Sigue el avance de wireless mesh

Otra tecnología avanzada de redes que lentamente está ingresando en el mercado es wireless mesh, adecuada en aplicaciones de IIoT por su capacidad de manejar un enorme número de dispositivos que generan transmisiones esporádicas de paquetes cortos.

Si bien va creciendo la implementación de redes wireless tradicionales en entornos industriales con equipos rotativos o en áreas remotas o difíciles de alcanzar por cable, tienen limitaciones que empeoran con el advenimiento de un creciente tráfico de conectividad máquina a máquina (M2M).

Y es allí donde surge una nueva tecnología que se conoce como mesh cinética y que es muy adecuada para IIoT, ya que todos los nodos se configuran de la misma forma, facilitando la comunicación entre pares.

La mesh cinética es también full duplex, lo que permite que un solo nodo pueda recibir datos en una frecuencia y enviarlos simultáneamente en otra frecuencia, generando altas velocidades y resultando en una latencia extremadamente baja, según los expertos. Una red mesh cinética también selecciona dinámicamente el camino más rápido entre cientos de opciones para evitar automáticamente la interferencia o el bloqueo de la señal, lográndose una conectividad consistente y confiable por medio de una variedad de opciones.

Sin embargo, en este momento, hay pocas soluciones de wireless mesh destinadas al espacio industrial. La razón de la ausencia de propuestas wireless mesh a nivel industrial es el nivel demasiado elevado de los estándares en este campo. Específicamente, lo que se percibe es que la confiabilidad de la tecnología wireless no es tan robusta como la de las redes cableadas tradicionales, además de los problemas de seguridad relacionados con Wi-Fi. En los sistemas industriales, la disponibilidad lo es todo y no se puede tener una parada.

También está la cuestión de la experticia en tecnología wireless y, en especial, las nuevas tecnologías mesh. Hay que saber acerca de canales y frecuencias, cosas que no ocurren en redes cableadas.

A medida que las instalaciones se expanden o incorporan nuevos equipos, se hace necesario agregar mediciones de variables ambientales o de proceso, tales como caudal, presión, temperatura, nivel, posición, etc., con el fin de mejorar el control y la seguridad de la planta.

Para llevar a cabo esta difícil tarea en el menor tiempo posible y con bajos costos de instalación, la tecnología de instrumentación wireless ofrece una solución muy atractiva, con ventajas como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc.

 

Detector wireless de posición y movimiento

 

Una solución interesante utiliza una arquitectura tipo malla o ‘mesh’, denominada SFRSS (SignalFire Remote Sensing System), que consiste de un concentrador o gateway (con protocolo Modbus/RTU o Modbus/TCP) comunicado con nodos o sensores remotos para todo tipo de señales (4-20 mA, 1-5 V, pulsos, HART, Modbus, presión, nivel, etc.).  Usando la banda de 900 MHz para la transmisión de 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 es común en otros casos.

Detector wireless de posición y movimiento

El detector wireless TiltScout de SignalFire incluye sensor, batería y radio en un compartimiento compacto y robusto, apto para intemperie y uso en áreas clasificadas (Clase I, División 1). El cerramiento plástico de alta resistencia (NEMA 4x) hace posible su uso en ambientes corrosivos, como es frecuente en plantas químicas, petroquímicas, minas, destilerías de alcohol, etc.

La duración de la batería interna es mayor a 5 años, lo que hace que TiltScout sea prácticamente libre de mantenimiento.  En cada transmisión de datos reporta al gateway la tensión de la batería (valor en mV) y el estado de la misma (si debe reemplazarse o no).  Cuando sea realmente necesario, el reemplazo de la batería puede hacerse sin necesidad de retirar el equipo del lugar donde está instalado.

Por sus pequeñas dimensiones (9 x 9 x 6 cm), TiltScout puede ser instalado fácilmente sobre el objeto cuyo movimiento debe detectarse. Se dispone como opcional de una base de montaje magnetizada para su aplicación sobre superficies metálicas.

El sensor es básicamente un acelerómetro o inclinómetro de estado sólido que permite detectar movimientos en dos ejes, lo que lo convierte en un dispositivo muy versátil y que puede utilizarse en muchas aplicaciones, seleccionando alguno de sus tres modos de funcionamiento:

 

Detector de apertura de tapas de tanques

Indica si la tapa está abierta, cerrada o trabada en una posición intermedia. De esta forma, los operadores pueden saber fácilmente si los tanques de la planta están correctamente cerrados, evitando peligrosas emanaciones de vapores tóxicos o inflamables, y sanciones ambientales.

También facilita el control en plantas con idas al campo para la medición manual en tanques (nivel, temperatura o muestreo de productos), ya que el sistema podrá registrar exáctamente en qué momento se abrió la tapa y cuándo volvió a cerrarse. Por lo tanto, puede asociarse la lectura manual tomada por el operador con la hora en que fue realizada.

La puesta en servicio es muy sencilla.  Simplemente se adhiere el detector sobre la tapa o boca de inspección y, estando perfectamente cerrada, se presiona el botón de calibración en la electrónica para que registre ese ángulo como su referencia. A partir de ese momento, TiltScout reportará cada cambio de posición, indicando si la tapa está perfectamente cerrada (ángulo igual a su referencia inicial), abierta (ángulo mayor a 15°) o ha quedado mal cerrada (ángulo menor a 15°).

 

Detector wireless de posición y movimiento

Monitor de equipos de bombeo mecánico

La operación de los equipos de bombeo es fundamental para mantener la producción de pozos. En consecuencia, es muy importante poder tener un reporte en forma inmediata en caso de que el equipo se detenga, sea por una razón meramente operativa o bien por alguna falla mecánica, falta de suministro de energía, etc. En estas aplicaciones, el TiltScout se instala sobre el equipo de bombeo y reporta cuando deja de moverse.

Esto permite mejorar en forma inmediata las estrategias de mantenimiento y optimizar la operación de los pozos de producción.  La instalación del sensor sobre el equipo es muy simple, ya que no requiere respetar una posición en particular con respecto al movimiento del brazo, y está disponible con un soporte magnético que se adhiere fácilmente.

 

Sensor de ángulos bi-dimensional

En este modo de operación, TiltScout informa periódicamente los ángulos sensados (mínimo, máximo y promedio) en cada intervalo de lectura sobre los ejes X e Y. Para fijar su referencia, se coloca el dispositivo en su posición “inicial” y se presiona el botón de ajuste de cero. A partir de dicha referencia, el sensor detecta movimientos de hasta ±90° en cada eje. 

El intervalo de actualización/transmisión de los datos es configurable entre 15 segundos y 60 minutos, y la lectura del ángulo puede realizarse hasta 10 veces por segundo.

 

Preparado en base a material suministrado por el Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería y Servicios, Esco Argentina S.A.

 

En muchas ocasiones, las instalaciones industriales cuentan con silos o tanques de depósito de materias primas, productos terminados, agua para uso industrial o sistemas contra incendio, etc, que requieren mediciones para integrarlos al sistema de control. 

Teniendo en cuenta que es habitual que los tanques o silos estén alejados del resto de las instalaciones, la tecnología de instrumentación wireless ofrece una solución muy atractiva, gracias a muchas ventajas importantes, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc.

La solución wireless de SignalFire está basada en una arquitectura tipo malla o ‘mesh’, denominada SFRSS (SignalFire Remote Sensing System), que consiste en un concentrador o gateway (con protocolo Modbus/RTU o Modbus/TCP) comunicado con nodos o sensores remotos para todo tipo de señales (4-20 mA, 1-5 V, pulsos, HART, Modbus, presión, nivel, etc.). 

Al utilizar la banda de 900 MHz para la transmisión de 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 ocurre en otros casos.

Para mediciones de temperatura simples, podrá utilizarse un cabezal Sentinel-RTD (con entrada para sensor Pt100) o Sentinel-TC (para Termocupla K).

En cambio, si lo que el usuario necesita es el valor de temperatura promedio o el perfil de temperaturas, se puede conectar un Sentinel-HART a un sensor inteligente multipunto que ofrece la información de cada sensor en forma individual, o bien el promedio entre todos los sensores.

Esto es suele ser común en tanques de almacenamiento de hidrocarburos, donde se requiere 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 o para optimizar el proceso de secado.

 

Cabezales

Estos cabezales permiten integrar transmisores con comunicación HART (2 hilos) al sistema wireless. Son aptos para áreas clasificadas (con aprobación para Clase I, División 1) y están dotados de una batería interna para alimentar el dispositivo esclavo a intervalos de tiempo configurables (por ejemplo, cada 5 minutos) y leer la información disponible mediante el protocolo HART. Asimismo, es posible utilizar un sistema de alimentación con panel solar y baterías, que también es apto para áreas clasificadas.

Permiten generar un túnel para la comunicación HART a través del gateway del sistema; de esta manera, el usuario puede comunicarse con el esclavo HART usando un software basado en tecnología FDT/DTM como Pactware, y configurar el dispositivo de campo en forma completa, como si estuviera conectado directamente con él, pero a kilómetros de distancia desde la comodidad de su escritorio.

 

Medición wireless de temperatura

 

Sensor de temperatura multipunto

La solución Sentinel-HART se puede combinar con un sensor multipunto Thermopoint de Nivelco. Es un dispositivo HART de 2 hilos que mide temperatura de polvos, sólidos granulares o líquidos, tanto en áreas de propósito general como clasificadas.

La medición se realiza con sensores electrónicos colocados a iguales distancias entre sí dentro de una sonda rígida (para pequeños tanques) o flexible de acero inoxidable recubierta en plástico (PE antiestático) en su versión para sólidos o sin recubrimiento en su versión para líquidos.

Puede ser instalado en tanques o silos de hasta 30 m de altura, con la posibilidad de incorporar hasta 15 puntos de medición, que ofrecen una exactitud de 0,5°C.  Para asegurar la posición vertical de la sonda puede utilizarse un peso o bien un anclaje en la parte inferior.

 

Medición wireless de temperatura

 

Solución Thermopoint + Sentinel

La implementación de esta solución es muy simple y transparente para el usuario, ya que, cuando el nodo Sentinel enciende al Thermopoint y lo identifica (leyendo el número de fabricante y de dispositivo), utiliza comandos HART específicos para leer la información de cada uno de los sensores. Todos los valores quedan luego disponibles en el puerto de comunicación Modbus del gateway como registros independientes, que se actualizan con cada transmisión en el intervalo configurable (por ejemplo, cada 15 minutos). 

De este modo, el sistema de control de la planta no sólo dispondrá del valor de la temperatura promedio del producto almacenado en el silo o tanque, sino que también podrá ver el perfil con cada medición. Además, al combinar la medición de temperatura con la de nivel, el sistema podrá calcular el promedio de la temperatura del producto y la temperatura ambiente en la parte superior, promediando los sensores que están por debajo y por encima del valor medido respectivamente.

 

Preparado por el Ing. Pablo Batch, Gte. Ingeniería y Servicios, Esco Argentina S.A.

Por qué wireless?

Enero 11, 2020

Por qué wireless?

 

Las cañerías y la necesidad de medir su caudal (y otros parámetros) plantean importantes desafíos. Es tal la variedad de cañerías instaladas en las más diversas ubicaciones y condiciones ambientales como métodos para medir el caudal que las atraviesa. Aun así, el objetivo final es siempre el mismo: lograr de manera confiable que los datos de medición de caudal estén en una ubicación central para garantizar que se despacha la cantidad correcta de producto en el lugar que corresponde y en el momento exacto. Por lo tanto, ¿cuál es el problema?

Hoy en día, el negocio, la seguridad y las condiciones ambientales requieren que la medición de caudal en una cañería, además de ser confiable y exacta, también debe ser flexible, escalable, de costo económico y disponible para todos los niveles y lugares en la empresa. Sin importar si la cañería transporta líquido, gas o vapor, los datos de medición del caudal en la cañería pasan a ser parte de la analítica del negocio que podría incluirse en la iniciativa IIoT global de la empresa.

Las cañerías suelen emplear varias técnicas de medición que aportan los datos de caudal necesarios para tomar decisiones de negocio informadas. Con este fin, se agregan nuevos puntos de medición por varias razones. Pero, ¿cómo se pueden agregar estos nuevos datos a la base de datos de monitoreo de la medición de caudal de manera rápida y eficaz?

A continuación se examinan las ventajas que se consiguen utilizando tecnología de redes wireless para gestionar mejor el monitoreo de las cañerías.

Puesto que hay mucha información escrita y disponible acerca de los aspectos técnicos de la tecnología wireless, el foco estará en los beneficios prácticos y operacionales que ofrecen las redes wireless.

 

Nunca demasiado cables

El método tradicional de recolección de datos de medición de caudal utiliza un par de cables que recorren la distancia entre el caudalímetro y una ubicación central o un sistema SCADA. La mayoría de las instalaciones no pueden proveer datos más allá del sistema de monitoreo, ya que los datos son básicamente analógicos y no se prestan para la comunicación digital que requiere IIoT o el acceso a la nube. Además, los cables son finitos, no son expandibles y tampoco ofrecen una infraestructura flexible y expandible.

Muchas veces se necesita reunir datos de medición de caudal e información de diagnóstico desde el caudalímetro para mantener la eficiencia de proceso, garantizar una calidad de producto uniforme, prevenir fallas de los equipos y evitar paradas imprevistas. Puesto que muchos caudalímetros son inteligentes, pueden aportar información valiosa al sistema, reduciendo las idas innecesarias al campo sólo para encontrar y reportar ‘sin problemas’.

Hay varios costos asociados con la instalación de un nuevo cable. Están el costo obvio del cable y el costo de la labor para instalarlo. También hay un costo de ingeniería para definir cajas de conexiones, bandejas de canales/cables y, lo más crítico, el tiempo adicional no productivo antes de haberse agregado la medición al sistema de monitoreo. En muchos casos, esta labor e ingeniería adicional significan semanas o incluso meses de demora antes de que los nuevos datos lleguen a la sala de control.

 

Ventajas de la tecnología wireless

La comunicación wireless ya probada en campo está por todas partes. Con varias tecnologías y/o estándares para elegir, las tecnologías wireless se encuentran instaladas prácticamente en todo el mundo en una gran variedad de industrias y miles de aplicaciones, que por supuesto incluye cañerías.

La selección de una determinada tecnología depende de la preferencia del usuario, del proveedor de automatización o de la tecnología de sensores existente. Hay mucha literatura que subraya el valor y los ahorros derivados de la tecnología wireless versus tender más cables, incluyendo herramientas de estimación y cálculo online.

La conclusión es que las empresas no pueden darse el lujo de ignorar la realidad: el monitoreo wireless es una alternativa más que rentable.

Los beneficios que aporta una estrategia de monitoreo wireless tienen que ver con tres aspectos: infraestructura, operaciones y prestación.

 

Infraestructura

  • Cableado nulo o mínimo – Quedan eliminados zanjas, ductos, cajas de conexiones, planos de cableado, etc.
  • Flexibilidad de entorno – No depende de la forma y tipo de terreno, tipo de sensores de medición, uso seguro para aplicaciones urbanas o rurales y otras variables.
  • Integración – La tecnología wireless trabaja junto y se integra con los sistemas existentes de monitoreo del usuario, como así también con los dispositivos existentes de medición, sin afectar el cableado existente y muchas veces frágil.
  • Acceso a áreas remotas – Areas de difícil acceso, tales como grandes distancias, a través del agua, parques de tanques remotos, terreno montañoso, vías de ferrocarril, equipos rotantes, monitoreo de duchas de seguridad, fugas en trampas de vapor, monitoreo del aire ambiental, etc.
  • Infraestructura expandible – Una infraestructura wireless permite agregar dispositivos adicionales según necesidad con el costo sólo del nuevo dispositivo, a diferencia de instalar un nuevo cable que corresponde a un solo dispositivo más, lo que hace que la tecnología wireless sea claramente a prueba del futuro.
  • Habilitado para IIoT – Usar la información wireless de medición y diagnóstico de dispositivos es ahora digital y puede ser integrada en una interface IIoT o de nube para un análisis rápido y accesible en toda la empresa.

 

Operaciones

  • Costo reducido – Una considerable reducción de costos de instalación, ingeniería y reconversión. 
  • Puesta en marcha más rápida – Menos tiempo de ingeniería e instalación del hardware de soporte requerido (cajas de empalme, bandejas de cables, etc.), lo que permite que la operación retorne rápidamente a producción en lugar de paradas prolongadas.
  • Múltiples opciones de alimentación – Incluyen alimentación con batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar u otras opciones de recolección de energía.
  • Fácil ajuste – Incorpora funciones automáticas, tales como salto de canal, red de autoconfiguración, auto-recuperación, listas negras, ciberseguridad, intervalos seleccionables de transmisión de dispositivos, etc.
  • Seguridad – El monitoreo wireless puede reducir las rondas de operador y las idas innecesarias a ubicaciones remotas y muchas veces peligrosas, lo que en definitiva contribuye a la seguridad de los empleados.
  • Gestión de activos – La conectividad wireless permite al personal de mantenimiento tunelar dentro de un instrumento inteligente para comunicar información de configuración, calibración o diagnóstico proveniente de dispositivos de medición inteligentes.

 

Prestación

  • Transmisión confiable de datos – Al emplear tecnología estándar de redes, la confiabilidad de la transmisión de datos puede superar 99%.
  • Ciberseguridad – Utiliza encriptación estándar AES de 128 bits, la misma que en las redes de transferencias bancarias.
  • Independencia del sensor – La mayoría de los dispositivos no wireless existentes pueden ser convertidos a wireless usando sus salidas 1 – 5 V, 4 – 20 mA, Modbus y otras.
  • Redes y distancia flexibles – La mayoría de las redes wireless pueden soportar de 100 a 240 dispositivos. La red común de 2.4 GHz con antena estándar cubre aproximadamente 225 m. En cambio, la red de 900 MHz ofrece un alcance de 0,800 - 5 km, que depende de posibles obstrucciones (línea de visión) y ubicación de la antena. Esta distancia puede ser extendida con antenas de larga distancia o maximizando la capacidad de múltiples saltos, ya que un dispositivo también puede ser un repetidor que extiende el alcance de la red.

 

Bandas de comunicación wireless

Sin entrar en demasiados detalles técnicos, a continuación va un resumen de las principales bandas de comunicación wireless.

 

900 MHz

La banda de 900 MHz es muy robusta y tiene una baja atenuación, por lo que puede recorrer grandes distancias. Esta red también puede comunicarse a través de obstáculos como paredes y hormigón (si bien lo mejor es con línea de visión). Una desventaja es su velocidad, ya que la banda no es tan ancha (902 – 928 MHz, o sea 26 MHz), limitando la cantidad de información que puede ser enviada en un determinado momento. A menos que sea necesario transmitir una gran cantidad de datos, por ejemplo voz o video, 900 MHz ha probado ser más que suficientemente rápida para la comunicación confiable de mediciones e incluso algunas aplicaciones de control.

 

2.4 GHz

La banda de 2.4 GHz es popular ya que permite mayores tasas de transmisión de datos que la banda de 900 MHz, al tener un mayor ancho de banda (2.400 – 2.483 MHz, o sea 83 MHz). Los componentes suelen ser más baratos que en las otras dos bandas gracias a su popularidad. Al haber tantos dispositivos que usan la banda de 2.4 GHz, tales como otras redes wireless y microondas, es muy congestionada, lo que significa que algunas veces puede resultar difícil tener una red wireless que se comunique de manera confiable a causa de la fuerte interferencia.

 

5 GHz

La red de 5 GHz no tiene un uso tan frecuente, lo que puede ser bueno ya que hay poca o nada de congestión dentro de esta banda. En consecuencia, es fácil tener una red de 5 GHz con poca o ninguna interferencia. Esta banda, igual que la banda de 2.4 GHz, permite mayores velocidades gracias a un gran ancho de banda y también puede transferir grandes cantidades de datos.

La desventaja es que sufre una fuerte atenuación, que no permite que la red llegue tan lejos como en las otras dos bandas. Este inconveniente puede ser compensado utilizando antenas de alta ganancia.

 

Por qué wireless?
Figura 1. Los dispositivos cableados y wireless se comunican con el gateway que envía información a la nube para monitoreo y análisis.

 

Comunicación directa versus mesh

La comunicación wireless puede usar redes de comunicación directa o mesh. La red de 900 MHz ofrece distancias mucho mayores y una buena penetración, facilitando la comunicación directa desde el dispositivo de medición al gateway receptor. Hay distintas técnicas para extender el alcance de comunicación en ciertas aplicaciones de monitoreo de cañerías.

La instalación y el ajuste se simplifican utilizando una red mesh de autoconfiguración automática, que permite a los dispositivos wireless utilizar dispositivos vecinos para retransmitir o repetir la transmisión hasta llegar al gateway.

El gateway puede estar ubicado en el centro, en un extremo o dondequiera en el área cubierta por la red. El nodo extremo determina automáticamente el mejor camino primario de comunicación o el más fuerte para que la transmisión pueda llevar la señal de manera confiable al gateway.

También quedan determinados los caminos alternos o secundarios, que son actualizados continuamente en caso de una obstrucción o interferencia repentina (figura 1).

En el monitoreo externo de activos, tales como cañerías o pozos de petróleo, que se extienden normalmente sobre varios kilómetros cuadrados, es poco probable que todos los dispositivos wireless puedan alcanzar el gateway asignado.

Pero hay maneras de resolver estos problemas de ubicación o aplicación. Por ejemplo, si los dispositivos se encuentran en una ubicación peligrosa, es posible alimentarlos con baterías y lograr la clasificación de seguridad intrínseca, limitando la distancia de comunicación.

El problema también puede ser resuelto colocando dispositivos de alta potencia y largo alcance (por ejemplo, para una parada remota) en ciertos lugares en la red. Estos dispositivos tienen radios de alta potencia cuando no están en el área peligrosa. Los dispositivos de baja potencia que están en el área peligrosa podrán conectarse al gateway, automáticamente sin configuración, a través de dispositivos de largo alcance en la red mesh. Esta configuración de red es muy robusta y es fácil de implementar.

En definitiva, hay varias opciones de red a considerar, cada una con sus ventajas y desventajas. Una vez tomada la decisión de ir a wireless, el tema se reduce a unos pocos ítems: aplicación, distancia de medición, velocidad requerida, cantidad de datos y soporte del proveedor.

 

Mitos

La tecnología wireless ya tiene muchos proveedores en sus más de 25 años de vida. Pero con el tiempo, también se han propagado muchos mitos acerca de esta tecnología. A continuación se describen algunos y cuáles son los hechos reales a tener en cuenta:

  • La tecnología wireless es costosa – No tiene que ser costosa. Las soluciones de hoy en día cubren una amplia gama de opciones que van desde muy costosas hasta muy accesibles, con lo que los usuarios podrán seleccionar la mejor solución para sus necesidades específicas.
  • Si selecciona una cierta solución, el usuario está atado a los productos de un solo proveedor – Muchas soluciones wireless ofrecen opciones que permiten el uso de productos cableados existentes que son independientes del proveedor, tales como 4 – 20 mA, Modbus y otros, para comunicar sus mediciones en una red wireless, lo que tiene un costo económico y les brinda a los usuarios la libertad de elegir el mejor producto para su aplicación.
  • Todos los productos deben usar baterías – ¡No es cierto! Los dispositivos wireless tienen muchas opciones de alimentación, tales como batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar y otras soluciones de recolección de energía.
  • Las baterías no duran mucho tiempo – Depende de la aplicación y de la tasa de actualización. La mayoría de los dispositivos wireless pueden ser configurados para comunicarse cada segundo o cada hora, extendiendo así la vida de la batería de 1-2 años a 5 -10 años.
  • Wireless no es seguro – El uso de encriptación AES de 128 bits estándar hace que la información comunicada sea segura y cibersegura. Es el mismo estándar de encriptación que se usa en bancos para la transferencia wireless de dinero y transacciones.
  • Las redes wireless son difíciles de configurar – La mayoría de las redes wireless son autoconfigurables y auto-regenerables. Se procede simplemente a configurar e instalar un dispositivo de medición como normal, se selecciona el tiempo de actualización, se aplica alimentación y el nodo encuentra el gateway directamente o a través de un dispositivo vecino.

 

Por qué wireless?
Figura 2. El monitoreo de cañerías cubre grandes distancias, múltiples mediciones y entornos exigentes.

 

Soluciones de telemetría wireless

SignalFire Remote Sensing System es una red wireless robusta de gran alcance diseñada para monitoreo y control remoto en entornos exigentes al aire libre. El sistema trabaja con medidores de nivel, presión, temperatura y caudal, además de ofrecer control de activos críticos, tales como válvulas, transmisores de presión y temperatura, bombas, ventiladores, calentadores y otros dispositivos.

El sistema SignalFire puede aportar tanto comunicaciones como alimentación  a sensores existentes, lo que hace que la aplicación sea realmente wireless. Hay una gran variedad de sensores compatibles, tales como 4 – 20 mA, 1 – 5 V, Modbus, HART, Digital IO, y otras interfaces analógicas y digitales.

 

Conclusión

A la hora de enfrentarse con la necesidad de datos de medición adicionales por distintas razones, tales como nuevas regulaciones, una mejor seguridad, una mayor confiabilidad, una transformación digital o una mejor prestación, en lugar de tratar de justificar la instalación de más cable, piense en los beneficios de negocio que puede aportar una red de monitoreo wireless.

 

Preparado en base a una presentación de Sandro Espósito, de SignalFire. En la Argentina: Esco Argentina S.A.

La instrumentación wireless, sin dudas, se utiliza cada vez más para agregar mediciones en una planta industrial o instrumentar un nuevo sitio remoto (playa de tanques, batería de producción, separador, puente de inyección, etc.), dado que ofrece ventajas importantes, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, menores tiempos de implementación, etc.

La solución de SignalFire está basada en una arquitectura tipo malla o ‘mesh’, que se denomina SFRSS (SignalFire Remote Sensing System) y que consiste en uno o varios concentradores o gateways comunicados con nodos o sensores remotos. Esta tecnología confiere robustez y confiabilidad al sistema, ya 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, transmitiendo la información en un intervalo configurable, lo que garantiza una autonomía de varios años y disminuye los costos de mantenimiento. En aplicaciones que requieren una frecuencia de refresco de la información muy alta, es posible alimentar el dispositivo de campo con un panel solar apto para áreas clasificadas. 

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

Al utilizar la banda de 900 MHz para la transmisión de señales, se consigue un vínculo mucho más robusto y de mayor alcance que 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 suele ser común en otros casos.

 

Nuevo gateway wireless para montaje en riel DIN

 

Nuevo gateway para montaje en riel DIN

El nuevo modelo de gateway wireless GWDINv2 tiene un robusto cerramiento metálico, preparado para montaje sobre riel DIN dentro de un gabinete o tablero. 

De acuerdo a la aplicación y el entorno, puede utilizar una antena compacta o una antena omni-direccional de alta ganancia de montaje remoto apta para intemperie. 

Como es habitual en toda la línea de gateways de SignalFire, soporta hasta 240 dispositivos de campo wireless y es apto para áreas clasificadas (aprobacion FM – Clase I División 2, Grupos C y D).

El nuevo gateway acepta integración de señales analógicas, ya que cuenta con (3) Entradas de 1-5 V, que pueden usarse para señales de 4-20 mA colocando un resistor externo.

 

Nuevo gateway wireless para montaje en riel DIN

 

También ofrece (2) Entradas y (2) Salidas discretas, y, a través de un puerto dedicado, se puede conectar un módulo de expansión con (8) Salidas de 4-20 mA y (2) Salidas tipo relé.

El usuario puede optar por dos variantes de gateway, según el puerto de comunicación utilizado: Modbus/RTU (sobre RS485) y Modbus/TCP. Todas las señales de los dispositivos de campo están disponibles como direcciones Modbus (hasta 4.700 registros) en el puerto de comunicación, apuntando al ID Modbus de cada dispositivo y a la variable en particular.

 

Nuevo gateway wireless para montaje en riel DIN

 

Para facilitar la lectura desde el sistema de control o software HMI, es posible configurar un mapa Modbus personalizado, agrupando las variables más importantes en registros consecutivos.

El gateway se programa con el software Toolkit, ofrecido por SignalFire en forma gratuita a sus usuarios, y puede ser actualizado por Internet.  Desde este software y a través del puerto RS232 dedicado o del puerto Ethernet del gateway, se accede a la información de toda la red wireless de dispositivos y del concentrador. Este mismo software permite modificar la configuración de cualquier dispositivo wireless de la red en forma remota.

Es posible configurar en el gateway funciones lógicas basadas en las mediciones de los dispositivos de campo, lo que facilita la implementación de secuencias de shut-down o enclavamientos. Por ejemplo, se puede determinar que, cuando la medición de nivel en un tanque esté por encima de un valor, se encienda una salida por relé para indicar una alarma de sobrellenado, o que, cuando la presión de impulsión de una bomba esté entre dos valores determinados, otra salida de relé se encienda indicando una condición de operación normal.

Una funcionalidad muy interesante es la transmisión de paquetes de comunicación HART. Utilizando nodos con soporte para este protocolo, por ejemplo dispositivos Sentinel-HART y LinkScout, se puede configurar y monitorear en forma remota un dispositivo con HART utilizando cualquier herramienta con tecnología FDT/DTM, por ejemplo PACTware. De esta manera, el usuario podrá agregar a la red de SignalFire cualquier dispositivo HART y configurarlo remotamente (incluso a miles de kilómetros de distancia). Esto es, un sistema con funcionalidades de Wireless-HART, pero sin una red WirelessHART.

 

Nuevo gateway wireless para montaje en riel DIN

 

Características principales

  • Puerto de comunicación Modbus RTU (RS485) o Modbus/TCP (Ethernet);
  • Puerto RS232 para programación local;
  • Cerramiento metálico para montaje sobre riel DIN;
  • Alcance hasta 4.800 m con línea de visión directa;
  • Apto para áreas clasificadas: Intrínsecamente Seguro - Clase I, División 2;
  • Soporte para comunicación HART (PACTware) o Radar Master (Rosemount).

 

Preparado por el Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería de Aplicaciones, Esco Argentina S.A.

Indicador y totalizador de caudal
Totalizadores de caudal wireless conectados a caudalímetros de turbina para monitorear caudales de agua y petróleo dentro de cañerías. En esta aplicación de petróleo y gas, dos unidades a la izquierda cuentan el caudal de agua mientras que a la derecha cuentan petróleo. Los totalizadores de caudal muestran displays de caudales y totales, brindando información continua en tiempo real. Se dispone de datos y diagnósticos a nivel local usando el display del totalizador de caudal alimentado por batería y también en forma remota desde un gateway con el protocolo Modbus.

 

Una solución simple y económica a la hora de implementar sistemas con instrumentación wireless utiliza dispositivos de campo que transmiten en forma inalámbrica valores de presión, temperatura, nivel, caudal, e información de dispositivos inteligentes con comunicación HART o Modbus.

También puede incorporar dispositivos que suelen utilizarse en sistemas tradicionales cableados, por ejemplo el indicador y totalizador de caudal ModQ Sentry desarrollado recientemente por SignalFire.

ModQ Sentry posee una entrada de alta sensibilidad para señales de pulsos, que puede conectarse al pickup de una turbina, de un medidor rotativo o de cualquier otro caudalímetro capaz de generar una salida proporcional al caudal. 

Mediante el display LCD local, el operador podrá leer los valores de caudal instantáneo y totalizados (general, día actual, día previo, mes actual, mes previo, etc.). 

Para prolongar la duración de la batería, el display se mantiene apagado, pero se lo puede configurar para que esté encendido permanentemente. 

Los pulsadores disponibles en el frente del equipo permiten recorrer la información del display, configurar algunos parámetros y resetear los totalizadores según el modo de funcionamiento que haya sido configurado.

Cuenta con un reloj de tiempo real mantenido con una batería interna (independiente de la batería principal) y admite la configuración de una hora de cierre diario y un día de cierre mensual. De esta forma, puede almacenar en su memoria interna los totalizados diarios del día actual y de los últimos 32 días. También guarda el totalizado del mes en curso y del mes previo, considerando el día de cierre configurado (habitualmente el día 1 del mes).

Esta funcionalidad es sumamente útil en aplicaciones en las que es necesario controlar consumos, caudales despachados, cargas o descargas de productos, etc., y no se dispone de un controlador, registrador u otro dispositivo que pueda hacer los cálculos ni recolectar diariamente la información. 

Todos los valores que está registrando ModQ Sentry están disponibles a través de su puerto Modbus para su registro y visualización.  A través de la misma comunicación también es posible resetear cualquiera de los totalizadores.

Indicador y totalizador de caudal

 

Configuración

La parametrización se lleva a cabo a través de una interface USB y desde el software Toolkit, que se entrega en forma gratuita. 

El usuario debe programar la dirección de esclavo Modbus del dispositivo, el factor K del caudalímetro (pulsos por unidad de volumen o de masa), la unidad de tiempo para el caudal, la hora de cierre de los totalizados diarios y el día de cierre del totalizador mensual.

Además, se puede elegir qué función adicional van a tener los pulsadores del panel frontal, ya que pueden usarse, por ejemplo, para resetar un totalizador de batch o despacho. 

De esta manera, el operador podrá poner a cero el totalizado directamente con el teclado local y llevar el registro del caudal medido en un despacho o descarga de producto observando el valor parcial en el display.

 

Alimentación

Este indicador/totalizador ha sido diseñado para alimentarse en forma autónoma a través de su batería interna, aunque, en caso de estar disposible, puede alimentarse con una tensión externa de entre 6 y 36 V CC, con un consumo de apenas 1 mA.  Manteniendo el display apagado durante la operación normal, la batería interna tiene una duración mayor a los 6 años, por lo que el totalizador prácticamente no requiere mantenimiento.

 

Características principales

Como características más destacadas del totalizador ModQ Sentry se puede mencionar:

  • Entrada para señal de pulsos de hasta 4 kHz.
  • Display LCD de 32 caracteres, con backlight.
  • Reloj de tiempo real con batería de backup.
  • Memoria para 32 totalizados diarios y 1 totalizador mensual.
  • Cerramiento de policarbonato de alta resistencia.
  • Apto para áreas clasificadas: Intrínsecamente Seguro - Clase I, División 2.
  • Puerto de comunicación Modbus RTU (RS485)
  • Salida de pulsos programable.
  • Alimentación dual: batería interna o suministro externo de 6-36 V CC.

 

Preparado por el Ing. Pablo Batch, Gte. Ingeniería y Servicios, Esco Argentina S.A.

La tecnología wireless para la transmisión de señales de campo se ha vuelto una alternativa cada vez más elegida en una gran cantidad de aplicaciones en las que es necesario integrar al sistema de control mediciones de nivel, presión, temperatura, caudal, estado de válvulas o actuadores, comando de bombas, etc. Esto se explica por una serie de ventajas importantes que aparecen con su implementación, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, etc.

Dentro de este contexto, la línea de productos de SignalFire permite implementar un sistema wireless que ofrece importantes ahorros desde el momento mismo de la instalación, reduciendo costos de materiales y tiempos de implementación.

 

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.

Módulo remoto wireless con múltiples entradas/salidas

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, lo que 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 wireless para señales analógicas (4-20 mA y 1-5 V) y discretas, sensores de temperatura (RTDs 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.

Módulo remoto wireless con múltiples entradas/salidas 

Módulo con múltiples entradas/salidas

Para facilitar la integración de varias señales covencionales a un sistema wireless, SignalFire ha diseñado un módulo para montaje en riel DIN con varias entradas y salidas, que incorpora, además, una radio de 300 mW. 

Este módulo, llamado WIO, ofrece la posibilidad de integrar:

  • 4 entradas analógicas de 0/4-20 mA o 0/1-5 V;
  • 4 salidas analógicas de 4-20 mA o 1-5 V;
  • 2 entradas discretas;
  • 2 salidas discretas.

Puede funcionar en dos modos diferentes, de acuerdo a lo que se requiera en la planta.

 

Reemplazo de cableado

En ocasiones en las que es necesario llevar señales convencionales a una distancia considerable, se pueden utilizar dos módulos WIO comunicándose entre ellos, realizando la función de ‘espejado’ de dichas señales. De esta forma, las entradas analógicas cableadas a un módulo aparecen como salidas analógicas en el módulo que esté apareado con el primero, y de igual modo funcionan las señales discretas.

Módulo remoto wireless con múltiples entradas/salidas

Esta funcionalidad se conoce también como ‘reemplazo de cableado’, donde lo que se conecta en un extremo de la instalación, aparece en el otro extremo, generando para el usuario un importante ahorro en el tendido de cañeros, bandejas, soportes, cables, cajas de paso, cámaras, etc.

Considerando la cantidad de entradas/salidas disponibles, un par de módulos WIO funcionando de este modo podrían estar reemplazando hasta 12 pares de cables de instrumentación, llevando señales de un punto a otro de la planta. Por lo tanto, la inversión se recupera fácil y rápidamente con el ahorro en materiales y mano de obra.

Teniendo en cuenta la potencia de las radios incluidas en los módulos, la distancia máxima entre los dos puntos puede llegar a ser de más de 4.000 m.

 

Adquisición de datos

En este modo, el WIO de SignalFire funciona simplemente como módulo de adquisición y control, mientras las señales que se conectan al mismo estarán disponibles como registros Modbus en el gateway wireless de la planta, que obviamente también tendrá disponible la información del resto de los dispositivos wireless del sistema (nodos para medición de nivel, presión, temperatura, etc.). 

De esta manera, el módulo podrá ser utilizado para agregar a un sistema wireless varias señales convencionales que estén disponibles y concentradas en algún sector de la planta, tales como un compresor, un centro de control de motores, un parque de tanques, etc.

Módulo remoto wireless con múltiples entradas/salidas

Por ejemplo, el PLC podrá leer los valores de los transmisores 4-20 mA conectados en las entradas analógicas del WIO, y escribir en los registros correspondientes a las salidas analógicas para generar la corriente necesaria para mover una válvula de control con un posicionador instalado.

 

Aplicaciones

Son muchas las aplicaciones que se pueden implementar con esta tecnología, aprovechando la ventaja de no requerir cableado y de reducir las necesidades de tendido de señales entre dos puntos.

Estas aplicaciones incluyen separadores de petróleo y gas, puentes de inyección de agua para recuperación secundaria, plantas de tratamiento de agua y efluentes, medición de nivel en tanques, monitoreo de trampas de vapor, control y monitoreo de temperatura, etc.

 

Preparado por el Ing. Pablo A. Batch, Gte. Ingeniería de Aplicaciones, Esco Argentina S.A.

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.”

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