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.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

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.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

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.

 

Soluciones wireless para medición de tanques 

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.

 

Soluciones wireless para medición de tanques

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.

Las técnicas de medición de caudal siguen creciendo y evolucionando con nuevos métodos, tales como caudalimetría ultrasónica multihaz, magnética y Coriolis, a expensas de tecnologías más tradicionales, tales como placas orificio, vertederos y otras técnicas basadas en presión diferencial.

El uso ampliado de estas nuevas tecnologías se debe en parte a la mayor capacidad de los microprocesadores y sensores, lo que permite incorporar mediciones imposibles de realizar sin las mejoras logradas en estas áreas. Otra razón para su adopción es que, en la mayoría de los casos, también ofrecen una mayor exactitud y rangeability que las tecnologías de presión diferencial.

Sin embargo, la mayoría de estas técnicas de medición de caudal tienden a requerir más energía que la caudalimetría de presión diferencial, de modo que no resultan adecuadas para su implementación como dispositivos wireless.

Un experto en estándares internacionales comentó recientemente que su empresa pudo encontrar sólo una batería adecuada para sus transmisores wireless que tenga 10 años de vida útil. Esto, por supuesto, con recarga periódica.

Otras baterías recargables tienden a tener ‘memoria’ y otros problemas que se traducen en una vida operativa cercana a los cinco años.

Un tema importante a la hora de usar wireless para medición de caudal es la dinámica del proceso en sí. La mayoría de los lazos de caudal, especialmente para líquidos (fluidos incompresibles), tienen tiempos de respuesta de proceso muy cortos, muchas veces en el orden de los segundos, a diferencia de los lazos de temperatura y nivel, que tienden a ser mucho más largos (posiblemente mensurables en minutos). Por lo tanto, si se usara un sensor wireless para control de caudal, haría falta como mínimo una tasa de actualización rápida para el transmisor, lo que lleva, por supuesto, a una vida corta de batería.

Dentro de este contexto, sería bueno desarrollar una máquina de movimiento perpetuo y recolectar cierta energía a partir de distintos caudalímetros para mantener o cargar las baterías. Por ejemplo, si la barra de desprendimiento de vórtices de un caudalímetro vortex, o la paleta o turbina en otros medidores de caudal, o si las pulsaciones en un medidor de desplazamiento positivo pudieran accionar alguna forma de bobina sin afectar la medición propiamente dicha, quizás quede eliminado el tema de la energía en estos medidores.

Una manera de abordar el problema del tiempo de respuesta es aumentar la capacidad del dispositivo de caudal, incorporando la posibilidad de funcionar como controlador de caudal de un solo lazo o autocontenido. En este caso, el lazo de control sólo requiere la transmisión de la salida al elemento de control final y HMI remota cuando sea necesario un tal cambio, que no es probable que se dé cada ciclo de sensado o actualización (suponiendo que el sistema de control puede aceptar algún grado de banda muerta en la señal).

Si la banda muerta no es aceptable, tener el transmisor actualizando el sistema de control con fines de historia y medición cada ciclo y la salida directamente al dispositivo ‘según necesidad’ es una situación mucho más compleja que operar con diferentes tasas de actualización de un dispositivo en función del tipo de datos.

Una alternativa a las actualizaciones en cada ciclo que puede tener aceptación es utilizar la opción de totalización según la tasa de actualización del sistema de control, lo que, sin embargo, corre el riesgo de perder granularidad de los datos en bruto.

Con todas estas características, el transmisor se acerca a la visión de Open Process Automation (OPA) en lo que hace a un nodo de control de dispositivos (DCN) y a un controlador de campo SCADA RTU monitoreado y controlado (es decir, cambiando el setpoint) remotamente desde la estación de control central.

Por lo general, un sistema SCADA incluye wireless pero, de nuevo, con ciclos de actualización más largos y necesidad de inteligencia en el campo.

Como ya lo aclaramos anteriormente, monitoreo versus control afecta directamente el diseño del sistema. La aparentemente simple elección de monitoreo versus control o transferencia de custodia incide no sólo en el tipo de sensor requerido, sino también en la manera en que ese dispositivo interactúa con el sistema de control y otros dispositivos dentro del sistema de control.

Aun cuando todo esto sea cierto para otras tecnologías más, no sólo medición de caudal, el efecto es más pronunciado en caso de lazos de control rápidos como el de caudal, independientemente de lo que se intente hacer para superar los principios básicos y la razón por la cual se instala el sistema.

 

Preparado por Ian Verhappen, gerente senior de proyectos de automatización en CIMA.

Monitor wireless de gases tóxicos Rosemount 928.

 

Ya van más de 10 años desde el advenimiento de los primeros transmisores wireless presentados por Emerson. Después de una década de liderar tecnologías wireless para la industria, Emerson pronostica otros 10 años de crecimiento exponencial en la adopción de aplicaciones de wireless y Pervasive Sensing destinadas a maximizar la seguridad y la confiabilidad, optimizar la producción y habilitar la implementación de estrategias de IIoT (Industrial Internet of Things). 

Wireless industrial y Pervasive Sensing conforman la tecnología digital que permitirá a la industria acceder a datos esenciales que servirán para tomar mejores decisiones y mejorar tanto las operaciones como la seguridad.

Wireless quizás sea la tecnología que más impactó en la industria desde la aparición de la instrumentación digital hace más de treinta años,” comentó Bob Karschnia, vicepresidente de wireless de Emerson Automation Solutions. “En los últimos 10 años, la tecnología wireless industrial, combinada con sensores inteligentes, ha aportado la base para soportar aplicaciones basadas en la nube, monitoreo remoto e IIoT en la próxima década.”

 

Colaborando con sus clientes en las primeras instalaciones, Emerson logró introducir el primer estándar de automatización wireless industrial en el mundo en 2007. A la fecha, Emerson ha sobrepasado 10 mil millones de horas de operación wireless a través de más de 32.000 redes, aportando confiabilidad, robustez y seguridad.

Si bien la adopción inicial tenía que ver con entornos severos, remotos y de difícil alcance, la tecnología wireless ha extendido su ámbito de implementación para automatización desde funciones básicas, tales como de monitoreo de variables de proceso, a nuevas aplicaciones, tales como monitoreo acústico, detección de corrosión y monitoreo de consumo de energía. Las nuevas plantas aprovechan la tecnología wireless en aplicaciones a nivel de empresa, tales como monitoreo de la salud de equipos y gestión de energía. 

Teniendo en cuenta los nuevos precios del petróleo y el foco puesto en obtener más valor a partir de los activos existentes, las empresa apuntan cada vez más a wireless como tecnología de costo económico y altamente eficiente para optimizar el desempeño de toda la instalación,” agregó Karschnia. “En los próximos 15 años, las plantas podrían llegar a ser 100% wireless, como lo son muchos hogares hoy en día que han dejado atrás el servicio telefónico cableado.”

En los últimos 10 años, Emerson introdujo una amplia gama de sensores, aclaró Peter Zornio, director de tecnología en Emerson Automation Solutions. “La tecnología wireless es un aspecto sumamente importante de Pervasive Sensing, ya que los sensores wireless son fáciles de implementar y mantener y también fáciles de conectar y comunicarse con ellos,” explicó Zornio.

Zornio describe el concepto de Pervasive Sensing como una generación completa de sensores que se diferencian de las mediciones tradicionales en plantas de proceso por su capacidad de soportar directamente aplicaciones en otras áreas, tales como seguridad, gestión medioambiental, energía y confiabilidad. Esta red cada vez más robusta de tecnologías de sensado y automatización está conformada por más de 50 dispositivos wireless y capacidades de medición wireless de temperatura, presión, corrosión y energía.

 

Transmisor wireless de radar de onda guiada Rosemount 3308.

 

La familia Pervasive Sensing incluye ahora capacidades de sensado de gases peligrosos, la posibilidad de extender datos cableados a una red wireless y sensado de nivel.

Emerson presentó recientemente un nuevo monitor wireless de gases tóxicos Rosemount 928. “Este sensor wireless de gas puede monitorear gas sulfhídrico tóxico en cabezales de pozos, parques de tanques y otras ubicaciones remotas,” señaló Zornio. “Permite eliminar tareas del personal en áreas peligrosas. Antes, un trabajador tenía que ingresar en un área para determinar si había gas tóxico. Una red permanentemente instalada de sensores que monitorean la presencia de gas tóxico mejora la seguridad global de una instalación en aplicaciones consideradas hasta ahora como demasiado costosas y difíciles de monitorear.”

Otra mejora es la certificación a prueba de explosión en Estados Unidos y Canadá del adaptador Wireless THUM. Es un dispositivo que puede ser adosado a todos los dispositivos HART existentes de dos, tres y cuatro hilos y convertirlos en dispositivos wireless. Extrae una pequeña cantidad de la energía del lazo desde el dispositivo, permitiendo su montaje dondequiera en la instalación y facilitando la visibilidad de las áreas peligrosas.

Emerson también lanzó el transmisor de radar de onda guiada (GWR) wireless Rosemount 3308 para el monitoreo continuo de nivel e interfase, rediseñado para alcanzar una exactitud de ± 3 mm. “Este GWR mantiene alejada a la gente de los tanques,” explicó Zornio. “Hay muchas áreas en la industria de petróleo y gas donde se debe salir al exterior y medir tanques en forma manual. No es algo muy seguro trepar y bajar de tanques o trabajar cerca de un gas peligroso. Esta instrumentación de nivel exacta y confiable ayuda a evitar estos peligros asociados con la medición de tanques.”

Los precios del petróleo, los altos costos de exploración y el cumplimiento estricto de regulaciones medioambientales obligan a la industria de petróleo y gas a adoptar una política más agresiva para implementar automatización a fin de optimizar procesos en pos de mayores ganancias en productividad, economía de costos y contención de emisiones.

En el pasado, los trabajadores recorrían el yacimiento de petróleo para monitorear manualmente métricas de operaciones, tales como niveles de tanques, caudal de petróleo y posición de válvulas. La automatización y la conectividad ofrecen buenas oportunidades para implementar soluciones más inteligentes en la gestión de yacimientos de petróleo y proceso. 

Cuando se piensa en introducir controles automatizados en la industria de petróleo y gas, los sistemas wireless de monitoreo y control tienen la capacidad de seguir, gestionar y conectar automáticamente activos diferentes y remotos para mejorar operaciones y reducir costos. 

Estos sistemas de control con sensores wireless permiten a los operadores estar informados acerca del estado en tiempo real de caudalímetros y bombas, presiones en cabezales de pozos, niveles en tanques y emisiones, además de facilitar una mejor utilización de los equipos y el cumplimiento de las regulaciones medioambientales vigentes.

Además de automatizar la recolección de datos, estos sistemas remotos de telemetría están configurados para interrumpir operaciones o alertar a operadores en el momento en que los parámetros llegan a umbrales programados. Los datos históricos pueden aportar tendencias para una mejor gestión de los activos, por ejemplo garantizar que los tanques de almacenamiento nunca se rebalsen o que las bombas operen en sus niveles óptimos.

Con un sistema wireless remoto de monitoreo y control, los operadores pueden seguir las condiciones en forma remota, resolver problemas, cambiar parámetros de monitoreo y detener operaciones específicas desde la comodidad de una computadora remota. 

Por ejemplo, en una exploración upstream, las compañías deben gestionar y disponer el agua producida desde los pozos. Un método de disposición es despachar camiones para vaciar los tanques de almacenamiento. Monito­reando los caudales de cada pozo y teniendo en cuenta las capacidades de los tanques de almacenamiento, un operador podrá anticipar cuándo programar la tarea de vaciado de los tanques.

 

Cableado versus wireless

Si bien la industria de petróleo y gas usa predominantemente sistemas cableados que conectan sensores a un sistema de recolección de datos, los sistemas wireless de monitoreo remoto probaron ser el método más económico y versátil en instalaciones existentes que se encuentran en las ubicaciones hostiles y de difícil alcance de los yacimientos de petróleo. 

El uso de telemetría wireless remota para el monitoreo de caudalímetros ofrece importantes ventajas respecto de sus contrapartes cableadas:

  • El electricista no necesita tender alimentación, cables o ductos, lo que simplifica la instalación y la configuración del medidor.
  • La ausencia de requerimientos de cableado reduce costos.
  • El operador puede fácilmente redestinar un medidor a un nuevo proceso sin preocuparse por cómo retornan las señales al sistema de control.
  • Ante protocolos de comunicación que cambian sin cesar, los operadores pueden actualizar cada dispositivo del sistema a HART, Modbus u otro protocolo intercambiando el gateway en lugar de cada dispositivo.

 

Sin cables

Una importante ventaja de usar un sistema wireless es que no requiere cables. Un sistema cableado requiere el tendido de cables para conectar distintos puntos finales. De acuerdo a la ubicación del sistema cableado, tender conductos en grandes áreas puede volver prohibitivo el costo de una red cableada. Además, si un sistema cableado de monitoreo requiere reparación o reconfiguración, se necesita un nuevo cableado para completar la tarea.

Los sistemas wireless remotos de monitoreo y control simulan la arquitectura de un sistema cableado usando enlaces en lugar de cableado para transmitir datos. Por ejemplo, en una aplicación de monitoreo de nivel de tanques, común en la industria de petróleo y gas, los radio nodos alimentan y reciben datos de los sensores de nivel ubicados en el tanque sin necesidad de cables o líneas de alimentación. Los nodos transmiten los datos a un gateway que los formatea en cuanto a accesibilidad por medio de un PLC en una sala de control o a través de una conexión de Internet.

Un sistema wireless tiene un costo competitivo con los sistemas cableados, que implican requerimientos costosos de instalación. Además, es posible configurar y testear sistemas wireless, junto con sus sensores, en entornos controlados, lo que reduce el trabajo in situ en 50 a 70%.

Opera en una gran variedad de terrenos y entornos

La mayoría de los yacimientos de petróleo y gas incluyen muchos kilómetros de terreno accidentado y entornos difíciles que complican el acceso de los operadores y muchas veces lo torna peligroso. Los sistemas wireless remotos de monitoreo y control correctamente especificados pueden operar en condiciones difíciles, territorios accidentados y también sobre rutas, vías de agua, edificios u otras estructuras que suelen limitar la conectividad cableada.

Las radios de un sistema wireless remoto de sensado soportan transmisiones robustas de datos en bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) sin licencia a través de distintos terrenos, estructuras y climas, y continúan operando durante años sin verse afectados por elementos climáticos. Un sistema wireless remoto de monitoreo y control para operación en áreas peligrosas también puede trabajar en entornos cáusticos o explosivos.

Puesto que los sensores y otros componentes no están conectados físicamente, los sistemas wireless pueden aguantar las descargas eléctricas que destruyen los sistemas cableados. Si un rayo llegara a golpear un sensor en un sistema cableado, los efectos se propagan a lo largo del cable, muchas veces destruyendo los equipos adosados. Las redes wireless aguantan mejor los rápidos cambios que se producen en los campos eléctricos en caso de descargas eléctricas. Mientras nada sobrevive a una descarga eléctrica directa, un sistema wireless en ese caso sólo pierde un activo y no toda la red.

 

Acepta multiples y variados sensores

A la hora de monitorear distintos parámetros en la misma red, un sistema cableado necesita que cada sensor esté cableado al controlador y conectado a un puerto de interface. Las redes cableadas de mayor tamaño podrían necesitar un panel considerable con distintos tipos de interfaces. 

Un sistema wireless ofrece una interface de comunicaciones digitales (4-20 mA, Modbus RS485, HART) que permite conectar múltiples sensores al controlador en un solo puerto sin el gasto de tener un conducto. Un módulo de interface Ethernet puede reunir información del gateway en una red Wi-Fi local para acceso local o en un modem que conecte la Internet y un proveedor de servicio de nube. 

Además, un sistema wireless versatil de monitoreo y control es agnóstico en cuanto al sensor, lo que le permite al usuario implementar una red completamente wireless usando los mejores sensores. Por ejemplo, algunas aplicaciones implican el monitoreo de diversos parámetros (presión, nivel, temperatura y caudal) de distintos activos. Otras requieren sensores específicos para abordar las condiciones particulares de cada aplicación.

La conectividad inalámbrica resuelve el problema de mezclar múltiples tipos de interface de sensor para que puedan coexistir dentro de la misma red y proveer nodos con distintas interfaces de sensor. Los operadores pueden agregar o sacar rápidamente sensores según necesidad para medir distintos parámetros. La red lleva los datos de diferentes sensores a un punto único con una sola interface de datos.

Puesto que los sensores representan una parte importante del uso de energía, los sistemas wireless permiten reducir los costos de energía al ponerlos en el modo de reposo desconectándolos o colocando todo el sistema wireless de telemetría en un estado de baja energía y ‘despertándolos’ según un programa o iniciados por un evento.

 

Soluciones wireless SignalFire.

 

Gran escalabilidad

En los yacimientos de petróleo, la distancia de las comunicaciones puede ser importante. Los gateways robustos de un sistema wireless remoto de monitoreo aceptan cientos de nodos transceptores, lo que permite que la red cubra una gran área geográfica y se puedan lograr comunicaciones a grandes distancias entre activos ampliamente desperdigados. 

Antes de elegir un sistema wireless remoto de monitoreo y control, hay que estar seguros de que se respetan todos los requerimientos operativos. Muchas soluciones inalámbricas comerciales no pueden operar en entornos peligrosos. Algunos fabricantes requieren sensores específicos. Si bien el costo es un factor, se trata tan sólo un ítem a la hora de elegir un sistema de control de sensores wireless capaz de abordar las necesidades de operación hoy y en el futuro.

 

Soluciones wireless SignalFire

A la hora de agregar mediciones en una planta existente o instrumentar un nuevo sitio remoto (playa de tanques, batería de producción, separador, puente de inyección, etc.), la instrumentación inalámbrica es indudablemente una alternativa a considerar.

Esta tecnología se ha vuelto muy atractiva gracias a importantes ventajas, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc. 

La solución SignalFire está basada en una arquitectura tipo malla o “mesh”, que se denomina SFRSS (SignalFire Remote Sensing System). La arquitectura incorpora 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 un modo de muy bajo consumo y, en un intervalo configurable, transmiten la información a la red.  Esto permite lograr una autonomía de varios años, disminuyendo los costos de mantenimiento del sistema. En caso de que se necesite una frecuencia de refresco de la información muy alta, es posible alimentar el dispositivo de campo con un panel solar, también apto para áreas clasificadas.  

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

Toda la información de los dispositivos se concentra en un gateway, que ofrece comunicación Modbus RTU o TCP hacia el sistema de control de la planta, PLC, RTU o radio de largo alcance.

 

Esquema de la configuración de un sistema wireless remoto de monitoreo y control. Los nodos transmiten los datos recolectados de manera inalámbrica desde los sensores y los envían a un gateway que formatea la información en cuanto a accesibilidad por medio de un PLC en un centro de control o conexión de Internet a través de una laptop. Con gateways que aceptan hasta 10.000 nodos, una red wireless de control de sensores puede cubrir un área geográfica de cientos de kilómetros cuadrados.

 

Solución realmente económica

Muchos usuarios han intentado implementar una solución inalámbrica como WirelessHART o ISA100 pensando tan sólo en los ahorros que iban a conseguir en la instalación, pero llegando tristemente a la conclusión de que dichos ahorros no eran tales luego de considerar los altos costos de los dispositivos de campo (mayores a los de un transmisor convencional), del gateway y, en algunos casos, de las licencias de software necesarias.

Pero los ahorros se notan desde la implementación del sistema, ya que el precio de un dispositivo de campo inalámbrico es similar al de uno convencional con salida 4-20 mA + HART mientras el costo del gateway se justifica rápidamente con los ahorros logrados en mano de obra, cableado y todos sus accesorios (zanjeo, cañeros, bandejas, soportes, cajas de paso, borneras, selladores, terminaciones, etc.). 

El software SignalFire Toolkit, que permite la configuración de los dispositivos de campo y de los gateways, se entrega y actualiza en forma gratuita.

 

Integración con otros sistemas

Cada sistema está compuesto por un gateway con comunicación Modbus (RTU o TCP), y los dispositivos wireless asociados (hasta un máximo de 240 por cada gateway). 

Cada dispositivo de campo debe configurarse 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 la red inalámbrica.

Por lo tanto, para que el sistema de la planta pueda leer un valor, sólo tiene que interrogar al esclavo correspondiente (por ejemplo, al ID del sensor de presión instalado en la bomba) y preguntar por la variable de proceso.

 

Transmisión confiable, robusta y segura

Una red de tipo mesh garantiza la transmisión de datos entre dispositivos de campo activos y el gateway a través de un gran número de caminos posibles.  

De esta forma, ofrece un altísimo nivel de confiabilidad, ya que, con cada nuevo dispositivo instalado, se crea un camino para la transmisión de la información, aumentando así la robustez de la red.

Otro mecanismo destinado a garantizar la seguridad de la solución es la posibilidad de encriptación de los datos transmitidos. Al respecto, SignalFire permite la configuración de una clave para encriptar los datos, garantizando que la informacion no pueda ser interceptada o modificada.

La información que los dispositivos de campo reportan al gateway incluye parámetros de diagnóstico, por ejemplo el nivel de la batería, la calidad de la señal inalámbrica y otros valores que pueden usarse para detectar fácilmente problemas de comunicación o programar un mantenimiento preventivo.

 

Preparado con el asesoramiento del Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería de Aplicaciones, Esco Argentina S.A.

El modelo wireless SMARTDAC+ de 920 MHz de Yokogawa ofrece comunicación inalámbrica en la banda de 920 MHz, mientras conserva las características de las series GX/GM, tales como excelente operabilidad, flexibilidad y capacidad de expansión de la configuración del sistema. La función de comunicación inalámbrica permite el monitoreo y registro centralizados de datos provenientes de puntos de medición distribuidos en el campo sin necesidad de cableado.

Como principales características se pueden mencionar:

 

Excelente conectividad

No hay necesidad de obtener licenciamiento para usar la banda de 920 MHz, que fue abierta para comunicaciones inalámbricas en 2012. Las ondas de radio en esta banda tienen un excelente alcance (aproximadamente 1 km con una línea clara de visión) y capacidad de evitar obstáculos. En consecuencia, esta banda es adecuada para construir redes que cubren múltiples pisos en un edificio.

Para mejorar la capacidad de comunicación, este modelo utiliza tecnología multisalto que ofrece múltiples rutas de comunicación. Comparando la calidad de comunicación entre las distintas unidades wireless, esta tecnología selecciona el camino óptimo de comunicación.

Cuando la comunicación inalámbrica se interrumpe temporariamente en un camino debido a una pobre recepción u otras razones, la comunicación multisalto garantiza una comunicación estable a través de otro camino. 

 

Ampliado con funciones originales de SMARTDAC+

• Cumplimiento de FDA 21 CFR Parte 11 – Ya desde el comienzo, los modelos GX20/GM10 cumplen con esta regulación que rige en la industria farmacéutica. Sus modelos wireless pueden manejar de manera flexible cambios en la disposición del piso. También pueden realizar el monitoreo y el registro centralizados de datos provenientes de puntos de medición distribuidos para lograr conformidad con FDA 21 CFR Parte 11. Cada dispositivo cliente puede ser configurado para guardar datos en caso de que se pierdan datos durante la comunicación inalámbrica.

• Funciones de comunicación para IoT – GX20/GM10, que son las unidades principales que facilitan el monitoreo y registro centralizados, aceptan varios estándares de comunicación, entre los cuales se destaca OPC UA, que es la infraestructura de comunicación para Industrie 4.0. Esta función de comunicación hace posible la configuración de un subsistema que reúne datos wireless desde unidades cliente (sensores) y los envía al sistema host.

¿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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