Selección de una red de sensores wireless

Selección de una red de sensores wireless

En 2009, NAMUR había elaborado la recomendación NAMUR NE 124 que define los requerimientos en cuanto a estándares wireless, la tecnología empleada y soluciones de distintos fabricantes que garantizan las funciones que se necesitan para un uso sustentable en la industria de procesos.

Probablemente, el requerimiento más importante para redes de datos sea la confiabilidad. Si bien no hay números en NAMUR NE 124, se necesita una confiabilidad superior al 99% para garantizar que los datos estén disponibles cuando se los requiera. La mayoría de las tecnologías wireless no brindan un número de confiabilidad, probablemente por ser mucho menor que 99%. La razón quizás esté en que las plantas presentan entornos exigentes para la tecnología wireless, con una infraestructura de acero permanente, por ejemplo hornos y tanques de almacenamiento, además de vehículos pesados y contenedores de transporte que van cambiando de posición, todo impidiendo la transmisión de radio.

La mayoría de las tecnologías de red de sensores wireless (WSN según sus siglas en inglés) utilizan topología estrella, con comunicaciones punto a punto y una ‘línea de visión’ clara entre el gateway y cada sensor. En una planta típica, esto es problemático, ya que requiere gateways adicionales que suman costos.

Algunas tecnologías de WSN utilizan topología estrella, pero con una red troncal para crear muchas subredes, cada una con un enrutador troncal intermedio. El inconveniente en este caso es que quizás sea necesario instalar la red troncal y la alimentación en un área peligrosa, aumentando así la complejidad y el costo del proyecto.

WirelessHART utiliza una topología mesh, donde un sensor sin línea de visión con el gateway se comunica con un sensor vecino, que luego envía la comunicación al siguiente sensor y así sucesivamente hasta llegar al gateway. De esta forma se pueden enrutar datos rodeando obstáculos metálicos. Si hay un punto débil en la topología mesh, se puede utilizar un repetidor sin que haya necesidad de instalar gateways adicionales, una red troncal o cableado de alimentación. Los sensores se comunican con muchos sensores vecinos formando una mesh de conexiones, con múltiples rutas desde cada sensor al gateway. La redundancia de rutas de datos es la clave para maximizar la confiabilidad.

WirelessHART también es auto-organizable, sin necesidad de configuración manual de las rutas de comunicación entre sensores. La red mesh se forma automáticamente. Más aún, la mesh auto-organizable se adapta dinámicamente. Si se remueve un sensor, se queda sin batería o queda obstruido, el sistema elige dinámicamente un camino alternativo para enrutar los datos. Como resultado, WirelessHART alcanza un 99% de confiabilidad.

NAMUR NE 124 no especifica la necesidad de un alcance específico desde un sensor al gateway. Más que el alcance desde el gateway al sensor, lo que importa es la profundidad, o sea el número máximo de saltos en un camino de comunicación. WirelessHART puede realizar siete saltos o más. Esto le permite llegar a sensores instalados más profundamente dentro de las unidades de planta que otras tecnologías. De esta forma, WirelessHART ofrece el alcance efectivo más largo y la mayor cobertura dentro de una planta.

 

Desempeño en tiempo real

Los sensores wireless se usan principalmente en aplicaciones que no son de tiempo crítico, por ejemplo en la recolección manual de datos. En estas aplicaciones, un período de actualización de un minuto, una hora o incluso un día está bien, pero en otros casos de uso puede ser necesario un período de actualización de un segundo. Muchas tecnologías de WSN sólo admiten períodos de actualización de un minuto o más, lo que significa que no son adecuadas para estas aplicaciones. En cambio, WirelessHART ofrece capacidad de tiempo real, con períodos de actualización de un segundo para estos tipos de sensores.

WirelessHART permite maximizar la vida útil de la batería con una comunicación sincronizada en el tiempo. El sensor duerme conservando la batería, se despierta brevemente para realizar una medición y luego vuelve a dormir. Como resultado, es posible alcanzar una vida útil de batería de entre 5 y 10 años para sensores, lo que hace bajar el costo total de propiedad.

 

Seguridad

Todas las tecnologías de WSN tienen mecanismos de seguridad similares, pero difieren en términos de facilidad de comisionamiento de sensores. En algunas tecnologías de WSN, configurar las credenciales de seguridad requiere mucho tiempo e implica múltiples pasos y herramientas especiales. Incluso con sensores que utilizan la misma tecnología, las herramientas y los procedimientos difieren de un fabricante de sensores a otro.

En WirelessHART, el comisionamiento se simplifica usando comunicadores de campo HART o módems HART. Estas herramientas son bastante familiares ya que se usan con instrumentos existentes de 4-20 mA/HART.

 

Interoperabilidad de multiples proveedores

Hay tecnologías de WSN que parecen abiertas, con licencia para varios fabricantes, pero que en realidad no son un estándar IEEE o IEC, sino que pertenecen a una sola empresa. Las tecnologías propietarias siempre tienen un riesgo asociado.

WirelessHART es un estándar internacional, IEC62591. La estandarización reduce drásticamente el riesgo, razón por la que los ingenieros de instrumentación y control especifican estándares IEC para todos los equipos eléctricos y electrónicos, incluyendo WSNs. WirelessHART es soportada por múltiples proveedores, con una interoperabilidad que garantiza que productos de distintos proveedores puedan trabajar en conjunto. También tiene comandos de práctica universal y común utilizados por todos los proveedores. La intercambiabilidad permite que sensores fallados puedan ser reemplazados por sensores de otro proveedor y trabajar sin necesidad de reconfigurar el sistema.

Los usuarios necesitan monitorear los autodiagnósticos en los sensores. La mayoría de las tecnologías de WSN no tienen un protocolo de aplicación de red de retorno común para datos de configuración de sensores y diagnósticos avanzados. Como resultado, los sensores no pueden ser integrados en el software IDM (Intelligent Device Mana­gement) existente en la planta.

WirelessHART resuelve este inconveniente con el protocolo de aplicación HART-IP sobre Ethernet. HART-IP se utiliza en la red de retorno para llevar los datos de configuración y diagnósticos avanzados del sensor al software IDM existente en la planta. Esto significa que todos los tipos de sensores WirelessHART pueden ser gestionados desde el mismo software utilizado para los dispositivos cableados existentes en la planta. Para gestionar sensores WirelessHART se puede usar incluso el software IDM, basado en FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager).

 

Herramientas portátiles

Varias tecnologías de WSN no tienen un método común de configuración y calibración de banco o de campo. Incluso con una misma tecnología, los fabricantes ofrecen maneras diferentes de configurar sus sensores. Manejar una variedad de herramientas portátiles en un entorno tan heterogéneo provoca demoras. No hay soporte para una interface directa en un calibrador portátil. Además, algunos sensores no pueden ser calibrados o ‘ajustados’ para corregir la deriva a largo plazo y, una vez que dejan de ser exactos, simplemente se los descarta.

WirelessHART resuelve este tema con un puerto de consola HART cableado. Se pueden usar herramientas HART de amplio uso en plantas, tales como comunicadores de campo HART, módems HART y calibradores portátiles.

Para conseguir las mejoras operativas deseadas, los sensores y aplicaciones wireless no pueden ser islas aisladas de automatización y deben integrarse con los sistemas de automatización existentes. Puesto que muchas tecnologías de WSN no definen un protocolo de aplicación estándar con un formato de mensaje o tipos de datos comunes, el gateway wireless no convierte los datos de medición de los sensores a Modbus u OPC y no puede ser integrado fácilmente, lo que dificulta llegar a un buen uso de esos datos. Algunas soluciones de WSN están destinadas a un solo caso de aplicación, lo que implica tener múltiples sistemas heterogéneos con múltiples software para monitorear cada aplicación.

WirelessHART utiliza el protocolo de aplicación HART estándar, que tiene un formato de mensaje común y tipos de datos comunes para todos los sensores WirelessHART, independientemente del fabricante y tipo de sensor.

En consecuencia, todos los gate­ways WirelessHART pueden convertir datos estándar, provenientes de una mezcla de sensores de varios proveedores, a protocolos industriales comunes, tales como Modbus, EtherNet/IP y OPC. Como resultado, es posible integrar los datos con sistemas existentes, tales como el historizador de planta o el sistema de control, sin necesidad de programación o scripting personalizados. Luego, los datos quedan disponibles para elaborar analítica, tableros de control, reportes y notificaciones.

Algunas tecnologías de WSN sólo transmiten datos de medición y de estado, sin disponer de diagnósticos detallados como un espectro de vibraciones o forma de onda, o bien requieren scripting para ser decodificados.

WirelessHART ofrece diagnósticos avanzados que pueden ser comunicados según un esquema solicitud-respuesta como un ‘segundo canal’ no de tiempo real. Esto permite analizar los diagnósticos de manera centralizada.

 

Preparado por Jonas Berge, director senior en Emerson.

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