Soluciones wireless para medición de tanques

En muchas ocasiones, las instalaciones industriales cuentan con tanques de depósito de materias primas, productos terminados, agua para uso general o sistemas contra incendio, etc., y necesitan incorporar mediciones en los mismos para integrarlos a su sistema de control. 

En estos casos, y dado que es habitual que los tanques estén separados del resto de las instalaciones, la tecnología de instrumentación inalámbrica o ‘wireless’ se convierte en una solución muy apropiada y atractiva, ofreciendo una serie de ventajas importantes, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc.

 

Tecnología

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

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

Al utilizar la banda de 900 MHz para la transmisión de las señales, se consigue un vínculo mucho más robusto y de mayor alcance que con otras tecnologías similares que utilizan 2,4 GHz. Normalmente, la distancia entre un nodo y el gateway puede ser de más de 500 m con línea de visión directa, por lo que, en la gran mayoría de las aplicaciones, no se requieren repetidores de señal, como sí es habitual en otros casos.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

Solución realmente económica

Muchos usuarios, al intentar implementar una solución inalámbrica con WirelessHART o ISA100, se dieron cuenta de que los ahorros que iban a conseguir en la implementación no eran tales, ya que el monto total de la solución aumentaba como consecuencia de los altos costos de los dispositivos de campo (mayores a los de un transmisor convencional), del gateway y de las licencias de software necesarias.

Con la solución de SignalFire, los ahorros realmente se notan desde el comienzo mismo de la implementación, ya que el precio de un dispositivo de campo inalámbrico es similar al de un dispositivo convencional con salida 4-20mA+HART, mientras el costo del gateway rápidamente se justifica con los ahorros en mano de obra, cableado y todos sus accesorios (zanjeo, cañeros, bandejas, soportes, cajas de paso, borneras, selladores, terminaciones, barreras de seguridad intrínseca o aisladores galvánicos, etc.).

Además, el software SignalFire Toolkit, que permite la configuración de los dispositivos de campo y de los gateways, se entrega y actualiza en forma gratuita, por lo que no representa un valor adicional en el costo de la solución completa.

 

Medición de nivel en tanques presurizados

Si el tanque está presurizado, la medición de nivel se puede realizar mediante varias tecnologías: transmisor de presión diferencial o presión hidrostática, radar sin contacto o de onda guiada, sensor ultrasónico, magnetoestrictivo, capacitivo, desplazador, etc.

En todos estos casos, se puede usar un dispositivo Sentinel de SignalFire con entrada de 4-20 mA o HART para integrar la medición de cualquiera de esos sensores al sistema.

Si el usuario requiere una actualización del valor con mucha frecuencia o en forma permanente, los dispositivos Sentinel pueden estar dotados de un kit de panel solar, regulador y baterías, que permiten alimentar al dispositivo de medición en forma constante. Dicho kit tiene aprobación para uso en áreas clasificadas (Clase I, División 1), por lo que puede ser instalado sobre el tanque sin ningún tipo de inconvenientes. 

El montaje del kit sobre el sensor de nivel es muy simple, y ya hay diseños listos para algunos radares y transmisores de presión reconocidos en el mercado.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

Medición de nivel en tanques no-presurizados

En estos casos, y dado que la presión hidrostática de la columna de líquido será proporcional al nivel (suponiendo que la densidad no cambia mucho), la solución más simple sería instalar un sensor de presión Pressure Scout en la parte inferior del tanque.

Este sensor es una solución compacta que ofrece una gran autonomía valiéndose solamente de la batería interna. Por ejemplo, reportando el nivel en el tanque cada minuto, la autonomía es superior a los 6 años.

El reporte por excepción también permite extender el período de reporte para prolongar la duración de la batería, pero sin descuidar la seguridad. En caso de que el sensor detecte un valor de nivel por fuera de los límites configurados, reporta automáticamente el estado al sistema sin esperar el período de transmisión configurado.

Está claro que también se podrá usar en estos tanques el resto de las tecnologías ya mencionadas, integrando los sensores de nivel con dispositivos Sentinel analógicos o con HART.

 

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Medición de nivel, interfase y temperatura

El transmisor Float Scout puede utilizarse para medir nivel total, interfase y temperatura. A tal fin usa un sensor magnetoestrictivo de muy alta precisión y repetibilidad, y puede integrar las tres mediciones en un solo dispositivo. 

De acuerdo a la altura del tanque, el usuario puede optar por un sensor rígido (varilla de acero inoxidable por la que se desplazan los flotantes), o bien por un sensor flexible de PVDF para tanques más altos donde la instalación de un sensor rígido puede resultar complicada.

 

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Alarmas de nivel

En muchísimos casos, los tanques incorporan interruptores para detectar condiciones de alto/muy alto o bajo/muy bajo nivel, y reportar las alarmas correspondientes. 

La integración de este tipo de señales discretas es muy sencilla gracias a un transmisor inalámbrico Sentinel con dos entradas discretas. De esta forma, con un solo dispositivo es posible monitorear las alarmas de alto y bajo nivel en un tanque. 

Este dispositivo tiene un bajísimo consumo, por lo que, aún actualizando su estado cada 15 segundos, ofrece una autonomía de más de 5 años. Sentinel con entradas discretas también funciona trabajando en modo de excepción, por lo que puede reportar inmediatamente  un cambio de estado en cualquiera de las entradas.

 

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Medición de temperatura

El dispositivo más apropiado en cada caso depende de la cantidad de mediciones de temperatura necesarias en el tanque. 

En caso de mediciones simples, se puede utilizar un cabezal Sentinel-RTD (con entrada para sensor RTD Pt100)
o Sentinel-TC (para termocupla K).

En cambio, si el usuario necesita obtener el valor de temperatura promedio o el perfil de temperaturas, lo recomendable es usar un Sentinel-HART o un Sentinel-Analogue conectado a un sensor inteligente multipunto. De esta manera se consigue la información de cada sensor en forma individual, o bien el promedio entre todos los sensores.

Este método es habitual, por ejemplo, en tanques de almacenamiento de hidrocarburos, en los cuales se necesita el valor de temperatura para el cálculo del volumen en condiciones estándar, o en silos con granos donde la temperatura debe monitorearse por razones de seguridad.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

Medición de presión

En muchos casos, los tanques están presurizados como consecuencia, por ejemplo, de las características del fluido almacenado.

En esta aplicación se puede usar un sensor Pressure Scout que, además, tiene la capacidad de reportar inmediatamente una condición de alarma por alta o baja presión, sin esperar el período de actualización estándar. De esta forma, el operador puede ser alertado rápidamente por una falla en el sistema de inertización o por un exceso de presión debido a una falla en la válvula de presión y vacío.

 

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Detección de apertura de tapas

El nuevo Tilt Scout de SignalFire ha sido diseñado específicamente para facilitar el monitoreo del estado de las tapas de los tanques. La instalación del dispositivo es muy simple ya que tiene muy pequeñas dimensiones y se puede adherir a la tapa en forma magnética. Utiliza un acelerómetro de estado sólido de 3 ejes, que detecta el ángulo de la tapa para determinar si está abierta, cerrada o en una posición intermedia. 

De este modo, el operador de la planta puede identificar rápidamente qué tanque ha sido abierto o bien si alguna de las tapas no está cerrando correctamente y, por lo tanto, podría estar venteando gases tóxicos o inflamables. Una autonomía de más de 5 años implica un bajísimo costo de mantenimiento.

 

Indicación a pie de tanques

Un display de campo de SignalFire, que incluso puede ser alimentado con baterías, le permite al operador de la planta acceder facilmente a la información de los tanques, sin necesidad de desplazarse hasta la sala de control.

Field Monitor cuenta con una pantalla LCD de 11 líneas, que puede mostrar hasta 30 páginas de información, configurables por el usuario. También incorpora funciones matemáticas y de conversión de unidades, que permiten, por ejemplo, mostrar el volumen de producto en un tanque a partir de la medición de nivel.

 

Otras mediciones y dispositivos

La solución SignalFire permite integrar todo tipo de señales de campo. Por lo tanto, con la misma facilidad con que se integran las mediciones propias de los tanques, también pueden incorporarse señales de pulsos (caudalímetros), dispositivos con comunicación Modbus, celdas de carga, etc.

También pueden diseñarse soluciones ‘híbridas’ utilizando módulos de entradas/salidas múltiples con comunicación wireless, que permiten integrar varias señales que ya están cableadas.

 

Integración con el sistema de planta

Un sistema de planta típico se compone de un gateway con comunicación Modbus (RTU o TCP) y los correspondientes dispositivos de campo asociados (hasta un máximo de 240 por gateway), cada uno con una dirección particular que terminará siendo el ID de Modbus del mismo. 

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

 

Comunicación HART inalámbrica

Una funcionalidad muy importante, especialmente en estos casos y dado que el acceso a la parte superior del tanque puede ser complicado, riesgoso o demandar permisos de trabajo especiales, es que los dispositivos con comunicación HART integrados a la red inalámbrica de SignalFire pueden ser configurados en forma remota mediante cualquier herramienta con tecnología FDT/DTM, por ejemplo Pactware, utilizando la misma infraestructura. 

De esta manera, el usuario podrá agregar a la red cualquier dispositivo HART conectado a un nodo Sentinel y configurarlo remotamente a través de la red de SignalFire (incluso a miles de kilómetros de distancia).

En definitiva, es posible implementar un sistema con funcionalidades de WirelessHART, pero sin una red WirelessHART.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

Facilidad de implementación y expansión

 

Solución wireless

A la hora de diseñar el sistema de medición de tanques pensando en la arquitectura wireless, simplemente deberá tenerse en cuenta el dispositivo más apropiado para cada medición (por ejemplo, un radar en cada tanque conectado al cabezal Sentinel-HART) y el gateway que concentre la información de todos los dispositivos.

Del mismo modo, agregar más tanques o servicios auxiliares sólo implica la compra e instalación del dispositivo que corresponda. Una vez instalado el dispositivo en la planta, en pocos minutos estará en condiciones de reportar datos al sistema.

A modo de un simple ejemplo, se muestra la implementación de la medición de nivel y temperatura en un pequeño parque de tanques ubicados lejos de la planta utilizando la solución wireless. Las mediciones de nivel se pueden llevar a cabo con radares o transmisores por ultrasonido conectados a equipos Sentinel-HART, mientras que, para las mediciones de temperatura, se utilizan cabezales Sentinel-RTD conectados a los sensores.

La arquitectura es muy simple y su instalación y puesta en marcha se pueden llevar a cabo en muy poco tiempo y sin demandar mano de obra y maquinaria especializada que no sea la habitual para el personal de instrumentación de una planta.

 

Solución convencional

En cambio, cuando se piensa en la misma implementación con una solución cableada convencional, se deben tener en cuenta muchos otros aspectos de la instalación: cañeros, cajas de paso y bandejas; soportería para cañeros o zanjas y cámaras de inspección; cables, terminadores y borneras; barreras de seguridad intrínseca o aisladores galvánicos (en caso de requerirse); módulos de entradas/salidas en el controlador, etc. 

La incorporación de señales adicionales suele obligar al usuario a verificar si tiene entradas/salidas disponibles en su sistema, si tiene cables, borneras y barreras de S.I. o aisladores suficientes, etc., lo que complica y encarece la expansión que se está planificando.

Siguiendo el mismo ejemplo ya mencionado, queda claro que la instalación del sistema es mucho más costosa y laboriosa por la gran cantidad de materiales, maquinaria y mano de obra especializada que se necesita para la instalación.

 

Seguridad de la información

El protocolo utilizado por SignalFire se basa en FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), lo que significa que la frecuencia de transmisión no es fija sino que va cambiando constantemente siguiendo un patrón aleatorio. De esta manera, se evitan interferencias y se establece un primer nivel de seguridad. Adicionalmente, el protocolo de transmisión no está publicado y el hardware utilizado en los equipos es propietario.

La tecnología de SignalFire permite la configuración de una clave para encriptar los datos que son transmitidos a través de su red, garantizando que la informacion no pueda ser interceptada o modificada. El sistema utiliza AES (Advanced Encriptation Standard), un mecanismo simétrico de cifrado adoptado por NIST de EE.UU. en 2002 como estándar luego de 5 años de prueba. Utiliza una clave de 128 bits, y es el mismo que se emplea en bancos, comercio electrónico, organismos gubernamentales, etc.

Dentro de la información que los dispositivos de campo reportan al gateway hay parámetros de diagnóstico, tales como nivel de batería, calidad de señal inalámbrica y otros valores que pueden usarse para detectar fácilmente problemas de comunicación o programar un mantenimiento preventivo.

 

Preparado por el Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería de Aplicaciones, Esco Argentina S.A.

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