IIoT y sensado en el borde

La instrumentación moderna provee abundante información para ingresarla en un software de IIoT. 

 

Ya desde mediados de los años ’80 se habla de instrumentos inteligentes, cuando hacen su aparición en el mercado los dispositivos 4-20 mA HART y luego, casi en seguida, los dispositivos basados en fieldbus. Estas tecnologías de comunicación digitales permitieron que los instrumentos puedan aportar algo más que una señal de proceso. Usando interfaces digitales, estos dispositivos pueden enviar ahora estado, diagnósticos y más información.

Endress+Hauser estima que, de sus 40 millones de instrumentos de proceso instalados en todo el mundo, el 90% son dispositivos digitales inteligentes. Estos instrumentos inteligentes proveen una increíble cantidad de información en el ‘borde’, lo cual es de suma utilidad para una amplia gama de sistemas host y aplicaciones de IIoT, tales como gestión de mantenimiento, gestión de activos, control de inventarios, sistemas MES y ERP. Pero hay un problema importante con que se enfrentan las plantas industriales: ¿Cómo gestionar todos estos datos?

Teniendo en cuenta que un solo instrumento inteligente, por ejemplo un medidor Coriolis, puede proveer algunas docenas de ítems de información de estado y diagnóstico y que una planta puede tener varios miles de instrumentos similares (figura 1), está claro que los sistemas host han de hacer frente a enormes cantidades de datos que llegan en tiempo real.

A causa de esta inmensa cantidad de datos y los problemas involucrados en su gestión, Endress+Hauser considera que el 97% de los datos no se está utilizando. Es lo que ocurre con los sistemas de automatización, que utilizan datos de caudal, presión, temperatura, nivel y otros datos necesarios para controlar el proceso, ignorando o descartando datos de estado, diagnóstico y otros.

Los principales fabricantes de instrumentos están al tanto del problema, y ya hay soluciones para adquirir datos del borde y enviarlos a un software de IIoT especializado, todo sin afectar o involucrar el sistema de automatización. Veamos entonces cómo se concretan estos conceptos.

 

IIoT y sensado en el borde
Figura 1. Una planta de proceso puede tener miles de instrumentos inteligentes, todos aportando los datos de estado y diagnóstico necesarios para un software de IIoT.

 

Manejo de enormes cantidades de datos

Según lo señalado anteriormente, un instrumento inteligente genera una gran cantidad de datos de estado, diagnóstico y otra información. Un caudalímetro ProlineR de Endress+Hauser, por ejemplo, puede detectar contenido de aire, vibración (que podría ser causada por cavitación de la bomba), recubrimiento, corrosión y medios no homogéneos o inadecuados. El caudalímetro puede detectar 125 problemas diferentes.

Cuando las condiciones del proceso justifican una notificación (figura 2), el caudalímetro puede generar un mensaje de evento.

Mientras el sistema de automatización está interesado principalmente en los valores de caudal y alarmas, el software de IIoT permite conocer las alertas que se muestran en la figura 2, como así también diagnósticos y otros datos.

Muchos instrumentos inteligentes tienen diagnósticos para indicar problemas con la electrónica o subcomponentes. Por ejemplo, los caudalímetros Coriolis Proline pueden monitorear frecuencia y amortiguación de oscilaciones, temperatura, asimetría de señal, corriente de excitador, temperatura de cañería portadora, fluctuación de frecuencia y otros parámetros. Los cambios en estos parámetros pueden indicar potenciales problemas.

Los diagnósticos de cada fabricante de instrumentos difieren, pero cada uno normalmente monitorea parámetros internos, observa cambios y diagnostica problemas. Cualquier otro análisis adicional debe ser realizado por el software de mantenimiento de IIoT, lo que implica la necesidad de transmitir datos de estado y diagnóstico a ese software.

En muchos casos, esto está a cargo del sistema de automatización, que periódicamente pide datos a cada instrumento y luego los guarda en una base de datos online, por ejemplo un historizador de proceso. El software de gestión de mantenimiento accede a lo que necesita del historizador y realiza su análisis.

Este tipo de solución plantea problemas. Las redes pueden verse excesivamente cargadas con transmisiones de datos, los historizadores pueden saturarse y puede haber retardos entre recolección de datos y reconocimiento por parte del software de IIoT.

Los datos sólo son recolectados periódicamente ya que el sistema de automatización no puede lidiar con la enorme cantidad de datos de estado y diagnóstico provenientes de cientos o miles de instrumentos. Los datos se guardan en una base de datos, a la que se debe acceder desde el software de mantenimiento, sumando aún más demoras.

Una mejor solución, ofrecida ahora por algunos fabricantes importantes de instrumentos, es enviar todos los datos disponibles en el borde al software de IIoT a través de la nube, eludiendo así por completo el sistema de automatización.

 

IIoT y sensado en el borde
Figura 2. Errores típicos que pueden ser generados por un caudalímetro Proline de Endress+Hauser.

 

Conectar en el borde

Los más de 30 millones de instrumentos digitales instalados actualmente en todo el mundo se comunican con sus sistemas de automatización a través de distintas interfaces, tales como PROFIBUS, 4-20 mA HART, Wire–lessHART y EtherNet/IP. Sin embargo, muchos se conectan a una red basada en Ethernet (figura 3), donde los datos pueden ser adquiridos por un ‘dispositivo de borde’ especializado.

El dispositivo de borde está programado para extraer datos de instrumentos desde la red y transmitirlos al software de IIoT en la nube. También se puede instalar un dispositivo de borde en un sistema de menor tamaño, por ejemplo una estación de bombeo, que puede o no estar conectado a la red Ethernet de una planta, o a los instrumentos que están conectados a un sistema anterior no Ethernet. En ese caso, cada instrumento está cableado a un dispositivo ‘gateway de borde’ cercano que recolecta datos de los dispositivos y los transmite a la nube. 

Una vez conectados los instrumentos a una red basada en Ethernet que está lista para conexión de IoT, se procede a seleccionar el dispositivo de borde adecuado. Hay disponibles varios dispositivos de borde de fabricantes de instrumentos para manejar las tasas esperadas de transmisión de datos.

Por ejemplo, Endress+Hauser ofrece varias alternativas a la hora de seleccionar el dispositivo de borde correcto para la cantidad adecuada de instrumentos que transmiten información a la nube. En un sitio donde hay cientos de instrumentos, el dispositivo de borde debe contar con adquisición de datos de alta velocidad para enviar la información a la nube de IoT. Endress
+Hauser también ofrece dispositivos de borde basados en instrumentos que corren a una velocidad básica, transmitiendo pequeñas cantidades de información a la nube de IoT.

La transmisión de todos los datos es unidireccional desde el dispositivo a la nube. La ciberseguridad está implementada en la transmisión de datos, en los dispositivos de borde y en la conectividad de servicios de nube.

 

En lugar de usar un historizador, todos los datos de borde son enviados al software de IIoT a través de la nube, eludiendo el sistema de automatización.

 

Dentro de la nube

Los principales fabricantes de instrumentos ofrecen software que utiliza datos del borde para diagnosticar problemas, programar actividades de mantenimiento, analizar procesos, predecir problemas, etc.

Utilizando Endress+Hauser como ejemplo, un software de nube consiste de varios componentes:

  • Diagnósticos de instrumentos – El software incorporado en los instrumentos modernos monitorea el estado de los dispositivos y las condiciones de proceso, aportando los datos necesarios para un análisis posterior. Endress+Hauser embebe Heartbeat Technology en sus instrumentos para brindar información de estado y diagnóstico, y para realizar funciones vitales, tales como monitoreo de condiciones y verificación in situ.
  • Verificación – Se comparan las condiciones actuales de varios parámetros con sus valores de referencia, determinando así el estado del dispositivo. Heartbeat Techno–logy produce una sentencia de ‘pasa’ o ‘falla’ en base a tests que son realizados con referencias internas trazables y redundantes. Los tests y resultados individuales son registrados automáticamente y utilizados para preparar un reporte de verificación.
  • Conexión a nube – Es necesario tener software y hardware para extraer datos de la red Ethernet de la planta o de los dispositivos individuales y transmitirlos luego al software basado en nube. Por ejemplo, en Endress+Hauser, esto se consigue con Netilion Connect, que consiste de dispositivos de borde que adquieren los datos, una plataforma de nube que aloja el software de IIoT y una interface API (Appli­cation Programmable Inter­face), que es una manera simplificada de conectarse de nube a nube o de nube a aplicaciones. En consecuencia, las empresas podrán utilizar IoT de una manera eficiente sin la complejidad de la ciencia informática.

Netilion es el ecosistema IoT de Endress+Hauser basado en una plataforma tecnológica de fuente abierta que ofrece las siguientes funciones:

  • Software analítico – La analítica procesa los datos de proceso generados por Heartbeat Technology para evaluar la salud del instrumento, analizar y predecir problemas, programar mantenimiento, etc.
  • Salud del proceso – El software de salud analiza la instrumentación en el borde para determinar si el proceso se está volviendo más difícil de controlar, si las influencias externas están teniendo un efecto perjudicial en su desempeño o si es necesario realizar cambios.
  • Documentación de equipos – Los técnicos de mantenimiento necesitan tener acceso a manuales de equipos, instrucciones para resolver problemas y otros materiales que describen cada instrumento. El software de biblioteca consigue toda la información pertinente y la pone a disposición de los técnicos que la soliciten.

 

IIoT y sensado en el borde
Figura 3. Arquitectura de red típica, desde el campo hasta Netilion Services de Endress+Hauser. Un dispositivo de borde (derecha arriba) toma datos de instrumentos desde la red Ethernet de la planta y los envía al software de IIoT Netilion en la nube.

 

Implementación

Implementar un sistema como Netilion quizás parezca todo un desafío, pero hay varios factores que simplifican la tarea. Primero, pocas plantas son exclusivas a un solo proveedor de instrumentos. Toda esta instrumentación tiene que estar identificada e ingresada en el sistema, junto con sus manuales, códigos de error, información de diagnóstico, etc., lo que normalmente se hace durante un análisis de la base instalada. 

Afortunadamente, los instrumentos modernos suelen identificarse con códigos de barras o etiquetas que pueden ser escaneados para identificar proveedor y producto.

Luego, los datos necesarios pueden ser descargados fácilmente del sitio web del proveedor.

En segundo lugar, no hay necesidad de implementar desde el comienzo un sistema para toda la planta. La mayoría de los proveedores tienen un ‘kit de inicio’ que permite que una planta pueda probar el concepto. Por ejemplo, Endress+Hauser ofrece una versión de prueba gratuita para hasta 15 activos con un paquete de IoT introductorio correspondiente a una planta típica donde puede conectar hasta 500 instrumentos a su software de nube.

Los instrumentos modernos aportan una gran cantidad de información acerca de su salud y del proceso que están monitoreando, pero pocas plantas usan todos esos datos. Hoy en día, los principales fabricantes de instrumentos brindan soluciones de hardware y software que llevan todos los datos disponibles en el borde a un software de IIoT para análisis y acciones correctivas.

 

Preparado en base a una presentación de Ryan Williams, de Endress+Hauser.

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