Integración de encoders e intercambio de información en el entorno de IIoT.

Las redes de sensores inteligentes son el pilar de IIoT. El tema está en implementar redes en todos los niveles. Pero, ¿qué componentes se verán directamente afectados? Kübler está convencido de que los encoders tendrán un rol clave y la realidad demuestra claramente esta tendencia. Basado en su encoder Sendix EtherNet/IP con interface OPC UA, Kübler ofrece ahora integración y, por consiguiente, intercambio de información en el entorno de IIoT.

Importantes características justifican su uso en la implementación de IIoT en pos de una producción auto-organizada. Pero las empresas también dependen de la provisión, por parte de los fabricantes de sensores y componentes, de los datos correspondientes, que exceden los datos clásicos de proceso. Por ejemplo, un encoder debe ser capaz de proporcionar no sólo la velocidad y la posición, sino también de comunicar su identidad, su configuración, si se detectan errores y sus condiciones ambientales (por ejemplo, temperatura de operación).

Por otra parte, es casi imposible trasladar un sistema de producción completo a IIoT en un solo paso. En consecuencia, una planificación a largo plazo y coordinación son de gran importancia. Kübler se basó en estos conceptos para estar preparado para el día de mañana, lo cual no fue una tarea sencilla, ya que requiere de una sólida experiencia técnica y un elevado nivel de conocimientos en aplicaciones.

 

Solución Kübler con un solo cable.
Solución Kübler con un solo cable.

 

Las decisiones de hoy son la base del mañana

¿Qué significa ‘listo para IIoT’ para un encoder en el contexto de una implementación a largo plazo y progresiva? Desde un punto de vista técnico, hoy en día ya es posible equipar sensores con un servidor web o con una interface OPC UA. Nos referimos, por ejemplo, a la nueva generación de encoders Industrial Ethernet de Kübler.

Pero, teniendo en cuenta los requerimientos prácticos actuales, esta clase de implementación es bastante excepcional y también es una cuestión de costos.

El hecho de que los sensores de cualquier clase requieren más y más software para implementar sus numerosas y útiles funcionalidades es indiscutible y la clave tiene que ver con sensores inteligentes.

La experiencia también muestra que el desarrollo de la interface de software es cada vez más rápido y más dinámico (de máquina a máquina y de máquina a la nube). Además, tiene la característica de transportar y describir semánticamente los datos de máquina.

De esta forma, cumple con un requerimiento importante para la comunicación de IIoT, además de aportar diagnósticos remotos. Pero, ¿qué significa esto en términos concretos para quienes desarrollan un sistema de automatización? 

Básicamente, el desarrollo debe preferir, siempre que sea posible, un sensor que incluya una interface de fieldbus o, mejor aún, una interface Industrial Ethernet. Por ahora, esto dejó de ser un problema serio de costo, ya que, por ejemplo, los encoders están a un nivel de costo similar al de los encoders SSI estándar. A la hora de seleccionar el encoder, se debe verificar si es capaz de proveer también datos adicionales, por ejemplo los datos que se requieren para el mantenimiento predictivo, y asegurarse así de que la planta permanezca a prueba del futuro.

Esto permite conformar una base importante para la implementación progresiva de IIoT. No hay ninguna duda, y esto se debe a la naturaleza del tema, de que hoy en día no se necesita todo lo que ha sido pensado para IIoT.

Es por esto que resulta particularmente importante que los sensores montados durante la implementación o en el período que antecede a la fábrica inteligente puedan recibir actualizaciones de software. Si no, podría haber serias consecuencias, tales como costos sumamente elevados en nuevas compras y costos de desmontaje y remontaje de nuevos sensores, además de frenar el desarrollo. 

 

¿Qué información brindan los encoders? ¿Qué valor agregado ofrecen esos datos?

Los encoders Sendix proveen, además de la información clásica, tal como posición y velocidad, información adicional, por ejemplo monitoreo de la temperatura interna, gracias a una función de diagnóstico integrada. Hoy en día, el protocolo BiSS permite la implementación de una hoja de datos electrónica que, además de identificar el encoder, también aporta, por ejemplo, los datos correspondientes al motor eléctrico acoplado.

 La plataforma de la última generación de encoders Kübler ofrece la posibilidad de conectar sensores adicionales y transmitir datos preparados y empaquetados al control, por ejemplo mediante una interface de un solo cable, lo que reduce sustancialmente el trabajo de cableado. También almacena datos adicionales relevantes en pos de un amplio diagnóstico, por ejemplo en el caso de monitoreo de condiciones. 

 

Figura 1. Encoders Sendix EtherNet/IP con interface OPC UA. Representación de una posible integración.

Figura 1. Encoders Sendix EtherNet/IP con interface OPC UA. Representación de una posible integración.

 

Encoders con interface OPC UA: Punto de inflexión hacia el futuro

Quienquiera que haya avanzado en su implementación de IIoT a un punto tal que piense en una comunicación directa, independiente del control y de la automatización, con otro sistema de mayor nivel en la nube, dispone ahora de una solución orientada al futuro utilizando el encoder Sendix Industrial Ethernet con interface OPC UA integrada. 

Esta solución también permite configurar el encoder por medio de la Internet, lo que elimina errores en caso de falla. Todos los encoders Industrial Ethernet de Kübler con interface PROFINET, EtherCAT o EtherNet/IP pueden ser integrados con la interface OPC UA.

De esta forma, ambos protocolos están disponibles a través de una misma conexión de encoder, lo cual se traduce en flexibilidad, ya que un simple switch permite transmitir los datos simultáneamente al control y al servidor web o en la nube. Los datos del monitoreo de condiciones, tales como temperatura, mensajes de error, tiempos de operación, tensión de alimentación, etc., son transmitidos directamente en la nube. De esta forma se consigue una implementación más sencilla y más rápida de distintos métodos de mantenimiento predictivo en los nuevos sistemas SCADA.

 

Conclusión

La selección de sensores es y seguirá siendo un factor decisivo en la visión de futuro de IIoT. Encoders equipados con interfaces inteligentes, capaces de proveer una hoja electrónica de datos adaptada constantemente con actualizaciones de software durante la implementación de IIoT, podrán conformar la solución más adecuada y eficiente de sensores para hoy y para mañana.

 

Preparado en base a una presentación de Jonas Urlaub, de Kübler. Representante exclusivo en la Argentina: Aumecon S.A.

 

El software basado en la nube está logrando aceptación en el mundo industrial, después de muchos años de resistencia, ya que las empresas comenzaron a tomar conciencia de las ventajas que significa reducir costos iniciales, escalar con mayor facilidad y obtener nuevos ingresos a partir de los datos.

 

Los ejemplos abundan…Una compañía petrolera pudo instalar y operar cientos de pozos en un tiempo récord. Un fabricante de bombas pudo detectar pérdidas de agua entre miles de cañerías. Y un fabricante de elevadores pudo predecir problemas de mantenimiento antes de que surjan inconvenientes serios.

Todo esto está disponible ahora gracias a un software y datos basados en la nube. En medio de problemas relacionados con la seguridad y brechas de datos, quienes la adoptaron encuentran que la clave para lograr que la nube trabaje para aplicaciones de procesos continuos está en saber exactamente cuándo y dónde usarlas eficazmente mientras se van mitigando los riesgos.

 

Pasar de CAPEX a OPEX

Mover las aplicaciones de operaciones a la nube permite a las empresas ahorrar costos iniciales y tiempo. 

Suscribiéndose a un servicio de nube, los operadores de planta evitan tener que instalar sus propios servidores, software y otros sistemas para el monitoreo de máquinas, con frecuencia ahorrando mucho tiempo y con un menor costo inicial.

 Mover los sistemas de proceso a la nube puede ser tan sencillo como abrir una cuenta y configurar un software basado en la nube. En pocas palabras, la nube permite a las empresas pasar de un modelo de gastos de capital (CAPEX) a un modelo de gastos operacionales (OPEX), pagando sólo por lo que se necesita en cualquier momento dado.

Esto significa que incluso pequeñas y medianas organizaciones con limitados recursos pueden ejecutar sus operaciones con mayor facilidad. Los beneficios son particularmente atractivos en caso de activos distribuidos, o sea equipos que operan en el campo, lejos del personal de servicio.

Ir a la nube es un paso natural para reducir el costo total de propiedad, ya que se pueden aprovechar a los proveedores para conseguir capacidades de sistema como servicio,” comentó Jason Urso, vicepresidente y gerente general de Honeywell Processs Solu­tions. Se pueden recortar las visitas al campo y reducir costos de mantenimiento, mientras permite a los proveedores de equipos monitorear y mantener los equipos para los usuarios como parte de un modelo de suscripción.

Y es allí donde es posible encontrar numerosos beneficios adicionales al llevar los datos de proceso a la nube.

 

Seguridad y protección

Una solución basada en la nube debe abordar claramente los temas de protección y seguridad. Tal como se pudo ver en las recientes brechas de ciberseguridad, la protección IT es crítica. Y la protección en la tecnología operacional (OT) es aún más grave.

Si alguien pudiera conseguir maliciosamente una manera de manipular estos procesos, el usuario terminaría enfrentándose a cosas como incendios, explosiones, emisión de químicos tóxicos,” explicó Peter Zornio, director de tecnología de Emerson Automation Solutions.

Por su parte, Urso señaló que la solución pasa por limitar la comunicación entre sistemas OT e IT a una interacción unidireccional. “Usar una comunicación unidireccional es la forma ideal para comenzar a buscar soluciones basadas en resultados, por ejemplo servicios de asesoría, y no necesariamente aplicaciones de lazo cerrado que operan en la nube,” explicó Urso. Al limitar los sistemas de nube al monitoreo y no a funciones de control, los gerentes de planta podrán disfrutar de los beneficios de la nube con un menor riesgo de ser hackeados.

 

Confiabilidad y la nube

El riesgo de ciberseguridad explica la razón por la que la nube ha sido adoptada más fácilmente en sistemas IT que en sistemas OT. Pero hay otra razón importante por la que la industria ha sido y es reluctante en adoptar la nube: Los procesos industriales que se basan en controles digitales son menos tolerantes a latencia y caídas de conexiones que los sistemas de negocio.

La gente se siente mucho más cómoda con la idea de que sus sistemas de control núcleo se encuentran in situ,” comentó Zornio. “Pasará mucho tiempo, si alguna vez ocurra, para ver esos sistemas ejecutándose en la nube.”

Zornio utiliza una analogía automovilística para explicar la reticencia en adoptar controles basados en la nube. "Seamos sinceros… Dentro de diez años, si se encontrara en un auto sin conductor, ¿no se sentirá más cómodo sabiendo que ese auto no depende de una conexión a la nube, y que todo se puede controlar efectivamente desde el auto? Yo creo que la mayoría de la gente se sentirá mucho más cómoda. Y la mayoría de los usuarios en las industrias de manufactura se sentirán exactamente de la misma manera", explicó Zornio.

Por su parte, Urso sugiere que los fabricantes que están interesados en la nube miren a los beneficios más allá del proceso inmediato de manufactura. “La tecnología de nube brinda ahora la oportunidad de conectar datos de proceso y de activos desde un sitio o múltiples sitios a un conjunto consolidado de conocimiento,” comentó Urso.

Este conocimiento podrá ser utilizado por las plantas industriales para mejorar el retorno de sus inversiones de capital, apuntando a oportunidades que les permitan optimizar el desempeño o la confiabilidad de los equipos. “A medida que crece el conjunto de datos, podrá haber un mayor número de oportunidades en el futuro para identificar eventos de baja probabilidad pero fuerte consecuencia que, de otra forma, podrían pasar inadvertidos,” explicó Urso. En definitiva, oportunidades para mejorar la seguridad y la confiabilidad como así también la eficiencia.

 

"Pasará mucho tiempo, si alguna vez ocurra, para ver sistemas de control de núcleo ejecutándose en la nube"

Peter Zornio - Emerson Automation Solutions

 

Los mejores usos de la nube

El mejor uso de la nube para manufactura y otros procesos está en el mantenimiento de activos, y no tanto en el lazo de control. 

En este caso, los sensores recolectan datos acerca de la salud de equipos y los envía a la nube, donde el correspondiente análisis puede predecir cuándo se necesita servicio; luego, esa información es enviada a los centros de mantenimiento.

Los proveedores de equipos podrán seguir y gestionar estos datos a través de la nube y usarlos como base para planes de mantenimiento y otros servicios,” comentó Urso. Tal conocimiento centralizado puede aportar claras ventajas para el usuario: mejorar la producción y el rendimiento, reducir las paradas de los equipos y bajar los costos de mantenimiento.

Zornio aporta un ejemplo más del área automovilística cuando tener control operacional de tiempo real en la nube puede servir para un propósito positivo, y es en el área de entrenamiento y simulación. “Supongamos que estamos aprendiendo a manejar,” explicó. “Uno se siente frente a una computadora y tiene que aprender a manejar un coche virtual donde todos los controles que normalmente utilizaría en el coche en realidad están corriendo en la nube, de modo que si se equivoca no hay problemas. No están conectados a un auto real. Esto sirve perfectamente para aprender cómo manejar y cómo operar los sistemas que hacen funcionar el coche.”

Apliquemos ahora este escenario a las operaciones de una planta. Emerson ofrece un servicio que pone sus sistemas de control DeltaV online para simular las configuraciones del cliente. “Se tiene así un mellizo de los sistemas reales en la nube que permite realizar allí la simulación,” señaló Zornio. “O probar allí una nueva estrategia de control antes de hacerlo concretamente en el sistema real conectado al proceso.”

 

La cuestión es empezar…

Para empezar con la nube en cuanto a operaciones, Urso recomienda pensar al comienzo en los beneficios deseados y luego seleccionar la tecnología con esto en la mente, y no al revés. También sugiere comenzar con aplicaciones existentes que ya monitorean equipos remotamente en el campo. A partir de allí, encontrar las soluciones específicas pasa por hacer coincidir las características con los resultados deseados.

Está demás decir que la protección juega un rol importante en cualquier implementación de una nube. Emerson ofrece sistemas específicos para potenciales problemas de protección asociados con mover las aplicaciones de operaciones a la nube. “Se los denomina Secure First Mile,” señaló Zornio, aclarando que la exportación de datos desde el sitio de origen a la nube representa un punto de vulnerabilidad.

Honeywell puso su Experion SCADA en la nube con Experion Elevate. Gracias a este sistema, un usuario de petróleo y gas pudo poner 300-400 pozos de petróleo online en unas pocas semanas, destacándose la velocidad de la puesta en marcha gracias a las aplicaciones de nube, y la gran utilidad de la nube en aplicaciones distribuidas.

Por su parte, Emerson provee servicios de mantenimiento predictivo para sus productos a través de la nube, incluyendo válvulas de control. “Recolectamos la información digital acerca de cómo están operando los equipos y la analizamos para los usuarios,” explicó Zornio. Con esa información, Emerson puede ofrecer a sus clientes asesoramiento y servicios de mantenimiento.

 

Preparado por Víctor Marinescu, director de la revista Instrumentación & Control Automático.

La instrumentación de campo se basa cada vez más en la comunicación digital. En consecuencia, hoy en día, el éxito de un proyecto depende en gran medida de la facilidad de configuración de los dispositivos para intercambiar datos a través de redes digitales. 

Los dispositivos inteligentes modernos cuentan con capacidades altamente sofisticadas, pero la configuración sigue siendo un proceso mayormente manual. Además, en su gran mayoría, los dispositivos de campo están diseñados para una determinada aplicación y son muy personalizados, lo que los hace costosos, difíciles de cambiar e implican mucha ingeniería. También requieren una gran cantidad de documentación y pruebas.

Afortunadamente, gracias al crecimiento de Industrial IoT (IIoT) de hoy en día, surgen oportunidades para implementar aplicaciones basadas en la nube y activos conectados inteligentes para reducir tiempo, dinero y errores asociados con diseño, órdenes de compra, configuración y puesta en marcha de instrumentos. La ingeniería en la nube con herramientas integradas y documentación automatizada permite disminuir el riesgo y la programación de un proyecto, bajar costos y trabajo de implementación, simplificar operaciones, minimizar el costo del ciclo de vida, mejorar la eficiencia gracias a menos paradas y aumentar la seguridad. Empresas contratistas ‘llave en mano’ suelen alcanzar ahorros inmediatos de 15-30% en el costo de ingeniería recurriendo a herramientas basadas en la nube.

 

Aplicaciones basadas en la nube

Una nueva clase de aplicación de ingeniería lleva la configuración de instrumentos a la nube, lo que facilita la confección sin errores de órdenes de compra de instrumentos, la preconfiguración para simplificar la instalación y la colaboración online para aumentar las eficiencias de un proyecto. Esto, a su vez, recorta el tiempo de configuración y puesta en marcha de los dispositivos.

La ejecución en la nube también elimina trabajos duplicados de ingeniería, minimiza errores y simplifica tareas desde el comienzo de la especificación hasta la instalación, mientras reduce los requerimientos de pruebas y comisionamiento.

Gracias a la capacidad de comisionamiento automatizado de un dispositivo, se pueden configurar lazos de control a través de la nube y recortar tiempo de comisionamiento a minutos lo que antes se hacía en horas. Más aún, la configuración en la nube automatiza la vinculación de dispositivos físicos en el campo.

Cuando no hace mucho los ingenieros de proyecto realizaban tareas complicadas y repetitivas en las etapas iniciales de un proyecto, ahora el comisionamiento automatizado de dispositivos permite que expertos de todo el mundo puedan desarrollar y realizar pruebas de la configuración. La gente colabora en el trabajo usando la misma herramienta y sin necesidad de enviar información y emails ida y vuelta. Todas las pruebas se hacen una sola vez – en la nube – utilizando capacidades inteligentes y luego se indican futuros cambios en la base de datos.

Las herramientas basadas en la nube también facilitan la selección del instrumento adecuado y la configuración basada en los parámetros exactos de una aplicación, evitando así errores costosos al comienzo del proyecto. El personal puede usar laptops, tablets o teléfonos celulares para ingresar datos técnicos relacionados con sus requerimientos específicos, colaborar con otros por medio de una infraestructura en la nube para acelerar las decisiones de ingeniería, y luego determinar el ajuste óptimo de los dispositivos necesarios en el proyecto.

La documentación de los parámetros de diseño ingresados y la configuración de los instrumentos preservan electrónicamente el trabajo de ingeniería y permiten la generación automatizada de un número de modelo para el dispositivo que es único en cuanto a los requerimientos de configuración. En base a esto, los instrumentos pueden ser ordenados y entregados preconfigurados, listos para ser instalados en el campo, ahorrando tiempo de instalación.

Además, las nuevas herramientas basadas en la web ofrecen una interface gráfica familiar para la nueva generación de personal que está teniendo ahora un rol cada vez más importante en los proyectos de automatización.

 

Las nuevas herramientas

Las más recientes herramientas de configuración y comisionamiento basadas en la nube pueden abordar un buen número de desafíos que se reiteran con mucha frecuencia. En particular, pueden manejar una de las más difíciles tareas en cualquier proyecto de automatización: determinar dónde colocar un instrumento de campo en el sistema de control. 

Por una parte, esto sirve como eje para el resto de la configuración. Por la otra, que es una visión más tradicional, el paradigma de la estrategia de control, en su totalidad, se basa en el canal al cual está conectado ese instrumento de campo. Un error y toda la estrategia de control ya no sirve.

Con el advenimiento de la capacidad de comisionamiento automatizado de dispositivos, la inteligencia inherente de los transmisores inteligentes, por ejemplo los que emplean el protocolo HART, permite desprenderse de los pasos que insumen tiempo y que alguna vez eran obligatorios en cada proyecto. También puede responder a los requerimientos convencionales de un área de marshalling de gran tamaño y centralizada y trasladar E/Ss redundantes al campo.

Las modernas herramientas online permiten realizar la configuración inicial de los dispositivos y luego las pruebas de funcionamiento. Una vez instalados los dispositivos en el campo y conectados a los módulos de E/S, se procede al comisionamiento automatizado de losdispositivos para cada gabinete. Este proceso también documenta la configuración y ubicación de los dispositivos para una futura referencia.

Cuando un técnico conecta un dispositivo HART 6 ó 7 a, por ejemplo, un sistema de control distribuido (DCS), el sistema detecta la conexión e interroga al dispositivo para ver el nombre de tag contenido en una tira de 32 caracteres que viene con el estándar HART. Después de determinar el nombre del dispositivo, el sistema configura el correspondiente controlador, módulo de E/S y dispositivo. Esta característica evita cambios de hardware más tarde en el proyecto, ya que sólo el software requiere modificación.

El comisionamiento automatizado de dispositivos también elimina posibles inflexibilidades a la hora de programar sistemas de control cuando se conectan nuevos instrumentos. Hasta ahora, el personal de la sala de control tenía que generar un punto de medición y programarlo para trabajar con cada nuevo dispositivo. En cambio, una herramienta de comisionamiento automatizado de dispositivos realiza automáticamente la programación, ahorrando tiempo en crear nuevos puntos de medición.

El comisionamiento automatizado de dispositivos simplifica y autodocumenta los cambios de último momento en un proyecto de automatización. Se puede simular por completo el desempeño de controladores, E/Ss y servidores, lo que permite testear la configuración de un sistema independientemente de la última plataforma de hardware.

Además, una herramienta de comisionamiento automatizado puede servir para localizar errores críticos de cableado, tales como canales de instrumentos no coincidentes, y actualizar automáticamente la configuración. Antes, esto hubiera requerido que los técnicos gasten horas verificando la fuente de alimentación, chequeando conexiones a los módulos de E/S, etc.

Las nuevas herramientas de configuración online también tienen sus limitaciones. Por ejemplo, aprovechar las capacidades de autodetección y configuración requiere el uso de dispositivos HART 6 o más recientes. En el caso de dispositivos no HART, tales como entradas o salidas discretas, normalmente no hay mucho para configurar.

Proceso simplificado

Las herramientas basadas en la nube también mejoran la eficacia a la hora de especificar y desplegar un gran número de nuevos instrumentos de campo, algo común en una expansión. El método tradicional implicaba una multitud de pasos, por ejemplo, seleccionar un instrumento apropiado, elegir opciones adecuadas y garantizar la compatibilidad de uno con otro. Luego, una vez instalado el dispositivo, ajustar los parámetros necesarios para optimizar el desempeño y habilitar la comunicación de la información correcta, pruebas, resolución de problemas, etc. El uso de una herramienta basada en la nube ahorra tiempo, reduce costos y minimiza el riesgo.

Una herramienta de aplicación y validación online puede favorecer considerablemente el proceso de selección de instrumentos al brindar una guía paso por paso a la hora de elegir los mejores dispositivos de nivel, presión y temperatura para un proyecto dado. La función de validación permite determinar el ajuste óptimo para la aplicación de un instrumento. Luego, la función de configuración permite establecer un número de modelo de dispositivo completo, obtener información de precio y colocar una orden.

Por ejemplo, en una aplicación típica de medición de tanques, las entradas requeridas incluyen:

  • Información acerca del tanque y sus mediciones;
  • Detalles y mediciones de todos los obstáculos que se encuentran en el interior del tanque;
  • Detalles acerca del o los productos contenidos en el tanque;
  • Rango anticipado de temperaturas dentro del tanque;
  • Variación esperada de presión;
  • Detalles específicos acerca de la certificación necesaria de seguridad de área;
  • Atributos del tipo de conexión que se necesita para el instrumento de nivel.

Las herramientas que ofrecen una representación gráfica interactiva de la instalación de proceso permiten el uso de formas predefinidas para ilustrar un tanque o una cañería, colocan un instrumento en el lugar deseado e ingresan los parámetros de proceso. Eligen el dispositivo correcto e identifican las opciones apropiadas y la configuración para la aplicación. También envían una alerta si el instrumento no es compatible con el entorno de servicio especificado. 

Si es necesario, el usuario y el proveedor podrán visualizar simultáneamente el esquema de aplicación en tiempo real mientras discuten posibles cambios por teléfono. La aplicación elimina la posibilidad de opciones no coincidentes y otros errores comunes en la confección de las órdenes de compra. 

El uso de una herramienta de aplicación y validación en la nube también garantiza que los instrumentos que llegan al sitio estén preprogramados por la fábrica en base a la información provista durante el procedimiento de especificación online, eliminando así la necesidad de ingreso manual de datos con un dispositivo portátil o teclado. De esta manera, el trabajo de configuración se realiza una sola vez y los instrumentos quedan listos para su instalación inmediata ni bien lleguen al destino.

Si un instrumento llegara a fallar en el futuro, la fábrica o el servicio podrán recurrir a un diagrama original online para visualizar todos los parámetros de aplicación y servicio, y para ver dónde se encuentra instalado el instrumento, lo cual simplifica la resolución de un mal funcionamiento de los dispositivos, ahorra dinero y mejora la eficiencia.

 

Las nuevas tecnologías basadas en la nube permiten conseguir una considerable mejora en los resultados de un proyecto.

 

Importantes beneficios

En general, la nube puede ofrecer:

  • Un riesgo reducido de proceso;
  • Menor costo y trabajo de ingeniería;
  • Aumento en la eficiencia de proyecto;
  • Menos duplicación del trabajo de ingeniería;
  • Un menor número de errores de configuración.

El uso de un comisionamiento automatizado de dispositivos y herramientas de aplicación y validación de instrumentos online es casi imprescindible en los grandes proyectos, donde las ventajas son innegables:

  • Tiempo reducido de especificación;
  • Comisionamiento más rápido;
  • Facilidad de operación;
  • Menor costo de implementación.

Gracias a la ejecución en la nube, el personal de proyecto puede reconfigurar dispositivos de campo en funcionamiento y realizar cambios según necesidad sin afectar mayormente la infraestructura física. También se reduce la posibilidad de que se cometan errores costosos gracias a la capacidad de reelaborar cualquier etapa del proceso.

Para resumir, las nuevas tecnologías basadas en la nube permiten a los usuarios conseguir una considerable mejora en los resultados del proyecto. Estas herramientas pueden tener un rol clave para garantizar que los controles y la instrumentación planteen el menor riesgo para el programa y costo de un proyecto, promoviendo al mismo tiempo una puesta en marcha y operaciones seguras, eficientes y confiables.

 

Preparado en base a una presentación de Amol Chaubal, de Honeywell Process Solutions.

 

Gracias a la posibilidad de transmitir datos de vibración a través de redes wireless, el monitoreo continuo de equipos rotantes resulta más práctico y más económico.

Cuando la gente piensa en las instalaciones de proceso, tiende a pasar por alto equipos rotantes existentes y cuán crítico es su rol en la operación general de una planta (figura 1). 

 

Si, por ejemplo, una bomba, un compresor o algún otro dispositivo falla, puede tener un efecto serio en la producción. El hecho de que muchas bombas están configuradas como doble redundantes es una clara indicación de su importancia.

Shuji Yamamoto, de Yokogawa Electric Corp., hablando de la vibración, señala que hay una variedad de causas y que es uno de los mayores enemigos de los equipos rotantes. “Piense en una bomba típica accionada por un motor con un acoplamiento flexible. Si los ejes no están centrados en la misma línea, el acoplamiento podrá compensar la mala alineación pero es probable que introduzca vibración en la instalación. La vibración genera fuerzas perjudiciales en los cojinetes a bolillas, provocando un desgaste prematuro, lo que aumenta aún más la vibración global. Pasado un tiempo, el problema se acrecienta hasta que uno o más cojinetes fallan. Los sellos mecánicos de la bomba también podrán sufrir un daño e iniciarse una pérdida. No mucho tiempo después, será necesario parar la instalación y proceder a su reemplazo.”

Además de la vibración inherente que hay en todos los equipos rotantes, al menos a un cierto nivel, es posible que se transmita también vibración potencialmente dañina a través de la cañería y estructuras de soporte desde otra maquinaria que pueda haber en la unidad de proceso. La buena noticia es que, si bien la vibración no puede ser eliminada por completo, se la puede medir y analizar en la búsqueda de una acción correctiva.

Hay disponible sensores para caracterizar y cuantificar la cantidad de vibración y para capturar patrones característicos, muchas veces conocidos como firmas (signatures). Estos sistemas de monitoreo utilizan normalmente un sensor piezoeléctrico para generar y transmitir una señal proporcional a la vibración medida.

Los sensores de vibración y los correspondientes adquisidores de datos ya están disponibles desde hace años, pero los anteriores sistemas resultaban  costosos de instalar, limitando su implementación a los equipos rotantes de alto costo y críticos. En las demás instalaciones, los técnicos llevaban unidades portátiles para realizar inspecciones de planta de rutina y chequear manualmente cojinetes, sellos y otros puntos críticos. 

Según Yamamoto, los sistemas portátiles sofisticados pueden capturar información histórica y comparar instalaciones específicas en el tiempo, pero tales rondas también insumen tiempo y, en definitiva, son costosas. “Además,” comentó, “en plantas con un número mínimo de personal de mantenimiento y operaciones y equipos rotantes geográficamente dispersos, estas rondas se pueden demorar o saltear si surgen otras tareas más importantes.”

 

Ventajas del monitoreo continuo

A no ser una falla catastrófica de algún componente, los problemas de vibración no suelen avanzar demasiado en un período corto de tiempo. Se suele mencionar este criterio para respaldar la idea de inspecciones periódicas. “Desafortunadamente,” explicó Yama­moto, “los problemas de vibración pueden aumentar lentamente hasta llegar a un punto crítico, y luego más acentuadamente hacia la falla, todo lo cual podría ocurrir inevitablemente antes de la próxima inspección manual programada.”

El monitoreo continuo puede detectar esas situaciones cuando la curva de vibración comience a trepar aceleradamente hacia un punto de falla, informando a los técnicos acerca del mantenimiento requerido cuando todavía es posible responder preventivamente. El software puede identificar esas clases de movimientos y luego hacer sonar alarmas apropiadas a la urgencia de la situación y criticidad de los equipos.

De acuerdo a Yamamoto, el uso de sensores de vibración económicos hace que muchas instalaciones permanentes se puedan beneficiar de su aplicación a más equipos rotativos, cuando los costos del cableado de un sensor no han bajado. De hecho, en muchos casos, estos costos han subido. 

Al respecto, uno de los mayores avances tecnológicos de la última década ha sido el advenimiento de protocolos de instrumentación inalámbrica (wireless) eficaces y prácticos, tales como el protocolo ISA100 Wireless, y sensores capaces de comunicarse usando estos protocolos.

 

Programa de monitoreo de vibraciones

Las implementaciones de un programa de monitoreo de vibraciones suelen ser paulatinas,” explicó Yamamoto, “e implican elaborar una lista de instalaciones, comenzando con las más críticas. Dentro de este contexto, el término ‘crítico’ tiene una variedad de aspectos, donde lo más importante normalmente se refiere a la posibilidad de que se interrumpa la producción debido a una falla. Si el proceso no puede operar sin una determinada máquina rotante, por ejemplo una bomba, y no hay repuesto disponible para su reemplazo inmediato, la bomba es muy crítica, independientemente de su capacidad y costo.” La mayoría de las plantas están al tanto de esas instalaciones, en particular si han tenido un historial de problemas al respecto.

Sin embargo, los niveles secundarios y terciarios pueden volverse más complejos. Algunas empresas seleccionan en base al costo de los equipos. Al mismo tiempo, otras consideraciones, tales como dificultad de reparar o disponibilidad de repuestos, también entran en el tema, pero son más difíciles de cuantificar. En definitiva, es importante incluir una variedad de factores desde distintos puntos de vista a la hora de tomar tales decisiones.

También es importante seleccionar la plataforma adecuada de gestión de activos para recolectar y procesar los datos provenientes de toda la planta,” advirtió Yamamoto. “Al haber más información  disponible, las preguntas pasan por dónde ir y cómo se la debe usar. ¿Quién debería recibir las alarmas? ¿Mantenimiento? ¿Los operadores de la sala de control? Si una instalación altamente crítica está comenzando a mostrar signos de un problema, la sala de control quizás necesite ser informada si es necesario que actúen los operadores antes de que la situación requiera mantenimiento para reparar. Un sistema eficaz de gestión de activos puede manejar correctamente esta clase de situaciones.”

 

Monitoreo wireless de vibración

Yokogawa ha desarrollado un sistema de sensores y transmisores wireless diseñado específicamente para el monitoreo continuo de los distintos tipos de equipos rotantes que se usan en instalaciones de proceso.

El sensor de aceleración piezoeléctrico de Yokogawa es compacto y fácil de instalar cerca de los equipos (figura 2). Un cable conecta el sensor a un módulo de comunicación wireless montado en un lugar adecuado, donde no haya obstrucciones que puedan interferir con la propagación de la señal de radio de la unidad.

El sistema completo es autoalimentado con baterías ubicadas en el módulo de comunicación. Con una tasa de actualización de un minuto, un juego de baterías podría durar incluso hasta 10 años. Los datos son enviados a través de la red wireless al gateway del sistema. Si ya hay en uso otros dispositivos de campo wireless ISA100 en la instalación, los monitores de vibración pueden ser parte de la misma red, integrándose y comunicándose con el gateway pre-existente, igual que cualquier otro módulo de comunicación o sensor.

El sistema de monitoreo de vibraciones wireless tiene todas las especificaciones necesarias parea las funciones que se requieren en el monitoreo de condiciones (Tabla 1). Los datos de las unidades instaladas en la planta pueden ser enviados a un sistema de control o monitoreo para informar a operadores y personal de mantenimiento ante cualquier cambio de condiciones en los equipos que están siendo monitoreados.

El sensor piezoeléctrico de vibraciones puede medir velocidad y aceleración. La naturaleza de la vibración y el tipo de equipos definen qué método analítico es mejor a la hora de determinar la condición de salud de los equipos. Como regla empírica, cuando las frecuencias son bajas, lo preferible es medir velocidad, pero cuando aumenta la frecuencia, es mejor medir aceleración. El personal de planta determina la frecuencia de lectura y qué técnicas analíticas se deben usar para cada instalación. Los rangos de lo que se considera una vibración tolerable versus peligrosa están publicados en varias fuentes, pero lo recomendable para un componente dado de los equipos en cada planta se debe establecer en cooperación con el fabricante de los equipos.

El sensor puede enviar una nueva lectura cada 10 segundos; la necesidad de un tan rápido periodo de refresco es rara y es a costa de la vida de la batería,” explicó Yamamoto. “Pasar a una tasa de actualización de una vez por minuto puede extender considerablemente la vida de la batería, y todavía tener suficientes datos en la mayoría de las aplicaciones.”

Si se requiere un análisis más sofisticado, hay paquetes de software de terceros en el mercado que permiten observar patrones e identificar fuentes de vibración anormal. Este tipo de trabajo se realiza en el sistema central y no en los dispositivos individuales, y suele combinar señales de múltiples sensores desplegados en todos los equipos para detectar fuentes de posibles inconvenientes en forma anticipada, conforme se desgastan o deterioran los equipos.

 

Conclusión

Yamamoto considera que la industria de procesos se podrá beneficiar sustancialmente utilizando sensores económicos de vibración combinados con redes inalámbricas. “Trabajando en conjunto, las dos tecnologías ofrecen información crítica a los operadores y otros personal de planta para alertar de posibles problemas antes de que la planta sufra algún daño y perder producción. En algunas situaciones, evitar aunque sea una parada permite ahorrar suficiente dinero como para repagar la inversión del equipo de monitoreo instalado. Este enfoque es altamente flexible y escalable, ya que se puede comenzar en un área y luego ir expandiéndose cuando las necesidades y circunstancias lo permitan.”

 

Preparado en base a material suministrado por Yokogawa Argentina S.A. 

Este año será recordado como el año del crecimiento de IIoT. Después de muchas predicciones, distracciones e insinuaciones, IIoT ya ha llegado en 2017. Viendo los desarrollos que hay en la industria, se observan cada vez más estrategias de IIoT con inversiones en infraestructura, tecnología y aptitudes, a lo que se suman interesantes retornos de proyectos piloto.

Igual de importante es el advenimiento de soluciones completas que facilitan la implementación de IIoT y aceleran el retorno de la inversión. Con todos estos desarrollos positivos, se estima que IIoT estará presente en todas las instalaciones de manufactura en a lo sumo 10 años.

En una reciente encuesta realizada por KRC Research para Honeywell entre 200 ejecutivos de la industria de procesos, casi el 70% respondieron que tienen planes para invertir en recursos adicionales para IIoT y tecnología analítica de datos en 2017. Lo que impulsa este deseo es el valor estratégico y financiero acumulativo de sus problemas: paradas y pérdidas asociadas con eficiencia, personal inadecuado, producción fuera de especificaciones y ineficiencias en la cadena de suministro. Todo se suma…

IIoT es reconocido ahora por tener la capacidad de resolver cada uno de estos desafíos. De modo que la cuestión ya no pasa por ver si la Internet podrá transformar la industria de procesos, sino cuándo.

Una de las razones del creciente entusiasmo por IIoT tiene que ver con los poderosos datos que trae consigo. La mayoría de quienes respondieron a la encuesta piensan que la analítica de datos resolverá problemas de vieja data, tales como roturas de equipos, interrupciones no programadas de proceso y problemas de gestión de la cadena de suministro. Y señalan a las claras hacia adónde irán las inversiones e implementaciones de IIoT en 2017 y los años por venir.

 

 

Los primeros pasos

Como primer paso, muchos de los primeros en adoptar IIoT apuntaron a políticas de digitalización. Se lograron excelentes primeros resultados con ahorros de varios millones de dólares. Por ejemplo, empresas de procesamiento de minerales han podido centralizar su conocimiento del proceso y proveer soporte colaborativo en ubicaciones remotas; refinerías han aumentado la eficacia global de sus equipos en hasta 2%; empresas químicas han reducido inventarios y mejorado su capacidad de respuesta al cliente; y empresas papeleras han resuelto problemas a la hora de retener conocimientos clave.

Sin embargo, a pesar del éxito de estos proyectos piloto, queda un importante número de empresas que deberían acercarse a IIoT. La encuesta reveló que algunos todavía no piensan en seguir por este camino, ya que su estrategia no contiene analítica de datos o no tienen planes de invertir en analítica de datos en el próximo año.

Sus razones incluyen el hecho de no comprender los beneficios de la analítica de datos y no disponer de recursos adecuados, específicamente expertos en analítica de datos. Y lo que desconcierta, mientras estas empresas posponen decisiones acerca de IIoT, muchas están operando sus plantas con mayor dificultad que lo adecuado; la encuesta encontró que muchos de los encuestados se sienten presionados para seguir operando bajo la amenaza de una parada no programada y roturas de equipos a fin de maximizar las ganancias.

Estas empresas están batallando contra el tiempo y comenzarán a retrasarse respecto de sus competidores. El hecho de que muchos no se han acercado a IIoT resalta claramente la importancia de una educación continua en la industria. 

Al mismo tiempo, muchos piensan que IIoT requiere un cambio radical y completo en sus negocios. Pero no es tan así: se lo puede hacer en forma escalonada y respondiendo a las circunstancias de cada empresa. IIoT debe ser considerada como una evolución, no una revolución.

Una tendencia que quizás tenga una influencia positiva en aquellos que todavía no se han decidido por IIoT es la creciente colaboración entre proveedores, expertos en equipos y consultores para aportar soluciones tecnológicas conjuntas destinadas a facilitar y acelerar la adopción de IIoT y soluciones innovadoras a problemas anteriormente considerados como insolubles. ¿Se imagina la posibilidad de recolectar, exhibir, analizar y reaccionar a información de planta utilizando una solución virtualmente ya lista? ¿O se imagina conseguir la necesaria experticia en analítica de datos sin tener que contratar un plantel de científicos de datos?

Los foros de expertos basados en la nube tienen el potencial de brindar consejos y asistencia, cuándo y dónde se la necesite. Ofertas innovadoras y flexibles de este tipo ya son posibles hoy en día gracias a una cooperación más estrecha en la industria. Lo cierto es que ningún proveedor puede hacer todo, y algunos son mejores que otros en algunas cosas, de modo se necesitan uno del otro para derribar las barreras y diferencias que quedan, trabajando en conjunto para lograr que IIoT sea más accesible.

A pesar del escepticismo remanente, IIoT se encuentra en una posición muy distinta respecto del año anterior. Hay proyectos piloto por doquier y los primeros resultados son más que promisorios. La encuesta muestra que nos encontramos en el punto de inflexión hacia la adopción generalizada de IIoT.

 

Preparado en base a una presentación de Shree Dandekar, vicepresidente de Honeywell Connected Plant.

Industrial Internet of Things (IIoT) ofrece un enorme potencial para las instalaciones industriales de hoy en día. Las tecnologías compatibles con IIoT hacen que las operaciones sean más seguras, más confiables, eficientes, redituables y sustentables.

Una nueva generación de PLCs aporta ahora una plataforma abierta lista para IIoT que aprovecha mejor los datos de toda la infraestructura de planta. El uso del estándar OPC UA (Unified Architecture) permite la integración segura de una amplia gama de instrumentos, equipos y software a través de toda la empresa industrial. Al mismo tiempo, la comunicación abierta interoperable multinivel y multiplataforma soporta flexibilidad y estandarización con menos hardware.

A continuación se describe de qué manera las soluciones de PLC listas para IIoT y embebidas con la comunicación abierta OPC UA y tecnologías robustas de ciberseguridad optimizan la integración con activos de múltiples proveedores en aplicaciones tanto de proceso como discretas.

 

Conceptos básicos

Introducidos por primera vez en los años ’60, los PLCs son computadoras digitales destinadas al control de procesos electromecánicos. Tienen un rol clave en la automatización industrial, operando a nivel de piso de planta o de fábrica, y se los utiliza normalmente para implementar control lógico, estrategias de control regulatorio y lógica de seguridad. 

Los PLCs se encuentran normalmente en campos de petróleo, refinerías, HVAC, industrias alimenticia, farmacéutica y siderúrgica. Prácticamente no hay aplicación de control que no contenga un PLC.

Igual que cualquier otra tecnología, los PLCs siguen creciendo y convirtiéndose en mejores herramientas y cada vez más eficientes. La funcionalidad de estos controladores ha evolucionado para incluir ahora conexión en red, capacidades avanzadas de manejo de datos y varias tecnologías Internet. La compatibilidad con múltiples protocolos brinda una excelente flexibilidad de comunicación con una amplia gama de equipos vía una variedad de medios.

 

Figura 1. El PLC ControlEdge de Honeywell funciona como controlador y también como dispositivo de borde que aporta conectividad a IIoT.

 

Advenimiento de nuevas tecnologías

IIoT, junto con la iniciativa Industrie 4.0, representa una de las tendencias más importantes en tecnología de automatización. Una combinación de innovaciones en computación y comunicación está revolucionando la manera de interactuar de usuarios y máquinas, como así también la forma de vincularse una máquina con otras.

A la vanguardia de la infraestructura de información de planta impulsada por IIoT están los dispositivos de borde o gateways inteligentes, que incluyen la última generación de PLCs. Además de proveer control, estos dispositivos pueden, de manera segura, recolectar, acumular, filtrar y enviar datos, aprovechando su cercanía con procesos industriales o activos de producción. También son capaces de colaborar con poderosas herramientas analíticas, detectando anomalías en tiempo real y emitir alarmas de modo que los operadores puedan actuar de manera apropiada.

Un PLC listo para IIoT ofrece la ventaja de optimizar operaciones y las eficiencias de mantenimiento, liberando al personal de los procesos manuales. Brinda todos los atributos que los sistemas abiertos han prometido históricamente: conectividad segura, fuerte integración con dispositivos de múltiples proveedores, fácil configuración, operaciones eficientes y un mantenimiento reducido.

Además, una plataforma lista para IIoT permite el acceso más directo a aplicaciones basadas en la nube con fines de visualización y otras tareas cruciales. Esta capacidad, junto con un menor número de gateways, se traduce en una mayor protección de la inversión y un mantenimiento más fácil, y, por lo tanto, un menor costo y menos riesgo.

 

Los últimos desarrollos en tecnología de PLC

Seguridad

Las brechas de seguridad en los sistemas de control pueden llevar a daños significativos. Es por esta razón que los proveedores de automatización han desarrollado PLCs listos para IEC 62443 e ISA99 con ciberseguridad incorporada que mejoran el cumplimiento y la disponibilidad, además de reducir el riesgo.

   Como características novedosas se puede mencionar la capacidad de arrancar en forma segura para evitar la carga de un software no autorizado, un firewall incorporado y un ciclo de vida de desarrollo seguro, certificado para garantizar que la seguridad esté ya incorporada desde el comienzo. 

   La comunicación del PLC queda asegurada utilizando IPsec para impedir ataques MITM (man-in-the-middle) y un acceso no autorizado. 

Por su parte, ISCI (ISA Security Compliance Institute) ha desarrollado el programa de certificación ISASecure EDSA (Embedded Device Security Assurance), que reconoce la integridad de un producto PLC y de su ciclo de vida de desarrollo, e incluye pruebas rigurosas de la robustez de comunicación, evaluación de la seguridad funcional y evaluación de la seguridad de desarrollo del software.

 

Flexibilidad

Los cambios de último momento pueden afectar severamente el programa en proyectos de automatización. Para abordar este problema, los proveedores de control recurren a PLCs que emplean Universal I/Os para conseguir capacidad de configuración remota y flexibilidad ante un cambio de diseño con el fin de mejorar la implementación de proyectos. 

   Gracias a Universal I/Os, todo el gabinete se convierte en un componente estándar, con canales de E/S rápidamente configurables que permiten que los módulos puedan servir como analógico o digital o como entrada o salida.

   Es posible acomodar rápidamente cambios tardíos de configuración en forma remota con un simple cambio de configuración de software. Además, una amplia solución de gestión de activos vía diagnósticos de dispositivos HART integrados ofrece un comisionamiento rápido y exacto de dispositivos de campo y diagnósticos simplificados, lo que se traduce en menos idas al sitio. La combinación de esta solución con el estándar abierto HART IP significa flexibilidad de diseño y protección de las inversiones ya existentes.

 

Integración

La mayoría de las plantas contiene sistemas de control provenientes de distintos proveedores, lo que se suma al costo y riesgo general. Dentro de este contexto, las empresas se podrán beneficiar de una solución que integre fuertemente sus plataformas de DCS y PLC. Esta estrategia también mejora la implementación de proyectos y el mantenimiento a largo plazo.

   Los usuarios pueden aprovechar una HMI común, conseguir un comisionamiento más rápido de los dispositivos de campo y mejorar los diagnósticos de dispositivos. Más aún, características como integración nativa par a par con el controlador DCS mejoran los programas de proyecto y reducen el tiempo de mantenimiento con mapeo de variables basado en nombres. 

La autoconfiguración de puntos reduce el tiempo que se necesita para construir nuevas o actualizar estrategias existentes de control. También es posible minimizar las paradas y el costo total de propiedad gracias a un soporte unificado del DCS y del PLC. Esta sinergia se espera que se extienda a todo el ciclo de vida del sistema. 

 

Conectividad

Una pobre conectividad hace difícil extraer datos de los distintos dispositivos y sistemas, en especial cuando se utilizan protocolos propietarios. Los PLCs con tecnología OPC UA embebida ofrecen un acceso unificado a datos en entornos con múltiples proveedores. OPC UA es también amigable con la Internet y brinda conexiones seguras con la nube.

 

Migración

Es normal que los proveedores de automatización traten de proteger continuamente las inversiones de sus clientes facilitando actualizaciones con la más reciente tecnología de control. Gracias a la disponibilidad de herramientas de migración versátiles, los usuarios finales podrán seguir un camino de migración fluido en pos de soluciones avanzadas de PLC cuando llegue su momento.

 

Rol del estándar OPC UA

A pesar de lo que prometen IIoT e Industrie 4.0, estas iniciativas contemporáneas introducen un gran número de tecnologías de comunicación e información en el mundo de la automatización, lo que se traduce en complejidad. Dentro de este contexto, para implementar estrategias avanzadas de automatización de manera eficiente y tan rápidamente como sea posible, es importante reducir su complejidad mediante estandarización.

Lanzado por primera vez por OPC Foundation en 1996, OPC es un estándar global para el intercambio seguro y confiable de datos en automatización industrial y otros campos. Esta tecnología independiente de la plataforma estandariza la comunicación de datos de proceso adquiridos, registros de alarmas y eventos, datos históricos y datos de lotes, a sistemas de empresa de múltiples proveedores y entre dispositivos de producción.

La actual generación del estándar OPC, nos referimos a OPC UA, es una suite de tecnologías destinadas al intercambio de datos entre distintos sistemas de control en diferentes capas de control de una manera estandarizada. El protocolo proporciona soluciones para conectar dispositivos de campo con sistemas de mayor nivel y aplicaciones en entornos complejos de manufactura.

OPC UA ha sido reconocido recientemente como el protocolo de comunicación preferido para IIoT. Al dejar de depender sólo de la tecnología de sistema operativo de Microsoft, OPC UA ofrece una arquitectura adecuada para la era de Internet, que brinda modernos medios de transporte, tecnologías de seguridad y especificaciones de datos y transacciones.

Con OPC UA, los requerimientos de Industrie 4.0 en cuanto a independencia de los sistemas de comunicación de un fabricante, de una industria o de una compañía se cumplen en su totalidad.

Al mismo tiempo, muchas instalaciones industriales tienen equipos ya existentes, que también pueden ser integrados para usar sus datos mientras se preservan las inversiones iniciales.

Algunos proveedores utilizan ahora el estándar abierto OPC UA embebido directamente en el propio PLC como cliente y servidor. Por ejemplo, el PLC ControlEdge de Honeywell, como su nombre lo indica, es al mismo tiempo un controlador y un dispositivo de borde que habilita la conectividad con IIoT. 

Esto se consigue aprovechando el protocolo OPC UA de conectividad e integración con una gran variedad de productos, incluso activos Honeywell, tales como la plataforma avanzada de automatización Experion. 

Los usuarios tienen la flexibilidad de elegir entre interfaces mientras se simplifica la integración con una amplia gama de sistemas y dispositivos.

 


Figura 2. Para que las organizaciones industriales puedan implementar estrategias avanzadas de automatización de manera eficiente y tan rápidamente como sea posible, es importante reducir la complejidad mediante estandarización.

 

Beneficios

Los beneficios específicos de esta implementación incluyen:

  • Conectividad estandarizada y segura dentro de la estructura de planta;
  • Independencia de plataforma y de fabricante;
  • Flexibilidad para cumplir con los requerimientos de digitalización;
  • Comunicación a través de todos los niveles sin gateways o hardware adicional:
  • Uso de una sola red desde automatización al nivel de IT;
  • Integración de instrumentos, equipos y software de terceros.

Gracias a recientes avances, los programadores de PLCs pueden enviar información directamente desde controladores a otros dispositivos, sistemas y aplicaciones de empresa. 

Al mismo tiempo, las plataformas de PLC embebidas con OPC UA logran que la digitalización sea una realidad al utilizar estándares informáticos abiertos y simplificar la arquitectura integrada de planta con comunicaciones directas a sistemas de empresa.

 

Razones para tener

un sistema integrado

Las organizaciones industriales buscan maximizar el retorno de la inversión asegurándose de que sus activos de automatización sean escalables, a prueba del futuro, adherir a estándares abiertos y poder integrar sin contratiempos los activos existentes, evitando tener que ‘sacar y reemplazar’ la infraestructura actual.

La experiencia ha mostrado que combinar sistemas de control de un mismo proveedor, como en el caso de Honeywell, que usa OPC UA para integrar su ControlEdge y Experion DCS, facilita la coordinación al tener menos equipos y acceso directo al conocimiento de sistema, lo que acelera la puesta en marcha, el comisionamiento y la solución de problemas. 

Además, se logran beneficios operacionales con una HMI común en todas las aplicaciones de sistema. 

Una solución integrada aporta diagnósticos pre-elaborados, un resumen integrado de alarmas, historización, tendencia y reporte en una sola infraestructura de automatización.

Trabajando con empresas que ofrecen soluciones tanto con DCS como con PLC, los usuarios podrán simplificar las operaciones de proceso instalando equipos con un ciclo de vida común y una conexión de integración altamente confiable versus una interface personalizada. Este método integrado proporciona importantes ahorros de costo en el ciclo de vida, requiere menos ingeniería y brinda una mayor confiabilidad.

 


Figura 3. Las plataformas de PLC embebidas con OPC UA hacen que la digitalización sea una realidad al simplificar la arquitectura integrada de planta utilizando comunicaciones directas con los sistemas de empresa.

 

Conclusión

Iniciativas como IIoT, Industrie 4.0 y otras, emplean la comunicación como elemento clave, lo que significa eficiencia a la hora de combinar sistemas inteligentes, sensores y actuadores. 

Los controladores diseñados para operar como dispositivos de borde habilitados por IIoT conforman una plataforma abierta que permite a los usuarios aprovechar datos provenientes de sus activos para reducir paradas no programadas y evitar productos fuera de especificaciones.

Una nueva generación de PLCs que emplea el protocolo OPC UA mejora el uso de las comunicaciones del piso de planta a nivel de empresa y tiene un rol importante en las aplicaciones de IIoT, lo cual es clave para lograr interoperabilidad entre múltiples proveedores y múltiples plataformas a la hora de mover datos e información del mundo embebido a la nube de la empresa.

 

Preparado en base a una presentación de Swapnil Adkar, gerente de comercialización de Honeywell Process Solutions.

La medición de nivel por radar no se detiene en su avance y van surgiendo constantemente nuevos modelos con novedosas características. Hemos usado frecuencias de radar de 6 GHz, luego de 26 MHz y de repente saltamos a 80 GHz! Recientemente, para agregar más suspenso al tema, aparece Endress+Hauser hablando de 113 GHz…

Antes que nada, vamos a disipar algunos mitos. Primero, de la misma manera que el láser para sistemas de comunicaciones de fibra óptica ha hecho posible el uso de sistemas ópticos infrarrojos en analizadores de gases de proceso o que la tecnología de teléfono móvil ha aportado el hardware en los primeros sistemas de medición de nivel por radar, las versiones de 80 GHz son el resultado de una tecnología de medición introducida en el mercado a raíz de investigaciones en sistemas de medición de distancia y sensores de estacionamiento utilizados en los coches modernos. Los proveedores tomaron los sensores y chipsets para desarrollar un nuevo producto industrial y luego trataron de encontrarle las mejores aplicaciones – en este caso, las únicas que podrían beneficiarse de 80 GHz.

Segundo, Endress+Hauser no tiene un sistema de 113 GHz, sino que es tan sólo un ‘gancho’ para promover su posición en el mercado de sensores de medición de nivel por radar. 

Endress+Hauser hace hincapié en una ‘competencia completa en radar de 113 GHz’, que es la suma de las diferentes frecuencias que usan sus distintos sensores… Estas frecuencias son 1, 6, 26 y 80 Hz.

 

¿Por qué tantas frecuencias?

Posiblemente, la mejor explicación acerca de las frecuencias adecuadas para cada aplicación se encuentre en ‘Engineer’s Guides’ de Rosemount, donde los dispositivos se dividen, para generalizar, en baja, media y alta frecuencia.

Las señales de radar se atenúan, o sea hay una pérdida de intensidad, a medida que atraviesan el aire o el vapor que se encuentra por encima del líquido. Las altas frecuencias resultan más severamente afectadas que las menores frecuencias. Cuando el aire contiene gotas de humedad, vapor o líquido (por rociado o llenado), la atenuación es mayor. En aplicaciones con sólidos, las partículas de polvo tienen el mismo efecto. Por lo tanto, el radar de baja y media frecuencia es la mejor alternativa en caso de presencia de polvo o humedad. 

A menores frecuencias, la longitud de onda es mayor (30-50 mm), de modo que las ondulaciones superficiales en un tanque tienen un efecto reducido. A mayores frecuencias, las ondulaciones superficiales y la espuma sobre la superficie pueden ser un problema. En cambio, las longitudes de onda más cortas de las unidades de alta frecuencia (4 mm) ofrecen una operación exacta en aplicaciones de corto alcance, por ejemplo en tanques de pequeño tamaño. 

Las unidades de mayor frecuencia pueden tener una construcción de sensor de menor tamaño, de modo que la unidad sea más fácil de instalar. El ángulo del haz es más angosto, por lo que se las puede destinar a un blanco con un área de menor tamaño y, en consecuencia, pueden ser posicionadas más fácilmente para evitar las obstrucciones en un tanque. Pero también puede ser una desventaja, ya que las instalaciones necesitan ser exactamente verticales y toda turbulencia de la superficie durante llenado o agitación puede hacer que se pierda la señal por momentos en tanques de mayor tamaño. 

Al leer estos comentarios, es importante recordar que Emerson no ofrece todavía una unidad de 80 GHz, por lo que, naturalmente, sus consideraciones se refieren a unidades de baja y media frecuencia. Los proveedores de unidades de alta frecuencia (Vega, Krohne y Endress+Hauser) señalan que, en muchos tanques de almacenamiento de líquido, la superficie no se altera, ya que factores como espuma, turbulencia y ondulaciones importantes (>2 mm) causadas por llenado o transferencia de líquido sólo provocan una interferencia de corta duración. Sumando el pequeño tamaño de la antena y la prestación en pequeños alcances, se puede ver que las unidades de 80 GHz son de gran utilidad en recipientes y tanques de proceso de menor tamaño.

 

Tipos de sistemas de radar

Hay dos tipos de sistemas de radar: radar de onda guiada (GWR por sus siglas en inglés) y radar de espacio libre. Los sistemas GWR utilizan una barra conductora, o similar, que va dentro del líquido, trabajando muchas veces en un tubo tranquilizador adosado al tanque de proceso principal. Estos sistemas operan con bajas frecuencias de microondas y son independientes de la turbulencia y espuma en la superficie. Son recomendables para mediciones de alcance más corto y medición de interfase entre líquidos, como así también en grandes alcances.

Los sistemas de radar de espacio libre se montan desde el tope con nada en el tanque; algunos pueden operar a través de ventanas no conductoras en el techo del tanque. Los sistemas de baja y media frecuencia, por lo general, transmiten una señal de pulso y miden la distancia al líquido por medio del retardo de tiempo del pulso que retorna. 

Los sistemas de alta frecuencia (80 GHz) usan una medición de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW según sus siglas en inglés), donde se barre la frecuencia de transmisión y se mide la diferencia de frecuencia de la señal retornada para evaluar la distancia. La técnica FMCW también se utiliza en algunos sensores recientes de 26 GHz.

Los sistemas de radar pueden transmitir sus datos de medición usando 4-20 mA, sistemas de fieldbus con HART, fieldbus Foundation, PROFI–BUS PA y Modbus, o sistemas wireless como Bluetooth. Los sistemas de radar pulsado de baja y media frecuencia operan generalmente con una interface bifilar; algunos de los sistemas FMCW requieren más energía y usan una conexión de alimentación aparte.

 

Preparado por el Departamento Técnico de Editorial Control

¿Se puede usar la tecnología wireless para mejorar la seguridad de planta? La respuesta es un rotundo SI. Sin embargo, no hay que olvidarse que cada tecnología wireless se adapta mejor a determinados tipos de aplicaciones, y esto más que cierto en aplicaciones de seguridad. También depende del tipo particular de aplicación de seguridad.

En consecuencia, antes que nada, tenemos que ver qué tipo de aplicaciones de seguridad resultan adecuadas y tangibles para usar tecnología wireless.

El comité ISA84 fue creado para desarrollar estándares y reportes técnicos relacionados con el uso de sistemas E/E/PES (Electrical/Electronic/Progra­mmable Electronic Systems) en aplicaciones de seguridad de proceso. Dentro de este contexto, el Grupo de Trabajo 8 (WG8) de ISA84 y el comité ISA100 cooperaron para abordar la tecnología wireless en aplicaciones de seguridad; a tal fin, elaboraron el Reporte Técnico, “Guía y Aplicaciones de Tecnología de Sensores Wireless a Capas de Protección Independientes No-SIS.

Este Reporte Técnico ofrece una guía y consideraciones que los usuarios deberán tener en cuenta a la hora de aplicar e implementar tecnologías de sensores wireless en procesos y Capas de Protección Independientes (IPL) No-SIS (Sistemas Instrumentados de Seguridad). La recomendación no está destinada al uso de wireless como SIF (Función Instrumentada de Seguridad).

Al mismo tiempo, el Reporte Técnico indica claramente que “un sistema wireless es lo suficientemente robusto como para cumplir con los requerimientos de una IPL No-SIS.” En consecuencia, aplicaciones industriales como monitoreo y control de procesos, monitoreo y analítica de la salud de activos, y alertas y alarmas relacionadas con la seguridad, resultan adecuadas para la tecnología wireless. 

Hoy en día, el uso top de wireless en aplicaciones de seguridad tiene que ver con alertas y alarmas de seguridad. Estas aplicaciones incluyen detección de gas, prevención de incendios, detección de nivel, duchas de seguridad, etc.

Para soportar aplicaciones que contienen alertas y alarmas relacionadas con la seguridad, se requiere una comunicación wireless de alta confiabilidad y alta disponibilidad. Esto significa que la comunicación wireless debe ser capaz de soportar un método de comunicación relacionado con la seguridad, por ejemplo IEC 61784-3, disponer de suficiente control en el entorno de implementación y aceptar los parámetros correctos en los ajustes y configuraciones de red derivados durante los exámenes del sitio y trabajo de comisionamiento. A continuación se describen algunos de los requerimientos críticos para redes wireless en aplicaciones de seguridad.

Calidad de Servicio poniendo límites al ancho de banda, latencia y prioridad

La Calidad de Servicio (QoS) es muy importante a la hora de administrar eficazmente el tráfico de red, especialmente en redes wireless de área local alimentadas por batería. La QoS establece una prioridad para los paquetes de datos enviados desde dispositivos al servidor en base a su servicio y aplicaciones.

En el campo, no todos los sensores son igual de importantes. Incluso el mismo tipo de sensor puede tener una distinta prioridad de acuerdo a su servicio y aplicaciones. Es clave controlar la QoS para priorizar los distintos tipos de tráfico de datos desde sensores y también redes.

En caso de datos relacionados con la seguridad, es importante asignar prioridad y reservar ancho de banda para garantizar una baja latencia en comparación con otros tipos de datos. 

ISA100 Wireless tiene dos niveles de prioridad: prioridad de mensaje y prioridad de contrato. Es una característica decisiva a la hora de soportar aplicaciones relacionadas con la seguridad.

 

Latencia y disponibilidad

Las aplicaciones de seguridad requieren un sistema wireless altamente disponible y altamente confiable con una latencia manejable, baja y determinística, que también estabiliza la vida de la batería.

La latencia de datos en una red de sensores wireless es el tiempo que transcurre entre la adquisición de un valor de medición y la entrega de ese dato a un gateway a través de la red wireless. El porcentaje del valor recibido dentro del tiempo de respuesta requerido se puede medir por cada dispositivo o para el sistema en su totalidad.  

Un alta disponibilidad significa patrones de comunicación que ofrecen tiempos de respuesta rápidos con poca o ninguna pérdida de paquetes. También requiere equilibrio con el tiempo de vida de la batería en aplicaciones wireless e intervalos largos de mantenimiento con poca o ninguna deriva entre los intervalos de prueba.

Una alta confiabilidad significa ausencia de alarmas falsas y poder utilizarse en aplicaciones SIL. 

A fin de conservar la latencia de la red, la tecnología wireless debe soportar múltiples topologías y, en especial, topología estrella.

La topología mesh auto-organizable puede resultar muy complicada a la hora de predecir el retardo. No es recomendable para aplicaciones de seguridad. En consecuencia, tener un solo sistema wireless significa soportar flexibilidad y mezclar distintos tipos de topologías en función de las necesidades de cada aplicación. 

Para ampliar la disponibilidad, se recomienda un camino de red redundante; a tal fin, ISA100 Wireless incorpora la característica ‘Duocast’.

 

Interoperabilidad

En todas estas aplicaciones, es importante tener un protocolo de seguridad de punta a punta capaz de soportar la comunicación de dispositivos de múltiples proveedores en un solo sistema (interoperabilidad) dentro de un entorno de arquitectura abierta. Una arquitectura abierta en capas debe obedecer a la metodología OSI (Open Systems Interconnection) de ISO/IEC. 

Esta metodología OSI divide la comunicación en siete capas abstractas en base a las funciones de comunicación:

  • Capa Física
  • Capa de Enlace de Datos
  • Capa de Red
  • Capa de Transporte
  • Capa de Sesión
  • Capa de Presentación
  • Capa de Aplicación

Lo que se busca es soportar la interoperabilidad de distintos sistemas de comunicación con varios protocolos estándar.

Cada capa le sirve a la capa de arriba y a la capa de abajo. Cada capa está diseñada funcionalmente independiente, de modo que, ante un cambio de tecnología en cualquiera de las capas, la capa de arriba o de abajo se ve afectada poco o nada.

Puesto que la industria de control de procesos opera con numerosos protocolos de aplicaciones ya existentes, el concepto de capas independientes es esencial tanto hoy como lo será mañana. 

Un buen ejemplo es la tecnología ISA100 Wireless, que es capaz de soportar PROFIsafe como aplicación en el tope de la infraestructura de comunicación de ISA100.


Figura 1. Diagrama de un sistema wireless de detección de gas que utiliza el concepto de canal negro para soportar el protocolo de seguridad PROFIsafe sobre ISA100 Wireless.

 

Seguridad – integridad y comunicación wireless encriptada

El estándar ISA100 Wireless ofrece importantes características de seguridad, tales como autenticación, verificación (chequeo de integridad, TAI), encriptado, control de acceso, gestión de claves, etc.

Estas características protegen contra sniffing, alteración de datos, spoofing, ataque de replay, ataque de enrutamiento y ataque de denegación de servicio (DOS). 

Por lo general, en wireless, hay que lidiar con dos aspectos de DOS: interferencia no intencional (coexistencia) e interferencia intencional (ataque de denegación de servicio).

Los métodos estratégicos comunes se extienden a través de una modulación de espectro, usando enrutamiento redundante, lista negra de canales, protocolo LBT (Listen Before Talk) (en ISA100, esta característica es configurable), diagnósticos basados en la intensidad e indicador de la señal de radio, diagnósticos de la calidad de datos, y también diagnósticos de red. Dentro de este contexto, ISA100 Wireless incorpora la capacidad de CCA (Clear Channel Assessment) para mitigar la potencial interferencia de otra tecnología wireless o, algunas veces, del entorno. 

 

Red bien diseñada

Es muy importante seguir la mejor práctica recomendada por el fabricante a la hora de diseñar y desplegar una red de sensores wireless.

Algunos puntos que deben ser tenidos en cuenta incluyen:

  • Siempre usar rangos de comunicación conservadores y diseñar la red con un amplio margen;
  • Especificar tasas las de reporte correspondientes a cada sensor en base a la capacidad de la batería del dispositivo y del router, la capacidad del canal wireless y la capacidad de la infraestructura;
  • Profundidad del salto de control;
  • Redundancia del camino de diseño;
  • Evitar cuellos de botella;
  • Utilizar herramientas de despliegue y simulación de red;
  • Documentación, etc.

Puesto que la mayoría de los datos de sensores consumen energía, el diseño de la red  también afecta en mucho la vida de la batería en una red mesh auto-organizable. Se deben evitar cuellos de botella de comunicación, lo que mejora considerablemente la alimentación por batería y permite predecir su vida útil.

 

¿Se puede usar la tecnología wireless para mejorar la seguridad de planta? Por supuesto que sí.

 

Ejemplo de una aplicación exitosa

Esta aplicación utiliza la tecnología ISA100 Wireless en un sistema de detección de gas (figura 1). Con esta tecnología, Draeger desarrolló un novedoso detector de gas wireless con certificación SIL2, que fue utilizado por Yokogawa para crear el primer sistema de detección de gas wireless en el mundo con certificación SIL2. El sistema utiliza el método de canal negro para soportar PROFIsafe sobre ISA100 Wireless.

El principio del canal negro incluye tres aspectos principales: 

  • Es independiente del método de comunicación; 
  • Cubre todo el camino de comunicación desde el sensor al gateway utilizado para soportar PROFINET;
  • Protege por eventuales fallas en la comunicación según SIL.

Si se lo usa en un entorno SIL, se requiere un mecanismo de manejo de errores para abordar el protocolo relacionado con la seguridad que corresponde; de esta forma es posible mitigar distintos errores, tales como repetición, supresión, inserción, resecuenciado, corrupción de datos, retardo, direccionamiento, etc. Hoy en día, la combinación de ISA100 y PROFIsafe ha alcanzado este estatus.

Preparado en base a una presentación de Penny Chen, de Yokogawa.

 

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