitoreo del caudal del agua retornada a un cauce natural luego del tratamiento, medición de nivel y temperatura en silos de granos, control de sistemas de riego artificial, monitoreo de calidad de agua, etc.

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT

Dispositivos Ranger

El objetivo de estos dispositivos de SignalFire es monitorear e incluso controlar activos remotos sin recurrir a sistemas tradicionales como SCADAs, PLCs, Remotas, etc.

La solución, que lleva los datos del sensor directamente a una interface en la nube, es fácil de usar y accesible desde una interface web, incluso desde un teléfono móvil. Se puede conectar a sensores existentes con salidas analógicas, de pulsos o discretas para monitorear distintos parámetros, tales como presión, nivel, caudal, temperatura, etc.

El GPS incorporado en el equipo también permite la geolocalización de los datos en aplicaciones con activos móviles, por ejemplo tanques de materia prima.

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT

 

Conectividad basada en IIoT

La solución celular integra lo más moderno en tecnología inalámbrica, permitiendo la conectividad directa desde un sensor a una plataforma en la nube.

Usando LTE-M (abreviatura de LTE Cat-M1), esta tecnología permite a los dispositivos de IoT conectarse directamente a una red 4G sin un gateway o enlace intermedio. El Ranger está diseñado para lo que se conoce como IIoT, o sea integración de información de planta o campo en Internet utilizando la estructura de las redes móviles (LTE M1).

 

Entradas/salidas

En su configuración estándar, el dispositivo Ranger dispone de una entrada analógica de 1-5 V o 4-20 mA, dos entradas discretas (que también pueden ser pulsos de caudalímetros, de hasta 2 kHz) y una salida discreta (relé tipo 'latch' de bajo consumo). En consecuencia, se lo podrá conectar a cualquier transmisor con salida 4-20 mA, alimentarlo con las baterías internas y reportar en intervalos configurables (por ejemplo, cada 30 minutos) el valor medido (presión, nivel o temperatura).

Si bien SignalFire ofrece servicio de servidor para que el usuario pueda acceder a los datos (alojamiento en servidores de AWS – Amazon Web Services), también puede enviar la información al sistema SCADA del usuario siempre que soporte el protocolo MQTT.

Como opcional, se puede agregar al Ranger un módulo que suma (2) Entradas analógicas y (1) Entrada discreta, por lo que se podría llegar a tener en un solo equipo hasta (3) AI, (3) DI y (1) DO. De esta forma, con un solo dispositivo se consiguen simultáneamente (3) mediciones de 4-20 mA o 1-5 V, hasta (3) mediciones de caudal (caudalímetros con salidas de pulsos) y la posibilidad de controlar algún dispositivo con la salida discreta (por ejemplo, una bomba o una válvula). 

También se dispone de un módulo con comunicación Modbus para facilitar la integración con los gateways tradicionales de SignalFire con tecnología de 900 MHz, o con cualquier otro dispositivo que use este protocolo (caudalímetros, computadores de caudal, PLCs, cromatógrafos, etc.).

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Entradas/salidas de un dispositivo Ranger.

 

Reportes de alarmas

Existe la posibilidad de recibir alarmas por email o SMS en caso de que se active alguna entrada discreta (por ejemplo, alguna alarma de alto o bajo nivel, presostato, etc.).

De esta manera, el usuario siempre estará alertado si ocurre alguna situación anormal.

 

Batería y autonomía

El dispositivo Ranger está dotado de un pack de baterías de larga duración. En cada transmisión de datos reporta al usuario la tensión de la batería (en mV) y el estado de la misma (si debe reemplazarse o no). Cuando sea realmente necesario, el reemplazo de la batería puede hacerse sin necesidad de retirar el equipo del lugar donde está instalado, ya que es apto para áreas clasificadas.

Como opcional, también está disponible con pack de alimentación solar que hace innecesario el reemplazo de las baterías y le otorga al sistema una autonomía de muchos años.

 

Configuración

La programación se hace a través de una interface USB con el software Ranger Toolkit, que puede ser descargado en forma gratuita de la página web de SignalFire. Con la aplicación es posible configurar los parámetros de conexión a la red (broker de MQTT), las características de las entradas y el intervalo de actualización de los datos.

Muchos de estos parámetros también pueden ser modificados luego desde la web, una vez que el equipo ya está instalado en su ubicación definitiva, sin necesidad de desplazarse hasta el sitio.

 

Integración de redes wireless de 900 MHz

Las soluciones de instrumentación inalámbrica de SignalFire están basadas en nodos que utilizan una estructura mesh y se comunican con un concentrador o gateway en la banda de 900 MHz. Esto permite resolver aplicaciones con muchos puntos de medición distribuidos en un alcance de alrededor de 800 m.

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

El Ranger es el complemento ideal para estos sistemas, cuando el usuario tiene varios sitios remotos instrumentados y quiere disponer de la información en su sistema. Agregando un módulo Modbus en el Ranger es posible transmitir a la nube la información de todas las mediciones de campo que fueron registradas por los dispositivos wireless de cada locación y concentradas en el gateway.

Tanto el gateway de 900 MHz como el Ranger cuentan con aprobación para ser instalados en áreas clasificadas (Clase I, División 2), lo que permite su uso en todo tipo de instalaciones en las industrias de petróleo y gas, petroquímica, minería, etc.

 

Sistemas de válvulas de shut-down

Para el accionamiento de válvulas de emergencia, dado que es frecuente utilizar la presión neumática generada a partir de un banco de cilindros con nitrógeno (como suministro principal o como respaldo), el Ranger puede ser una excelente solución para monitorear el estado de dicho suministro y garantizar la disponibilidad cuando sea necesario. Una falla en el sistema neumático podría hacer que la válvula de seguridad no pueda cerrarse en la condición de emergencia, con graves consecuencias para la instalación, el ambiente, el proceso, etc.

De acuerdo con la instrumentación ya instalada, se podrán transmitir señales discretas de presostatos de baja y alta presión, la señal de un transmisor de presión analógico o incluso incluir el monitoreo de la posición de la válvula o el disparo de la misma en forma remota.

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Sistema de válvulas de shut-down.

 

Suministro de gases especiales

Hay muchos dispositivos importantes que requieren el suministro de gases especiales para su correcto funcionamiento. Un claro ejemplo son los cromatógrafos, que utilizan helio (alternativamente puede ser nitrógeno, argón, etc.) como gas ‘carrier’ para tranportar los componentes de la muestra, y cuya presión debe estar garantizada dentro del rango especificado por el fabricante.

En este caso, el Ranger, además de ser importante para monitorear el estado de este suministro y coordinar la logística del reemplazo de los tubos de gas carrier agotados, podrá utilizarse incluso para transmitir los resultados de los análisis del cromatógrafo si se incorpora el módulo con comunicación Modbus/RTU.

Algo similar puede implementase con otros gases, como en el caso del suministro de oxígeno para centros de salud. En esta aplicación habitualmente se distribuye oxígeno líquido que se almacena en un taque de gran capacidad y luego se vaporiza en el sitio donde se va a utilizar, por lo que el Ranger podria integrarse con la medición de nivel en el tanque de almacenamiento y con la medición de caudal si estuviera disponible.

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Suministro de gases especiales.

 

Monitoreo de tanques de almacenamiento y consumo de GLP a granel

El GLP (propano y butano) se utiliza como fuente de energía en muchísimos sitios que no tienen acceso a la red de gas natural. En muchos casos, las empresas distribuidoras instalan pequeños tanques de almacenamiento en la locación del usuario, y deben programar un recorrido para recargar el GLP a medida que se va consumiendo. Esto hace que, en muchos casos, la logística no sea la ideal, ya que pueden visitarse sitios que no requieren una recarga o, por el contrario, correr el riesgo de dejar sin suministro a un usuario que ya consumió lo que tenía almacenado.

El Ranger puede convertirse en una excelente fuente de información para que la empresa encargada del suministro tenga información en tiempo real de sus usuarios, y poder programar el recorrido de la flota de camiones para las recargas en forma óptima.

De acuerdo a la instalación, el Ranger podrá tomar información de un transmisor de nivel y/o de presión en el tanque o en la línea de alimentación al consumo, o incluso de un caudalímetro si el usuario lo tuviera instalado, de modo que la empresa pueda facturar por el GLP consumido (como suele ocurrir en algunas instalaciones industriales o grandes consumidores).

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Monitoreo de tanques de almacenamiento y consumo de GLP a granel.

 

Medición de estaciones de regulación de gas natural

En las redes de distribución de gas natural es habitual encontrar estaciones de regulación de presión basadas en válvulas auto-reguladoras, e incluir medición de caudal del gas tomado de la red. En estos casos, el Ranger puede aceptar en sus entradas analógicas de 4-20 mA o 1-5 V las señales de sendos transmisores de presión ubicados aguas arriba y aguas abajo de la reguladora, y del caudalímetro en una de sus entradas discretas, ya que aceptan señales de pulsos de hasta 2 kHz.

También podría monitorearse el estado de una válvula de bloqueo del suministro si la misma tiene disponible los correspondientes interruptores de posición. De esta manera, el operador podría recibir una alarma (email o SMS) cuando la válvula cambia de posición.

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Medición de estaciones de regulación de gas natural.

 

 

Sistemas de alerta temprana de inundaciones

El monitoreo de las alturas de cauces de agua (arroyos, ríos, lagos, etc.) puede ser una herramienta muy importante para implementar sistemas de alerta temprana de inundaciones para tomar medidas de contención o paliativas. Dado que los puntos de monitoreo pueden estar distribuidos en grandes extensiones, toda una provincia o a lo largo de un río que recorre varias provincias, la solución que ofrece el Ranger es ideal, ya que sólo requiere una cobertura de LTE-M1. La medición de nivel puede implementarse, por ejemplo, con un sensor ultrasónico o un radar sin contacto, alimentado por el propio dispositivo a través de sus baterías internas.

El GPS incorporado permite vincular inequívocamente las mediciones con la posición geográfica real del punto.

En algunos casos, la medición de nivel también puede complementarse con algún sensor de velocidad del agua, que puede ser integrado al Ranger usando una señal de 4-20 mA o Modbus.

 

Control de suministro de agua

Aprovechando todas las entradas y salidas, el Ranger puede resolver el monitoreo y control completo de un sistema de almacenamiento de agua, como los que suelen utilizarse en aplicaciones de riego. Usando el módulo con E/Ss adicionales, el Ranger puede tomar la lectura del sensor de nivel del reservorio y la presión de impulsión de la bomba a partir de las señales de 4-20 mA, del caudal de la bomba con una entrada de pulsos (o alternativamente también como 4-20 mA), del comando de la bomba a través de la salida de relé tipo latch, y del estado de la misma mediante dos entradas discretas.

De este modo, el operador podrá recibir un mensaje de alarma cuando el nivel en el reservorio está por debajo de un determinado valor, y encender la bomba en forma remota para recargarlo, monitoreando la performance de la misma.

 

Monitoreo de sitios remotos con tecnología IIoT
Control de suministro de agua.

 

Logística de distribución de productos químicos

Las empresas dedicadas al suministro de productos químicos necesitan tener un estricto control de las existencias en los usuarios finales para programar adecuadamente la reposición del producto consumido. En algunos casos también es importante la localización de los tanques ya que los mismos pueden ser móviles y desplazarse a diferentes ubicaciones. Un ejemplo sería la distribución de inhibidores de corrosión que se inyectan en pozos de producción de petróleo y gas, productos clorados para potabilización de agua, etc.

En estas aplicaciones, el Ranger ofrece las dos soluciones al mismo tiempo, ya que, por un lado, transmite la información del sensor de nivel (o los interruptores de alto y bajo nivel) dispuesto en el tanque, y, por el otro, actualiza permanentemente su localización gracias al GPS incorporado.

De este modo, el responsable de la logística sabrá convenientemente cuándo debe enviar más producto a destino, y dónde está ubicado el tanque.

La plataforma de SignalFire en la nube ofrece la geolocalización como estándar, y se la puede acceder mediante cualquier navegador web, tanto en computadoras como en tablets o celulares.

 

Preparado por el Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería y Servicios, Esco Argentina S.A.

MES ha muerto, IIoT ha llegado… ¿Es tan así?

Durante décadas, las empresas han lidiado con la cuestión de cuándo y cómo abordar la implementación de un sistema MES (Manufacturing Execution System). ¿Es una cuestión de negocio? ¿Se puede poner personal clave en un proyecto de dos años? ¿Cómo se mantendrá el sistema? Ahora, con la irrupción de IIoT (Industrial Internet of Things), ¿conviene olvidarse del MES y concentrarse en esta nueva tecnología?

La respuesta a todas estas preguntas es: ¡Depende!

Según Desmond Savage, miembro activo de MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association), los factores a considerar para decidir entre MES e IIoT dependen del alcance de la iniciativa informática en el proceso de manufactura. Si el alcance se limita sólo a una o dos funciones, tales como recolección de datos y elaboración de dashboards, IIoT por sí sola podría ser suficiente. Pero si es necesario combinar reglas e integraciones de negocio con otros sistemas de empresa, MES lleva las de ganar.

En definitiva, depende de lo que hay instalado en cuanto a sistemas. Si no hubo inversión en un MES, IIoT ofrece una plataforma que puede generar retornos rápidos sin una interrupción importante en los procesos de manufactura existentes. Pero si ya hay una inversión en un MES, eliminarlo sería muy perjudicial y alcanzar el statu quo con IIoT podría llegar a ser muy difícil.

IIoT quizás pueda ser usado para armonizar las desconexiones existentes entre plantas, convirtiendo los silos de datos en información procesable que puede ser analizada por los servicios de nube.

El nivel de regulaciones que afectan el sector industrial es otro factor importante. Hoy en día, IIoT carece del test del tiempo, mientras que MES ha estado sometido a las auditorías regulatorias más estrictas y brilla en la gestión de operaciones de manufactura de una empresa. Además, MES ha venido evolucionando a nivel industrial y ya tiene incorporado el conocimiento y las mejores prácticas de los usuarios.

Siendo el último en llegar, IIoT todavía está evolucionando, aunque rápidamente, gracias a la naturaleza ágil de la tecnología y a la forma en que se desarrolla y se implementa el software. Sin embargo, según Desmond Savage, “hay que ver si algún proveedor de software IIoT puede demostrar una validación de software (CSV) y un sistema de gestión de calidad (QMS) asociado capaz de resistir los rigores de una auditoría de calidad altamente regulada del proveedor como lo logra un sistema MES”.

  Si los requerimientos de una empresa son flujos de trabajo complejos, interoperabilidad, un entorno regulado o la necesidad de promover estandarización, el sistema MES seguirá desempeñando un rol clave en la hoja de ruta de los sistemas de empresa. En cambio, si lo que se busca son soluciones de integración sencillas o se trata de una implementación nueva con flujos de trabajo simples, es allí donde muere MES y llega IIoT. De nuevo, todo depende de las circunstancias específicas.

  El conocimiento del proceso operativo automatizado en soluciones MES será difícil de replicar en las nuevas soluciones IIoT. IIoT, por supuesto, seguirá evolucionando y madurando, pero es poco probable que reemplace a MES por completo. Lo más probable es que estas soluciones colaboren en el futuro y aceleren los beneficios de negocio de ambas plataformas al trabajar en conjunto.

Sigue el avance de wireless mesh

Otra tecnología avanzada de redes que lentamente está ingresando en el mercado es wireless mesh, adecuada en aplicaciones de IIoT por su capacidad de manejar un enorme número de dispositivos que generan transmisiones esporádicas de paquetes cortos.

Si bien va creciendo la implementación de redes wireless tradicionales en entornos industriales con equipos rotativos o en áreas remotas o difíciles de alcanzar por cable, tienen limitaciones que empeoran con el advenimiento de un creciente tráfico de conectividad máquina a máquina (M2M).

Y es allí donde surge una nueva tecnología que se conoce como mesh cinética y que es muy adecuada para IIoT, ya que todos los nodos se configuran de la misma forma, facilitando la comunicación entre pares.

La mesh cinética es también full duplex, lo que permite que un solo nodo pueda recibir datos en una frecuencia y enviarlos simultáneamente en otra frecuencia, generando altas velocidades y resultando en una latencia extremadamente baja, según los expertos. Una red mesh cinética también selecciona dinámicamente el camino más rápido entre cientos de opciones para evitar automáticamente la interferencia o el bloqueo de la señal, lográndose una conectividad consistente y confiable por medio de una variedad de opciones.

Sin embargo, en este momento, hay pocas soluciones de wireless mesh destinadas al espacio industrial. La razón de la ausencia de propuestas wireless mesh a nivel industrial es el nivel demasiado elevado de los estándares en este campo. Específicamente, lo que se percibe es que la confiabilidad de la tecnología wireless no es tan robusta como la de las redes cableadas tradicionales, además de los problemas de seguridad relacionados con Wi-Fi. En los sistemas industriales, la disponibilidad lo es todo y no se puede tener una parada.

También está la cuestión de la experticia en tecnología wireless y, en especial, las nuevas tecnologías mesh. Hay que saber acerca de canales y frecuencias, cosas que no ocurren en redes cableadas.

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.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización
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.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización
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.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización

 

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.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización
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.

Sin un monitoreo de salud online, se gasta más tiempo y dinero en mantenimiento.

 

 

Antes que nada, una pregunta: cuando se habla de IIoT, ¿qué imagen le viene a la mente? No es difícil de adivinar: todavía se están usando señales de 4-20 mA y no se vislumbra cambio alguno a corto plazo.

Sin embargo, todos los dispositivos de campo tienen comunicación HART, pero se la usa principalmente para leer mensajes del estado de dispositivos o para cambiar configuraciones. Y no hay que extrañarse que una implementación de IIoT puede hacerse rápidamente en un sistema 4-20 mA/HART sin cambio alguno. Los dispositivos HART tienen el mismo nivel de inteligencia e información que la mayoría de los dispositivos digitales. Además, la adquisición de esta información y su integración en un servicio de nube es mucho más sencilla de lo que uno puede pensar.

Veamos entonces el concepto de IIoT y cuáles son los primeros pasos hacia su implementación en una planta.

 

¿Qué es IIoT?

Pensando en la así llamada tercera revolución industrial, la idea era automatizar máquinas y procesos. Esto simplemente significó implementar un sistema capaz de medir un valor de proceso en particular, aplicarle un algoritmo de control y luego usar el valor de salida resultante para, por ejemplo, actuar una válvula o modificar la velocidad del motor de una bomba.

La automatización ahorró tiempo y mano de obra, además de aumentar la eficiencia y la calidad de producción.

Hoy en día, cuando se habla de la cuarta revolución industrial, IIoT o Industria 4.0, la idea es adquirir de manera eficiente grandes cantidades de datos desde sensores y máquinas inteligentes, para un análisis destinado a optimizar el proceso.

Los resultados podrán estar disponibles en varias aplicaciones, por ejemplo analítica, información de salud o una biblioteca de documentos, cada una con una interface de usuario para mostrar toda la información esencial.

 

¿Cuál es el potencial de IIoT en un entorno industrial?

La mayor parte de la información valiosa se encuentra (latente) en el campo. Esta es información que permite mejorar un proceso y evitar paradas no planificadas en la planta. Cuando alguien piensa en dispositivos inteligentes, probablemente sólo vea los dispositivos que hoy en día emplean una tecnología de comunicación innovadora, ¿no es cierto?

Sin embargo, hay dispositivos de campo HART que también tienen gestión inteligente de dispositivos (IDM – Intelligent Device Management), tal como se encuentra en dispositivos de campo fieldbus Foundation (FF) y PROFIBUS (PB). Pero a diferencia de lo que ocurre con los dispositivos FF y PB, que se comunican digitalmente con el sistema de control, los dispositivos HART probablemente tan sólo envíen señales 4-20 mA ‘inocuas’ al controlador. Al no usar comunicación HART, están guardando lo mejor de su información para sí mismos.

¡Pero no todo está perdido! Hoy en día, las soluciones IIoT pueden recolectar y analizar datos de dispositivos HART independientemente del sistema de control y aportar información relevante para el proceso. Esto se traduce directamente en una mejora del proceso, ya que los análisis de salud hacen disminuir el número de reparaciones no planificadas y paradas no programadas.

 

Red WirelessHART.

 

¿Qué es WirelessHART?

Hay varios tipos de comunicación wireless, quizás los más conocidos sean WirelessHART y Bluetooth. Ambas redes funcionan de manera confiable en un entorno industrial, ofreciendo una conectividad cibersegura y robusta.

En lo que hace a WirelessHART, si bien hay gente que todavía no está familiarizada con WirelessHART, se ha ido consolidando en muchas industrias en todo el mundo. El protocolo se desarrolló en 2004 y tuvo su lanzamiento al mercado en 2007. En 2010 se convirtió en el estándar internacional IEC 62591.

En pocas palabras, WirelessHART trabaja a una frecuencia de 2.4 GHz, usando el mecanismo TDMA (Time Division Multiple Access) para sincronizar todos los dispositivos en la red, donde cada uno se comunica con un gateway.

Además, WirelessHART opera con una red tipo mesh basada en IEEE 802.15.4, combinando dos métodos que garantizan una red confiable y segura: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) y FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

Los dispositivos pueden tener WirelessHART incorporado o pueden estar equipados con adaptadores WirelessHART. Estos últimos actualizan dispositivos 4-20 mA/HART y dispositivos analógicos a instrumentos wireless.

 

¿Cómo se implementa WirelessHART en aplicaciones IIoT?

En una planta que ya tiene dispositivos de campo HART que se conectan al sistema de control utilizando sólo señales 4–20 mA, la respuesta es un adaptador WirelessHART. Es una forma sencilla de recolectar toda su información inteligente y entregarla al gateway. Luego, el gateway puede transmitir la información a un dispositivo de borde, que la integra de manera segura en un servicio de nube.

De acuerdo a la aplicación, una solución WirelessHART normalmente ahorra más tiempo y dinero que usar un multiplexor para recolectar los mismos datos.

El adaptador WirelessHART puede ser alimentado por batería u obtener su energía de la alimentación por lazo del dispositivo. Se lo puede instalar directamente en el dispositivo o remotamente. Los adaptadores se pueden agregar rápida y fácilmente, sin grandes modificaciones en la infraestructura de planta.

Gracias a las características técnicas de la red, es posible extender una red o tener más de una red en la planta. Hay algunas reglas para el dimensionamiento de la red, pero un proveedor confiable de servicios IIoT que trabaje con conectividad HART podrá brindar todo el soporte necesario para la arquitectura de red.

 

Adaptador WirelessHART.

 

¿Cuáles son los beneficios de reconvertir los tags críticos?

Los tags críticos necesitan un monitoreo constante para evitar una parada no programada de un proceso. En la mayoría de los escenarios, la reconversión con soluciones digitales estándar en una infraestructura 4-20 mA existente conlleva altos costos de inversión.

En estos casos, los adaptadores WirelessHART ofrecen una manera sencilla de obtener los beneficios de un monitoreo online con un mínimo esfuerzo e inversión.

Además, sin un monitoreo de salud online, se gasta más tiempo y dinero en mantenimiento. Cuando un dispositivo tiene un problema, se necesita más tiempo para descubrir qué está sucediendo, encontrar el error y solucionarlo en comparación con un servicio de monitoreo de salud IIoT.

Un servicio de monitoreo de salud online de alta performance, por ejemplo Netilion Health de Endress+Hauser, puede seguir continuamente los dispositivos de campo. Al tener la red conectada a la nube a través de un dispositivo de borde, también se tiene acceso a todos los datos críticos desde donde sea.

Esta tecnología se basa en una comunicación wireless robusta y estable ya implementada en muchas aplicaciones que usan el protocolo HART de todo el mundo. Pero cabe señalar que todos estos datos sensibles requieren una protección especial.

 

Netilion con una red WirelessHART.

 

Pasos sencillos para el monitoreo de salud de tags críticos

Está claro que WirelessHART permite que la implementación de IIoT sea más sencilla que nunca, pero ¿cómo opera? A continuación se enumeran los pasos para comenzar el monitoreo online de tags críticos usando Netilion Health:

  • τ Establecer cuáles son los dispositivos críticos en la planta – Para comenzar, es necesario averiguar qué mediciones y dispositivos son críticos en la planta. Luego, dimensionar la red WirelessHART y establecer cuántos adaptadores wireless, repetidores y gateways WirelessHART se necesitan.
  • τ Proveer adaptadores wireless para estos dispositivos – Cada dispositivo crítico requiere su adaptador, que puede ser instalado local o remotamente.
  • τ Conectar con el gateway wireless – Asignar a todos los adaptadores una ID de red y una clave para que que se conecten automáticamente con el gateway wireless, que se encarga de recolectar toda la información de los dispositivos de campo.
  • Conectar el gateway wireless a Field Edge SGC500 – El gateway SWG70 WirelessHART es Netilion Ready, lo que significa que se lo puede conectar con Edge Device SGC500 después de configurar la dirección y el puerto en SWG70 HART según especificaciones. Luego conectar Field Edge a la Internet.
  • τ Configurar el dispositivo de borde y finalizar la conexión con Netilion – Completar la instalación configurando Edge Device SGC500 para su conexión con Netilion.

Una vez realizados estos pasos, todo está listo para comenzar a recolectar datos en Netilion Ecosystem y consumirlos vía Netilion Services. El servicio Netilion Heath, por ejemplo, aporta un conocimiento profundo de los activos utilizando un teléfono inteligente, computadora portátil o tableta, donde sea que se encuentre. Además, se puede seguir toda la información de los activos, tener una visión general gráfica de los eventos y acceder al historial de salud para obtener información detallada.

 

Preparado en base a una presentación de Fabricio Andrade, experto en Netilion de Endress+Hauser.

La visibilidad y el control de objetos de IIoT conectados implican tener redes de alta performance y baja latencia con capacidades de gestión remota.

 

Cuál es el rol de Ethernet en IIoT?

 

Lo que ocurre hoy en día es que las redes industriales usan mayormente protocolos de red especializados y tienen una gran diversidad de bases instaladas, lo que hace compleja su modernización a una infraestructura IP/Ethernet.

Para responder a los desafíos que se plantean en cuanto a confiabilidad de sistema, determinismo y seguridad, es necesario usar soluciones de conmutación Ethernet, dispositivos programables, temporización de alta precisión, Power over Ethernet (PoE) y un software optimizado por aplicación.

 

Seguridad de redes industriales

La seguridad en las redes industriales se basa en la aislación con firewalls de una red corporativa y la Internet. Pero la realidad es que la aislación la hace menos segura y más difícil de manejar.

La seguridad de una red IIoT debe ser de tipo multicapa para proteger los niveles de datos, gestión y control, particularmente en comunicaciones M2M. 

Un método común se basa en encriptación de datos, control de tráfico, AAA (autenticación, autorización y contabilización) e integridad de datos.

En cuanto a la encriptación de toda la red, se usan los protocolos de la capa L2 de encriptación y gestión de claves MACsec (IEEE 802.1AE) y Keysec (ahora parte de IEEE 802.1X), que se encargan de la seguridad de los puertos físicos Ethernet y VLANs.

Para aumentar aún más la confidencialidad, IEEE 802.1AEbn incorpora una encriptación fuerte de 256 bits, que ahora es exigida por ciertos organismos de estado.

Si bien la encriptación por sí sola no es suficiente para la seguridad de una red, usar una encriptación fuerte de 256 bits como MACsec para la conexión en red de equipos y puntos finales es una alternativa más que interesante para autenticación, integración de datos y confidencialidad del usuario.

 

Determinismo

Para obtener un desempeño determinístico y confiabilidad de red, es necesario que las funciones específicas se produzcan dentro de un  marco de tiempo preciso. Esto se puede conseguir cuando cada elemento de red respeta el tiempo y reconoce si los paquetes Ethernet fueron entregados ‘a tiempo’.

Pero esto es tan solo una parte de la solución.

Hoy en día se dispone de un mecanismo que permite sincronizar y distribuir el ‘tiempo’ preciso en Ethernet usando IEEE 1588v2; no obstante, los más recientes estándares TSN (Time Sensitive Networking) trabajan en un estilo muy orientado al tiempo de programación de tráfico.

Desarrollado por el grupo IEEE 802, los estándares TSN amplían las capacidades de Ethernet para convertirlo en un verdadero protocolo de comunicaciones en tiempo real a nivel industrial. Los elementos incluyen sincronización de reloj, manejo de mensajes en base a tiempo, preferencia de tramas y redundancia uniforme.

Además de la capacidad de uso y el desempeño, el estándar IEEE 802.1ASbt, por ejemplo, incorpora soporte de marca de tiempo de un solo paso. Esto implica la posibilidad de utilizar un número reducido de paquetes para transportar la información de temporización de red en comparación con el proceso de dos pasos del anterior estándar de generación.

Las características de TSN les brindan a las redes Ethernet el necesario determinismo en tiempo real y baja latencia, lo que debería eliminar la última barrera que impide que una red IIoT pueda utilizar Ethernet como su backbone principal.

 

Migración de redes

La eventual migración de redes IIoT a IP/Ethernet es un hecho, pero hay que reconocer que los componentes y sistemas de LANs (Local Area Networks) no son algo natural para las redes IIoT.

En el caso de redes compuestas de equipos ya existentes heterogéneos, que usan múltiples protocolos de red especializados, como elementos clave hay que mencionar:

  • Soporte de múltiples protocolos de interfaces de Ethernet y fieldbus;
  • Stacks de software optimizados para switches Ethernet;
  • Hardware y software unificados;
  • Opciones de configuración de puertos y sincronización que cumplen con los requerimientos ambientales y operacionales de IIoT;
  • Opciones de Power over Ethernet (PoE).

Todo esto es posible con una combinación pragmática de hardware y software.

Pero también es importante señalar que no podrá haber ninguna filosofía de ‘un tamaño para todo’ en el caso de sistemas IIoT.

 

Las cifras son sorprendentes. La cantidad de sensores y dispositivos IIoT conectados a Internet estallará a 50 mil millones para el 2020, cuando se generarán 500 zettabytes de datos. Un analista de IDC pronostica que el gasto en equipos y software relacionado con IoT llegará a los 1.200 millones de dólares en el 2022.

El sector industrial será uno de los principales beneficiados. Los fabricantes que se preparen para esta ola de sensores y dispositivos IIoT podrán consolidar toda la información sobre tecnología operativa (OT), informática (IT), inteligencia comercial (BI), calidad y procesos de producción en un solo modelo de datos. Al hacerlo, conseguirán una enorme ventaja competitiva y cambiarán radicalmente la eficiencia de sus procesos.

Ante una demanda de soluciones IIoT que crecerá exponencialmente, la conectividad remota será crítica en muchas aplicaciones. La buena noticia es que las empresas de telecomunicaciones ya ofrecen una infraestructura celular robusta, diseñada para conexión con distintos puntos finales de IIoT, para luego reenviar esa información a los sistemas industriales de control.

Para responder a esta tendencia, Siemens ha lanzado SCALANCE M876-4 e IIoT Connectivity Packages. Son soluciones llave en mano que ofrecen conectividad de teleservicio y telecontrol segura a través de redes celulares de 4G LTE, lo que permite una conexión económica con ubicaciones remotas al simplificar su instalación y configuración. De esta manera queda eliminada también la complejidad de tener que seleccionar operadores de telefonía móvil y planes de datos, además de proveer un solo punto de contacto.

Esta combinación de paquetes de conectividad e IIoT abre nuevos caminos a los sensores y actuadores inteligentes a la hora de mejorar procesos de fabricación e industriales. En paralelo, estos sistemas podrán brindar análisis en tiempo real para aprovechar los datos en una gran variedad de sistemas industriales.

Time Sensitive Networking (TSN) ya es un emblema en automatización industrial. Representa una tecnología clave para que IIoT (Industrial Internet of Things) pueda convertirse en una realidad palpable y ayudar a Ethernet industrial a garantizar comunicaciones confiables y predecibles en el tiempo. El primer paso para lograrlo es la implementación de un sistema sincronizado.

En sus comienzos, TSN fue desarrollado por IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) como una serie de estándares técnicos abiertos para AVB (Audio Video Bridging) en sistemas audio-visuales profesionales. El resultado fue una tecnología para Enlace de Datos – Capa 2 de ISO/OSI (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection) regulada por los estándares IEEE 802.1.

Al ofrecer mensajería determinística en tiempo real, IEEE 802.1 extendió rápidamente su alcance a otros campos, en particular redes de control dentro de los sectores automotriz y de manufactura, donde es fundamental garantizar que se puedan recibir datos cíclicos de tiempo crítico dentro de determinados intervalos de tiempo.

 

 

Sincronización de dispositivos en TSN

A fin de lograr determinismo con una baja latencia adicionada en redes de Ethernet industrial, es necesario tener en cuenta un aspecto clave: la sincronización de tiempo. Esta característica es necesaria para mantener una elevada precisión en sistemas distribuidos, ya que, de esta forma, los dispositivos de la red podrán ejecutar las operaciones requeridas al unísono, en el punto correcto en tiempo e independientemente de donde ocurren las acciones.

Además, cuando todos los componentes comparten un mismo concepto de tiempo, por ejemplo un reloj universal, es posible realizar un análisis exacto para determinar cuándo ocurrió un evento en una máquina específica, el intervalo de tiempo entre dos eventos que ocurrieron en distintos componentes de la misma red, o el ordenamiento relativo de eventos que tuvieron lugar en distintos dispositivos.

Para lograr la sincronización de la red, TSN establece un sistema de reloj único mediante un protocolo PTP (Precision Time Protocol) maestro-esclavo, según lo especificado por el estándar aprobado IEEE 802.1AS - ‘Temporización y Sincronización para Aplicaciones Sensibles al Tiempo’ e IEEE 1588 – ‘Estándar para un Protocolo de Sincronización de Reloj de Precisión en Sistemas de Medición y Control Conectados en Red’. De acuerdo a estos protocolos, un maestro de reloj de red, conocido como ‘Gran maestro’, envía información de tiempo como paquetes Ethernet a cada nodo, o ‘Sistema Consciente del Tiempo’, dentro de la red.

Algunos tipos de mensajes de tiempo se usan para comunicar información relativa al tiempo que se necesita para sincronizar relojes a través de la red o para medir retardos a través del medio de comunicación a fin de reducir su efecto. Además, se pueden establecer funciones adicionales para elaborar una jerarquía de reloj y seleccionar grandes maestros, como así también para configurar, monitorear y mantener un sistema basado en PTP.

De esta manera, todos los relojes de tiempo real en los nodos pueden ser sincronizados con una exactitud de 1μs o menos, lo que también sirve para las más exigentes aplicaciones de control de movimiento, cuyos tiempos de ciclo pueden llegar muy cortos, de tan sólo unos pocos μs. Además, si ocurre un error, es posible chequear los registros de operación y seguir cronológicamente y con claridad cuáles eventos causaron el problema. Como resultado, los operadores pueden proceder a la identificación del error y tareas de recuperación de una manera más rápida y más fácil, recortando paradas no planificadas y sus costos asociados.

A la inversa, no hay reloj global alguno ni comprensión compartida de tiempo en las redes Ethernet tradicionales. De hecho, cada dispositivo tiene su propio reloj interno, o sea su propia noción de tiempo. En consecuencia, los errores se pueden acumular con el tiempo, originando derivas que pueden sacar los procesadores de sincronización.

Más que sincronización

Una sincronización de tiempo confiable entre todos los dispositivos de una red consciente del tiempo es la base para todas las demás funciones clave de TSN. En particular, IEEE 802.1AS propone un mecanismos robusto que soporta el estándar IEEE 802.1Qbv – ‘Mejoras para un Tráfico Programado’, que define de qué manera se pueden programar las colas de tráfico de datos y priorizar la entrega a tiempo de las tramas de tiempo crítico.

Este proceso se basa en el uso de TASs (Time-Aware Shapers) que chequean el campo de prioridad de tags de VLAN de cada trama y asignan el mensaje a la cola de prioridad adecuada, tal como estaba definido en un programa. La transmisión de datos en cada cola se ejecuta durante ventanas de tiempo programadas, mientras se bloquea la transmisión de las otras colas.

De esta manera, el TAS garantiza la protección de los mensajes críticos contra una posible interferencia del tráfico acíclico, evitando así retardos o fallas en la entrega de mensajes de tiempo crítico que pueden interrumpir una aplicación o incluso todo el proceso de producción. Aún más, es posible optimizar los tiempos de ciclo de comunicación, ya que se pueden transmitir simultáneamente distintas tramas con prioridades similares. Como resultado, los TASs y programas fijos de tráfico superan el método tradicional CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection), utilizado por Ethernet convencional, que entorpecía el determinismo.

 

Un ejemplo de implementación de TSN

Nos referimos a CC-Link IE TSN, una tecnología basada en las Capas 3 a 7 ISO/OSI que es adoptadas por los estándares IEEE 802.1AS e IEEE 802.1Qbv Capa 2 antes mencionados.

CC-Link IE TSN optimiza lo que ofrece CC-Link IE, el primer Ethernet industrial gigabit abierto en el mundo, mejorando las funciones de comunicación y la exactitud de la sincronización. Por ejemplo, se pueden alcanzar tiempos de ciclo de incluso 31,25 μs mientras ofrece un manejo sin problemas del tráfico acíclico gracias a su ancho de banda de gigabit. En consecuencia, se consigue un canal con una óptima comunicación común para el tráfico acíclico y el tráfico de control en tiempo real, todo dentro del marco de Industrie 4.0.

 

Preparado en base a una presentación de John Browett, gerente general de CLPA Europa.

Del sensor a la nube
CloudConnect simplifica la transferencia de datos dentro de IIoT a la nube. Con este fin, Siemens ofrece el nuevo procesador de comunicación SIMATIC CP 1545-1, diseñado para ser utilizado con SIMATIC S7-1500 en entornos de automatización modernos.

 

La computación en la nube es un factor clave a la hora de cosechar los beneficios de la digitalización en la industria. Puede mejorar la calidad de un producto gracias a un análisis de Big Data de todos los parámetros relevantes, lo que permite a los operadores evaluar los KPIs (Key Performance Indicators) correspondientes al uso de máquinas y robots de distintos fabricantes y consiguiendo así una mayor disponibilidad. Esta tecnología también hace posible la incorporación de nuevos modelos de comercialización del tipo ‘pago por uso’ por parte de constructores de máquinas.

Para lograr que estas aplicaciones funcionen, es necesario alimentarlas con datos a nivel de campo. Los datos de consumo de energía, temperatura, vibración, velocidades de recorrido y las correspondientes progresiones en el tiempo se pueden usar para extraer conclusiones acerca de los estados de la planta y la calidad de los productos. Esto, cuando se combina con información adicional, por ejemplo material utilizado, proveedor específico o estado de las herramientas empleadas, abre un amplio mundo de nuevas posibilidades para optimizar los procesos.

 

La solución correcta para cada aplicación

Con sus productos CloudConnect, Siemens permite transferir esta información a una amplia gama de plataformas de nube, tales como MindSphere, Microsoft Azure o AWS (Amazon Web Services).

El nuevo procesador de comunicación SIMATIC CP 1545-1, diseñado para ser utilizado con el PLC SIMATIC S7-1500, en lugar de conectar cada sensor a la nube, transfiere automáticamente los puntos de datos seleccionados en TIA Portal a la nube.

Para conectar sistemas existentes a la nube, se puede usar el nuevo SIMATIC CloudConnect 7 Industrial IoT Gateway, que no requiere que se modifique el programa Step 7 existente y ofrece numerosas interfaces para implementar aplicaciones adicionales.

El procesador de comunicación también contiene un firewall con inspección del estado de paquetes (SPI) para proteger al S7-1500 contra accesos no autorizados. 

Hay dos formas de conectar los sistemas existentes con IIoT Gateway CloudConnect 7: SIMATIC CC712, que facilita la conexión de un Simatic S7-300 o S7-400 por medio de Ethernet industrial vía el protocolo del S7, y con Simatic CC716, que permite conectar hasta siete controladores SIMATIC S7 a través de Ethernet industrial o interfaces PROFIBUS/MPI.

No es necesario cambiar el programa de automatización existente para seleccionar y transferir la información esencial. Además, los datos que lee CloudConnect 7 de las estaciones S7 en los niveles inferiores pueden estar disponibles como variables OPC UA (servidor), lo que facilita un intercambio de datos estandarizado, por ejemplo, con sistemas MES o HMI y controladores de terceros.

En todos los casos se utiliza el protocolo abierto Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), que también permite la transferencia de datos a MindSphere, el sistema operativo IoT de Siemens, como así también a otras plataformas de nube.

 

siemens.com/cloudconnect

Página 1 de 3
© 2018 Editorial Control. Desarrollado por Estudio Pionero.