Transmisores inteligentes para sensores inteligentes

La integración de tecnologías digitales lleva a transmisores inteligentes y luego a sensores inteligentes.

 

Los instrumentos de proceso consisten de dos componentes principales: un sensor y un transmisor. Algunas veces, el sensor forma parte del conjunto del instrumento, como ocurre con algunos instrumentos de presión, pero lo más común es que esté separado, tal como ocurre con los instrumentos analíticos, por ejemplo para medir pH.

Antes de que los sensores pudieran volverse inteligentes, los transmisores tenían que incorporar inteligencia adaptando tecnologías digitales. No resultaba práctico, y a veces ni siquiera posible, conectar un sensor digital inteligente a un simple transmisor analógico.

La instrumentación industrial ha progresado considerablemente desde los años ’70, cuando la gran mayoría de los instrumentos simplemente tenían una sola salida de 4-20 mA o 0-20 mA (analógica) proporcional a la variable de proceso. Algunos sensores también tenían la capacidad inherente de medir distintas variables de proceso, pero requerían múltiples salidas analógicas para acceder a esta información adicional. Con un transmisor analógico y una sola salida analógica, las variables secundarias quedaban abandonadas, al igual que los datos relacionados con la configuración o la salud del instrumento. La variable de proceso estaba relegada a una señal analógica dedicada transmitida desde el instrumento a través de dos hilos a un indicador o sistema de control, con una configuración multidrop.

Para trabajar con estos instrumentos se necesitaba acceso directo al dispositivo y ajuste manual por parte del personal de mantenimiento. Lo que faltaba en este entorno era información sobre el instrumento en sí o sobre las variables secundarias del proceso, por ejemplo temperatura desde un sensor de pH.

 

El advenimiento de HART

A comienzos de los años ’80, los proveedores de instrumentos se dieron cuenta del enorme potencial de la tecnología digital en instrumentación. Había una gran cantidad de datos útiles contenidos en un instrumento, incluso otras variables medidas del proceso, datos de configuración del dispositivo, límites de alarma, tiempo de operación, condiciones operativas, información de diagnóstico y una amplia gama de datos de salud del dispositivo.

Obtener estos datos de un instrumento permite optimizar el uso del dispositivo y, en última instancia, mejora el desempeño del proceso, por lo que las comunicaciones HART surgieron como una de las primeras vías para acceder a estos datos abandonados y conformar un instrumento inteligente.

La tecnología digital HART facilitó la comunicación con un instrumento analógico utilizando una señal de comunicación digital (Bell 202) transmitida a través de los mismos dos hilos que la salida analógica. Esta señal digital aportó comunicaciones bidireccionales entre el instrumento y un host sin interrumpir la salida, lo que hizo posible el acceso a una variedad de datos. Con HART, el personal podía hablar con el instrumento y configurar u obtener diagnósticos, todo mientras realizaba una o más mediciones de proceso en tiempo real.

Al mismo tiempo, hubo avances en el desarrollo de otras tecnologías digitales que se transmitirían a través de autopistas de comunicación dedicadas, cada una ofreciendo ventajas específicas. Fueron surgiendo varias tecnologías de fieldbus, tales como EtherNet/IP, fieldbus Foundation, PROFIBUS y Modbus, las que, hoy en día, conforman la mayoría de las nuevas aplicaciones de comunicaciones fieldbus.

De manera similar en cuanto a las comunicaciones digitales wireless, la gran variedad de tecnologías quedaron en definitiva reducidas a dos: ISA100 y Wireless­HART.

 

La tecnología digital se expande

El hecho de aceptar que los instrumentos contenían una enorme cantidad de datos valiosos que podían ser comunicados bidireccionalmente entre instrumentos y sistemas de control modificó drásticamente la forma en que las empresas operaban un proceso y gestionaban activos, impulsando una rápida expansión de la tecnología digital en el entorno industrial. Hay muy pocos instrumentos hoy en día que no sean inteligentes, al menos hasta cierto punto. Desde los años ’80 a 2000, las tecnologías digitales de comunicación fueron ingresando en los mercados industriales y hoy en día aportan importantes ventajas.

Casi en simultáneo fueron evolucionando las redes informáticas de oficina. En 1989 nace en CERN el primer prototipo de Internet, que, con el tiempo, llevó a la implementación de World Wide Web. Con las computadoras conectadas en red y la Internet se consigue coordinación e integración habilitadas por la Internet en toda la cadena de valor, sin importar la ubicación geográfica.

Esta integración habilitada por la Internet también ha mejorado el acceso a los datos de proceso desde el punto de medición hasta el nivel de sistema de negocio y más allá. No sólo permite visualizar datos de proceso críticos para la operación de un proceso, sino también acceder a esta información clave de los activos.

Hoy en día, la informática básica ya está embebida profundamente en productos industriales y de consumo masivo, formando parte de IoT. El control de procesos migró de la neumática a la eléctrica analógica y luego a las sofisticadas comunicaciones digitales que se extendieron a la Internet. La mayoría de los instrumentos inteligentes de hoy en día (Figura 1) se conectan fácilmente con los sistemas de comunicaciones digitales y, en algunos casos, contienen servidores web y puertos Ethernet para conexión directa a la Internet.

Los instrumentos inteligentes pueden adquirir tantos datos que necesitan una interface digital de alta velocidad para enviar todos estos datos. Por ejemplo, hay algunos caudalímetros Coriolis que pueden detectar simultáneamente múltiples valores de proceso medidos, lo que incluye caudal másico, caudal volumétrico, densidad, concentración y temperatura. Además de estas variables medidas, la electrónica incorporada monitorea el desempeño del instrumento y reporta el estado y valores de diagnóstico.

Luego de la amplia aceptación de los instrumentos inteligentes, principalmente por incorporar las características antes mencionadas en el  transmisor, siguieron los sensores inteligentes.

 

Transmisores inteligentes para sensores inteligentes
Figura 1. La información puede ser comunicada ahora de manera bidireccional entre instrumentos y sistemas de control, lo que mejora considerablemente la operación de un proceso y la gestión de activos. El transmisor Liquiline de Endress+Hauser es un ejemplo y se comunica a través de EtherNet/IP, Modbus RS485, TCP, PROFIBUS DP y HART, como así también un servidor web.

 

Los sensores inteligentes mejoran las operaciones

Puesto que la información digital reside en el sensor y es comunicada al transmisor, es posible realizar diagnósticos de salud y comunicar el estado del sensor y la salud del transmisor a los sistemas host en tiempo real.

Los diagnósticos en tiempo real y los datos de la salud del sensor permiten al personal gestionar mejor la operación de los sensores. La necesidad de limpiar y calibrar el dispositivo puede ser gestionada de manera proactiva, en lugar de hacerlo de manera reactiva. De hecho, algunos sensores inteligentes pueden determinar por sí mismos si realmente necesitan limpieza y calibración.

Por ejemplo, los ciclos de calibración en sensores de temperatura estándar para servicio crítico son cada 6 a 12 meses. Esto requiere que un técnico retire el sensor, lo lleve a un laboratorio para calibración y luego volver a instalarlo. En cambio, se puede usar un sensor de termorresistencia (RTD) para determinar si se necesita calibración en procesos de esterilización in situ (SIP) (Figura 2).

En los procesos SIP se utiliza vapor a 121°C para esterilizar los equipos. El sensor emplea un material de referencia con un punto Curie de 118°C. Cuando el proceso SIP llega a 118°C, el sensor de referencia envía una señal. Simultáneamente, el sensor RTD mide la temperatura. La comparación entre estos dos valores permite determinar si el sensor de temperatura necesita calibración. Si ambos sensores leen un valor suficientemente cercano a 118°C, el sensor RTD sigue estando calibrado.

Otro ejemplo de diagnósticos en tiempo real y datos de salud del sensor es un sensor de conductividad de cuatro polos (Figura 3). Este sensor emplea cuatro conductores para medir la conductividad y su diseño de cuatro polos le permite operar en un mayor rango de medición que los sensores conductivos de dos polos. Utiliza tecnología de sensor digital en el cabezal del sensor para digitalizar la señal de medición y obtener una gran cantidad de información de desempeño y diagnóstico.

Una función de diagnóstico que hace que este sensor sea particularmente inteligente es la supervisión de la conexión de los electrodos, que se encarga de monitorear la conexión entre electrodos y electrónica. Si hay un error de conexión, se envía un mensaje de error al transmisor para notificarle al usuario acerca de un problema de conexión en el sensor.

 

Transmisores inteligentes para sensores inteligentes
Figura 2. El sensor RTD TrustSens de Endress+Hauser chequea su calibración en cada operación SIP.
Transmisores inteligentes para sensores inteligentes
Figura 3. La tecnología permite ahora tener diagnósticos en tiempo real y datos de la salud del sensor embebidos en los sensores. Por ejemplo, el sensor de conductividad de cuatro polos CLS82D de Endress+Hauser incorpora diagnósticos inteligentes.

 

Acceso a sensores inteligentes

El personal de mantenimiento en muchas plantas de proceso se ve ante una creciente necesidad de tecnologías digitales, por ejemplo acceso remoto a un instrumento más allá del sistema de control. Utilizando comunicaciones digitales, especialmente a través de una red Ethernet industrial, un instrumento puede convertirse en una ‘cosa’ en IIoT.

Algunos transmisores digitales más sofisticados incorporan un servidor web, lo que permite el acceso debidamente autorizado desde cualquier dispositivo conectado a la Internet y capaz de alojar un navegador web, por ejemplo un teléfono inteligente (Figura 4).

En estas aplicaciones, Modbus y EtherNet/IP son dos de las principales redes para acceso local a instrumentos inteligentes desde sistemas host. Los hosts comunes son sistemas de control y sistemas de gestión de activos.

 

Transmisores inteligentes para sensores inteligentes
Figura 4. El técnico puede conectar un teléfono inteligente a un instrumento, por ejemplo un caudalímetro de Endress+Hauser, y acceder al medidor a través de su servidor web integrado. El mismo procedimiento se puede usar para acceder desde una PC remota o tableta.

 

Modbus es un protocolo abierto maestro-esclavo serie que puede ser integrado en un instrumento. El maestro solicita información y los esclavos responden, pudiendo haber un maestro comunicándose con hasta 247 esclavos. A cada esclavo en la red se le asigna una ID única. Cuando un maestro Modbus solicita información desde un esclavo, el primer dato comunicado es la ID del esclavo.

Modbus puede llegar a ser dificultoso, ya que acepta enteros signados o no signados de 16 o 32 bits, tiras ASCII, valores discretos on/off y números de punto flotante de 32 bits. Para programar un sistema para un dispositivo usando comunicaciones Modbus, se requiere una cantidad considerable de información acerca del dispositivo esclavo y sus registros. El programador tiene que obtener un mapa Modbus del fabricante de instrumentos y programar cuidadosamente el maestro para comunicarse correctamente con cada dispositivo esclavo.

Ahora hay disponible una versión mejorada, denominada Modbus TCP/IP, donde los datos de Modbus pueden estar en un paquete TCP/IP, lo que permite comunicar más fácilmente la información por una red Ethernet.

Por su parte, EtherNet/IP se está convirtiendo en uno de los protocolos industriales más utilizados gracias a su facilidad de integración y operación. Al igual que Modbus TCP/IP, los datos de EtherNet/IP son transferidos en un paquete TCP/IP. Cada dispositivo en una red EtherNet/IP presenta sus datos a la red como una serie de valores de datos denominados atributos.

Puesto que EtherNet/IP utiliza el protocolo CIP (Common Industrial Protocol), es posible tener un acceso constante al dispositivo con una sola herramienta de configuración. Los dispositivos se convierten en ‘objetos’ en la red y son fáciles de integrar. Una vez en la red, un objeto tiene un perfil que permite asignar los datos del sensor en el perfil sin necesidad de información detallada de programación.

Con sensores digitales, transmisores digitales y sistemas de control, los datos pueden ser fácil y claramente comunicados desde el proceso al sistema de control host y hasta el nivel de empresa. Los datos dejan de ser sólo la variable principal del proceso, sino que incluyen también variables secundarias de proceso, datos de la salud del sensor, características de desempeño del sensor, información de calibración y diagnósticos en tiempo real. Toda esta información se puede usar para mejorar el proceso, optimizar la prestación del instrumento mientras prolonga su vida útil, y maximizar la productividad del personal de mantenimiento.

Con el advenimiento de la Internet, estos dispositivos y sistemas digitales se siguen transformando y pasan a ser parte de IoT. Esta transformación llegará a lugares y con capacidades inimaginables. Como ejemplo veamos la transformación digital de una medición clave en un proceso industrial: la medición de pH.

 

Transmisores inteligentes para sensores inteligentes
Figura 5. Los sensores inteligentes pueden almacenar datos de medición y operación, incluyendo número de serie, fecha de calibración, número de calibraciones, derivas, rango de aplicación de pH y horas de operación en condiciones extremas.

 

Avance digital de la medición de pH

La medición de pH ha sido utilizada en una gran variedad de procesos industriales durante muchos años. Es una medición de la actividad de iones de hidrógeno en una muestra y representa la naturaleza ácida o básica de un fluido. El rango de pH va de 0 a 14.

La determinación del pH de una solución comenzó como una medición de laboratorio. La muestra era llevada a un laboratorio donde había un sistema de pH para medir la muestra. En realidad, el sistema de medición no medía el pH, sino que lo calculaba a partir de una señal medida de potencial mV producida por el sensor de pH. Este sensor de pH tenía dos electrodos (un electrodo de medición y un electrodo de referencia, encerrados en celdas de vidrio separadas) y, para tener en cuenta los efectos de la temperatura en la medición, también se necesitaba un sensor de temperatura.

Históricamente, en los sistemas de laboratorio, el electrodo de medición, el electrodo de referencia y el sensor de temperatura eran tres electrodos separados que se sumergían en la muestra mientras estaban conectados a la electrónica que medía la señal mV de bajo nivel y convertía este valor a pH. Se trataba realmente de un sistema analógico y de una medición fuera de línea que requería mucho trabajo por parte del operador, con una demora considerable de tiempo entre el momento en que se recolectaba la muestra y el reporte de los resultados.

Uno de los primeros cambios importantes en la medición de pH fue la integración de los tres electrodos separados en un solo dispositivo, lo que llevó a un electrodo ‘combinado’. El sensor seguía siendo un dispositivo analógico con conexiones cableadas al transmisor y tenía todos los problemas inherentes asociados con una señal analógica cableada de bajo nivel.

La siguiente mejora importante en la medición de pH fue la introducción de la tecnología digital en el sensor, habilitada por los continuos avances en miniaturización (Figura 5). E igual a lo que ocurre con todos los sensores inteligentes, permite que los nuevos sensores de pH puedan aportar más datos y operar de manera más confiable.

En cuanto al transmisor de un instrumento de pH, los datos comunicados por un sensor inteligente digital pueden ser leídos y enviados a un sistema host de control o de gestión de activos, utilizando también protocolos de comunicaciones digitales. Gracias a la abundancia de datos que residen en el sensor y a la capacidad de comunicar digitalmente estos datos a un transmisor digital y más allá, los usuarios disponen ahora de información para operar mejor el proceso y gestionar el activo.

Si bien este ejemplo se refiere sólo a mediciones de pH, gran parte de la discusión también se puede aplicar a otras variables de proceso.

 

Era digital

Gracias a los avances tecnológicos en el último medio siglo, la transmisión desde un instrumento ha evolucionado desde tan sólo la variable principal del proceso a una gran cantidad de información accesible hasta nivel de empresa. En el futuro, la tecnología digital seguirá aportando más información desde los instrumentos, con acceso desde cualquier lugar en el mundo.

Una medición de pH dejó de medir sólo el valor de pH, para incluir temperatura, calidad de calibración, número de calibraciones, tiempo de operación general, tiempo de operación en condiciones críticas de proceso y mucho más. Al mismo tiempo, se dispone de herramientas para convertir estos datos en información procesable, prácticamente sin limitaciones a la hora de mejorar las operaciones y la eficiencia.

 

Preparado en base a un documento técnico elaborado por Steven J. Smith, de Endress+Hauser.

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