Ampliar la recolección de datos de borde con instrumentos multivariable

Midiendo múltiples variables se consigue abundancia de datos en aplicaciones de IIoT.

 

Ampliar la recolección de datos de borde con instrumentos multivariable
Figura 1. Algunos caudalímetros DP agregan un sensor para medir la temperatura del fluido de proceso.

 

Un beneficio poco reconocido de la instrumentación avanzada de procesos es su capacidad de medir más de una sola variable. Por ejemplo, un transmisor de presión puede entregar una lectura de temperatura.

Sin embargo, esto no ocurre con todos los instrumentos, ya que algunos tienen más capacidades que otros. Cuánto más simple es el instrumento, como los utilizados para medir temperatura, menor es la cantidad de variables. En cambio, instrumentos complejos como los caudalímetros de presión diferencial (DP) suelen medir o inferir múltiples variables de proceso.

Estas variables secundarias, terciarias o de mayor orden provienen de una variedad de fuentes. Algunas se consiguen simplemente por compensación de la medición primaria. Por ejemplo, muchos sensores que miden presión (piezorresistivos, capacitivos y otros) requieren compensación por temperatura, de modo que el transmisor debe incluir un sensor de temperatura interno como factor de ajuste.

En otros casos, incorporando un tipo diferente de sensor, se consigue ampliar la capacidad y la versatilidad de un instrumento.

 

Para compensar

Según lo ya mencionado, los elementos de sensado pueden verse afectados por las condiciones de operación. Por ejemplo, un sensor piezorresistivo que se usa en un instrumento de presión entrega una señal diferente a 10°C y a 80°C. El transmisor debe tener un sensor interno para determinar la temperatura del sensor de presión a fin de ajustar correctamente la lectura.

Ahora bien, ¿cómo se puede implementar esta lectura de temperatura en la práctica? Primero, el fabricante del instrumento debe proveer una lectura compensatoria del propio sensor de presión, por lo que el sensor de temperatura debería estar ubicado para que pueda capturar ese valor, aun cuando esa temperatura quizás no refleje el proceso. Puede servir en algunos casos, pero el sensor de presión suele estar a cierta distancia del fluido del proceso y correctamente aislado. La lectura de temperatura simplemente podría monitorear el interior de la carcasa del transmisor. Alguien que use la lectura de temperatura deberá saber de dónde viene y qué representa.

 

Variables como información

En algunos casos, los instrumentos están destinados a conseguir una variedad de información, por lo que se insertan uno o varios sensores en el medio de proceso para alcanzar el mayor grado de exactitud. Veamos un ejemplo específico.

Los caudalímetros de presión diferencial (DP) representan la tecnología más común para la medición de caudal. El concepto es simple: al colocar una obstrucción (el elemento primario) en el camino de un flujo de fluido, se genera una caída de presión proporcional al volumen de fluido que circula a través del elemento primario. Un transmisor DP mide la caída de presión, y su electrónica convierte dicha caída de presión en una lectura de caudal. Esta es la variable primaria del transmisor, pero ¿qué otras mediciones se pueden realizar?

Los transmisores multivariable tienen sensores adicionales en un único transmisor. Hay colocado un sensor de presión adicional dentro del módulo transmisor para medir la presión de línea. En lugar de enterarse de que la presión diferencial es de 0,2 bar, esta medición adicional permite conocer la presión de los lados aguas arriba y aguas abajo del elementos primario.

Además, los transmisores multivariable pueden tomar lecturas de los sensores de temperatura. Estas lecturas de proceso se pueden usar como valores individuales sin necesidad de colocar transmisores de presión o temperatura separados en la misma línea.

Calcular el caudal sólo requiere conocer la presión diferencial. Esto podría ser suficiente, pero muchas veces un punto de medición de caudal requiere compensación de más de 25 parámetros, incluyendo densidad, viscosidad y coeficiente de descarga.

El factor crítico en la compensación de estos parámetros es la temperatura. Obtener lecturas exactas de la temperatura de proceso requiere un sensor de temperatura en el lugar correcto (Figura 1), que en la mayoría de las circunstancias significa otra penetración en el proceso. Un caudalímetro DP puede incorporar el sensor de temperatura como parte de su instalación, lo que asegura una lectura exacta en la medición confiable de caudal másico.

 

Ampliar la recolección de datos de borde con instrumentos multivariable
Figura 2. Utilizando lecturas directas desde un caudalímetro DP combinadas con las características conocidas del fluido de presión y los datos de configuración, es posible calcular una variedad de valores, incluso caudal másico.

 

Incorporar características que ya se conocen

Cuando es posible medir presión diferencial, presión de línea y temperatura de fluido, estos tres valores pueden ser combinados con los datos correspondientes a la configuración del transmisor (Figura 2). Por su parte, el personal de planta puede aportar información sobre el tipo de fluido, configuración del elemento primario y tamaño de línea al transmisor, lo que permite calcular una variedad de mediciones de proceso, tales como:

  • Caudal másico;
  • Caudal volumétrico;
  • Flujo de energía;
  • Flujo totalizado.

Estas mediciones pueden ser generadas por un solo instrumento con una sola salida primaria. Si se instalara un instrumento sofisticado en un entorno de E/Ss analógicas convencionales, los operadores sólo obtendrían una sola variable, o sea caudal, y nada más que eso. Pero mirando la pantalla local del transmisor, se podría visualizar una indicación de lo que realmente está ocurriendo dentro del transmisor. Pasando de variable a variable, se podría ver valor de caudal, lectura de presión diferencial, temperatura y tal vez presiones de línea de acuerdo a como haya sido configurado el transmisor. Esto es lo que representa una oportunidad perdida.

 

Capturar datos suplementarios

Un técnico que intenta interactuar con los instrumentos de proceso existentes en la mayoría de los entornos se enfrenta a un claro desafío. Los instrumentos de campo que se comunican con un sistema de control distribuido (DCS) por medio de lazos analógicos 4-20 mA convencionales no interactúan fácilmente con los protocolos de redes IIoT. Quizás pueda acceder a un instrumento específico a través del DCS o historizador conectado. Sin embargo, si la infraestructura de E/Ss del DCS es de vieja data, se vería limitado a simples lazos analógicos.

Entonces, ¿cómo hace un instrumento multivariable, por ejemplo el caudalímetro DP, para enviar sus datos adicionales a un sistema host?

La manera más fácil es a través de un protocolo de fieldbus de proceso digital, por ejemplo fieldbus Foun­dation. Los protocolos pueden enviar fácilmente enormes cantidades de información, al menos en términos de volúmenes de datos generados por los instrumentos de campo, lo cual, según los estándares de informática, sigue siendo bastante poco. Un caudalímetro DP puede enviar una, dos o más variables a través de la señal de fieldbus, y el sistema host puede manejar todos los datos e información. Llegar al sistema host usando protocolos IIoT, por ejemplo EtherNet/IP, debería ser manejable y sencillo.

Una segunda solución, casi tan fácil como un fieldbus, que depende del DCS, es usar E/Ss habilitadas por HART. Si el DCS tiene menos de 10 años, podría estar equipado con E/Ss inteligentes capaces de leer información HART superpuesta sobre la señal 4-20 mA convencional. Esta señal HART puede ser detectada y decodificada por el sistema host, revelando los datos adicionales enviados por el instrumento. Para la planta que tenga instalado este tipo de E/S, extraer los datos adicionales es similar a cómo lo hace un sistema de fieldbus, aun cuando el ancho de banda disponible con HART sea menor, por lo que la información no circulará con tanta rapidez.

Desafortunadamente, algunas de las nuevas plataformas de DCS no incluyen E/Ss habilitadas para HART.

Si no están disponibles ni fieldbus ni HART, las posibles soluciones se vuelven más complicadas. Algunas plantas superan las limitaciones de las E/Ss convencionales incorporando multiplexores HART, donde un único dispositivo captura datos HART de un grupo de instrumentos, escaneándolos  en secuencia. Las limitaciones de ancho de banda lo convierten en un proceso lento, inadecuado para el monitoreo de variables que cambian rápidamente.

 

Ampliar la recolección de datos de borde con instrumentos multivariable
Figura 3. El adaptador WirelessHART se monta en la carcasa de un transmisor y envía datos a través de una red WirelessHART de mayor tamaño. No es necesario interrumpir las conexiones cableadas.

 

La simplicidad de wireless

Si no se dispone de las E/Ss sofisticadas mencionadas, agregar un adaptador WirelessHART (o usar un transmisor WirelessHART nativo) posiblemente sea la mejor interface para conseguir datos de proceso, tanto simples como multivariable, en un entorno IIoT. El adaptador (Figura 3) se monta en la carcasa de un transmisor y puede enviar datos a un gateway Wireless­HART sin interrumpir la conexión cableada al sistema host. Puesto que WirelessHART es digital, el gateway puede convertirlo a Ethernet u otro protocolo, por ejemplo Modbus RTU. La mayoría de los instrumentos habilitados para HART pueden ser configurados para priorizar variables según necesidad.

El uso de WirelessHART resuelve tanto los problemas de captura multivariable como de conversión analógica a IIoT, lo que permite a los usuarios maximizar la versatilidad de la instrumentación y la capacidad de conexión en red, incluso en un entorno ya existente. El resultado es una instalación de fácil acceso usando tecnologías y protocolos IIoT.

 

Preparado en base a una presentación de Connor Oberle, de Emerson Automation Solutions.

 

© 2018 Editorial Control. Desarrollado por Estudio Pionero.