Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic

 

Siemens acaba de presentar dos actualizaciones del firmware de los controladores Simatic que incluyen nuevas funciones:

  • El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 optimiza la integración de datos entre diferentes dispositivos y las funciones de diagnóstico.
  • El firmware v4.4 para Simatic S7-1200 amplía las funciones de comunicación, mejorando así la transferencia de datos entre plataformas y otros controladores y sistemas de niveles superiores o sistemas en la nube, tales como ERP, SCADA y nube, por ejemplo Mindsphere.

Estas prestaciones se pueden utilizar en numerosas aplicaciones, que incluyen desde uso industrial y agricultura hasta proyectos de infraestructura.

Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic
El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 optimiza la integración de datos entre diferentes dispositivos y las funciones de diagnóstico.

 

El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 CPU permite ahora el acceso remoto a los controladores Simatic S7-1500 a través de redes de IP. Los correos electrónicos con información confidencial se protegen y encriptan a través de correos seguros con archivos adjuntos. El novedoso servidor web brinda una integración de datos sencilla y segura, lo que permite a los usuarios, por ejemplo, tener acceso estandarizado a las variables para realizar sus propios análisis.

La nueva Simatic S7-1500 CPU ofrece una gran variedad de funciones de diagnóstico. El seguimiento de proyectos en diferentes dispositivos mejora los diagnósticos de la planta, independientemente de cuáles sean las CPUs involucradas.

También se han ampliado las funciones de diagnóstico para el servidor OPC UA. Gracias a la visualización de diagnósticos online, las entradas del búfer de diagnóstico y la visualización de la conexión OPC UA, es posible detectar y resolver los errores de comunicación en menos tiempo. Con el nuevo firmware v2.8, sólo es necesario reiniciar el servidor OPC UA para las descargas del TIA Portal cuando se hayan realizado cambios en los datos relacionados con OPC UA, reduciendo, por ende, los tiempos de carga.

 

Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic
El nuevo firmware v4.4 para Simatic S7-1200 mejora la conectividad con nuevas funciones de comunicación.

 

OPC UA Data Access, como servidor, permite la comunicación estandarizada horizontal y vertical, además de cumplir con estándares específicos de la industria, tales como OMAC PackML y Weihenstephan. Con esta versión, el usuario puede transmitir de forma segura datos confidenciales por correo electrónico y lograr una comunicación máquina a máquina mediante el acceso a datos.

Por su parte, OPC UA Modelling Editor (SiOME) permite a los usuarios definir modelos de información OPC UA y mapear especificaciones adicionales en el control de Simatic. Los bloques de bornes opcionales, que se colocan a presión, simplifican la instalación ya que no requieren herramientas.

Nueva app móvil para configurar transmisores de nivel por radar

 

Los dispositivos de nivel por radar son críticos a la hora de lograr mediciones exactas y confiables tanto de líquidos como de materiales sólidos. La nueva app Radar Master de Emerson simplifica la configuración en el campo de dispositivos de nivel por radar Rosemount.

Los dispositivos de nivel por radar en el campo se montan normalmente en lugares altos y difíciles de alcanzar donde, algunas veces, no se dispone de energía eléctrica in situ. Los técnicos encargados de configurar estos dispositivos, por lo general llevan consigo computadoras portátiles incómodas y fuentes de alimentación para el dispositivo suelen llevar realizar la configuración. El comunicador de dispositivos AMS Trex resuelve estos problemas al permitir que los técnicos lleven consigo un comunicador portátil que puede configurar y alimentar los dispositivos de radar mediante la app Radar Master.

Gráficos dinámicos y una interface intuitiva de pantalla táctil en la app permiten a los usuarios configurar más rápidamente los dispositivos de medición de tanques con los ajustes correctos. La geometría del tanque se dibuja para coincidir con los parámetros físicos del tanque real, lo que permite que las configuraciones de medición puedan evitar ecos falsos de objetos estáticos en el tanque, tales como escaleras, alabes de agitadores y deflectores, los que, muchas veces, demoran el proceso de obtención de mediciones exactas.

El diseño compacto del comunicador AMS Trex es ideal para trabajar en el entorno pequeño, y muchas veces peligroso, de un tanque. Su facilidad de uso con una mano, la seguridad del usuario según NFC y las clasificaciones de seguridad intrínseca aseguran un trabajo seguro y eficaz en estas áreas difíciles.

"Hoy en día, los usuarios de Radar Master pueden dejar sus computadoras portátiles al ir al campo y conseguir una configuración exacta y confiable, incluso en áreas clasificadas, con AMS Trex", explicó Anna Olander, de Emerson.

Los usuarios pueden seguir, visualizar y establecer tendencia del nivel del tanque, además de recibir información de alerta para identificar y resolver problemas usando el nuevo historizador incorporado. También se pueden visualizar y comparar instantáneas de datos de configuración pasados en el tiempo, lo que brinda una mejor información acerca del efecto de los cambios en la operación.

Cada cambio de configuración en el campo es registrado automáticamente con fecha y hora, lo que proporciona un registro de auditoria automatizado. Los cambios se actualizan en la base de datos de AMS Device Manager, siempre que AMS Trex detecte una señal Wi-Fi o una conexión USB, para garantizar la exactitud de la base de datos y la integridad de los datos de medición.

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.

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 1. La presión diferencial es el método de medición más ampliamente utilizado en las industrias químicas y petroquímicas.

 

La presión diferencial (DP según sus siglas en inglés) (figura 1) es la tecnología de medición de nivel más utilizada en las industrias químicas y petroquímicas gracias a su confiabilidad, facilidad de uso y adaptabilidad a una gran variedad de aplicaciones.

Si bien son muchas las ventajas que ofrece la medición DP en aplicaciones de nivel, aparecen también ciertos inconvenientes.

Afortunadamente, nue­vos avances en el diseño de sellos y sensores, como así también nuevas técnicas de fabricación en el llenado de sistemas de sello remoto, están extendiendo la funcionalidad de los sistemas de nivel DP a aplicaciones que antes requerían tecnologías de nivel alternativas. Estos avances también mejoran la confiabilidad de la medición de nivel DP en aplicaciones existentes, simplificando aún más su instalación.

 

Medición de nivel DP

Esta medición de nivel se ha utilizado durante décadas y por muchas razones. Los instrumentos DP son fáciles de instalar y configurar, y la tecnología se puede emplear en tanques abiertos y cerrados. Los sensores no tienen que estar dentro del tanque, de modo que las obstrucciones no son un problema, y el mantenimiento de los sensores no requiere parar el proceso.

Los instrumentos DP se pueden usar en una gran variedad de aplicaciones de medición, incluyendo nivel, caudal, monitoreo de filtros, medición de presión manométrica, etc. En consecuencia, es una tecnología muy familiar en todo el mundo y no requiere capacitación, mientras el stock de repuestos puede servir para un gran número de aplicaciones.

Los instrumentos DP se adaptan a distintas condiciones de proceso, tales como medios corrosivos, temperaturas altas o bajas, espuma, fluidos limpios o sucios, etc. Por estas y otras razones más, DP se ha convertido en la tecnología indiscutible para la medición de nivel en muchas instalaciones químicas y petroquímicas.

 

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 2. Un instrumento de medición de nivel DP consiste de dos sensores de presión – uno por encima del nivel máximo y otro en el fondo – y un transmisor que calcula el nivel.

 

Para medir nivel con DP, la presión desde las conexiones de alta presión y baja presión es enviada a un transmisor DP (figura 2). Esto se realiza normalmente a través de líneas de impulso o sellos remotos a diafragma con capilares. Ambos tipos se usan en una gran variedad de aplicaciones con sus respectivas ventajas y desventajas.

Una línea de impulso es un tubo metálico rígido que permite que el medio de proceso se contacte directamente con el cuerpo del sensor DP. Las líneas de impulso son fáciles de instalar in situ, ofrecen un tiempo rápido de respuesta a cambios de nivel, proporcionan una buena exactitud en las mediciones de nivel DP y protegen el transmisor contra las temperaturas extremas de los fluidos almacenados en el tanque.

Sin embargo, el fluido en las líneas de impulso puede causar problemas, principalmente a causa de cambios en la viscosidad cuando varían las temperaturas ambiente, lo que puede provocar inexactitud en las lecturas de presión, y, por cierto, de nivel. Si las temperaturas ambiente se tornan muy frías, el fluido puede congelarse, llevando a una pérdida total de la medición. Las líneas de impulso pueden ser aisladas y traceadas térmicamente, pero esto agrega costos y aumenta el mantenimiento requerido.

En aplicaciones con tanques cerrados, las líneas de impulso pueden usar una configuración de pata seca o de pata mojada. Estas configuraciones son susceptibles a errores de medición debido a la recolección de condensado en las patas secas o a la evaporación que provoca una pérdida de fluido en las patas mojadas. Tales aplicaciones requieren un mantenimiento regular para asegurar la confiabilidad de la medición. Además, las líneas de impulso son tubos metálicos, por lo que podría resultar difícil instalarlos en áreas confinadas, en particular cuando están aisladas.

 

Figura 3. Los sellos a diafragma remotos usan capilares para enviar presión al transmisor DP.

 

Los sellos a diafragma remotos consisten de un diafragma de sensado montado del lado del tanque, y un tubo capilar que se conecta al sensor de presión del transmisor. A diferencia de las líneas rígidas de impulso, los capilares son flexibles (figura 3) y están herméticamente sellados.

Hay disponibles una variedad de fluidos de llenado según las posibles condiciones de proceso, tales como temperaturas altas o bajas, mientras los diafragmas están disponibles en una amplia gama de materiales para abordar los distintos fluidos de proceso corrosivos. Los sellos remotos están provistos de las correspondientes conexiones de proceso y los materiales mojados adecuados para su montaje directo en el tanque.

Pero igual a lo que ocurre con las líneas de impulso, los fluidos de llenado están susceptibles a fluctuaciones de temperatura en función de la longitud y el diámetro del capilar y del tipo de fluido de llenado, lo que puede llevar a importantes errores de medición. Los sistemas de sello remoto normalmente tienen tiempos de respuesta más lentos que las líneas de impulso.

Los diafragmas de mayor tamaño, que tienen mejor sensibilidad y exactitud, pueden significar mayores costos, en especial cuando se requieren materiales exóticos, tales como Hastelloy o tantalio, o mayores especificaciones de brida.

Los sistemas de sello remoto tienen mayores costos de almacenamiento ya que son sistemas totalmente soldados, lo que reduce la flexibilidad de almacenar ítems que sirven para distintas aplicaciones, como sí ocurre con las líneas de impulso.

Utilizando líneas de impulso y sistemas de sello remoto de manera intercambiable de acuerdo a los requerimientos y condiciones específicos del proceso, los usuarios podrán emplear la medición de nivel DP en muchas aplicaciones de una instalación.

Sin embargo, las desventajas de usar líneas de impulso o sistemas de sello remoto pueden llevar a un cierto número de problemas, pequeño pero no despreciable.

En muchos casos, estos inconvenientes son tolerados por no haber una tecnología de medición de nivel alternativa aceptable.

Los transmisores DP ofrecen mediciones extremadamente exactas y estables en una gran variedad de condiciones de proceso, pero dependen de los sensores. Nuevos desarrollos en tecnología y técnicas de producción están mejorando el sensado; estos avances incluyen diafragmas de flexión asimétrica, que mejoran el tiempo de respuesta y reducen los efectos de la temperatura; fluidos de llenado específicos a la aplicación, que mejoran la prestación; y medición DP electrónica, que elimina los problemas que ocurren con líneas de impulso y sistemas de sello remoto.

 

Diafragmas de flexión asimétrica

Muchos de los inconvenientes que se dan en las mediciones DP tienen que ver con el sello remoto, específicamente errores relacionados con temperatura y tiempo de respuesta.

Los sellos a diafragma estándar flexionan simétricamente, o sea que, en el momento en que se aplica presión, el diagrama flexiona de la misma manera en todas las direcciones alrededor del punto central. Los sellos a diafragma están diseñados para minimizar el volumen de fluido de llenado (para reducir los efectos de la temperatura de proceso y ambiente) y el espesor del sello a diafragma (para lograr una mayor sensibilidad). Los fabricantes de sellos constantemente buscan reducir el volumen de fluido de llenado y el espesor del diafragma en pos de mejorar la prestación sin comprometer la integridad del sello.

Los diafragmas de flexión simétrica están propensos a errores de medición y tiempos de respuesta más lentos en caso de cambios en la temperatura de proceso y ambiente.

 

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 4. Un diafragma de sello remoto simétrico flexiona igual en todas las direcciones, mientras un diafragma asimétrico lo hace en direcciones opuestas.

 

Algunos fabricantes de sistemas de sello a diafragma han comenzado a usar sellos que flexionan asimétricamente en direcciones opuestas alrededor del punto central (figura 4). Es un sello a diafragma que flexiona de manera predecible con una buena repetibilidad, mientras usa menos fluido de llenado, lo que se traduce en sellos a diagrama de mayor espesor con una mayor durabilidad y mantienen la sensibilidad en distintos rangos.

 

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 5. Los cambios de temperatura afectan la exactitud de los sistemas de sello remoto en función de los distintos tamaños de brida. Las barra en rojo muestran los errores con sellos a diafragma simétrico convencional, mientras las barras en verde muestra el efecto menor del diafragma asimétrico TempC de Endress+Hauser.

 

Productos como la membrana TempC de Endress+Hauser tienen un perfil de sello que le permite flexionar asimétricamente. El resultado es un sello a diafragma que se destaca por una mayor sensibilidad y menores errores de medición relacionados con la temperatura respecto de membranas de flexión simétrica (figura 5).

Los diafragmas asimétricos suelen brindar una mejor exactitud y estabilidad en sellos a diafragma de menor tamaño que los diafragmas de flexión simétrica estándar. Como resultado, el uso de sellos asimétricos implica menores tamaños de brida para las conexiones de proceso. En la implementación de grandes proyectos que requieren muchas mediciones de nivel DP, cada una con especificaciones de grandes bridas y/o materiales exóticos, esto se traduce en importantes ahorros de costo. Además, menores tamaños de brida ahorran costos gracias a válvulas de aislación y otros accesorios asociados de menor tamaño.

 

Sistemas de llenado específicos a la aplicación

Los sellos a diafragma  se llenan con una cantidad mínimo de líquido de llenado para lograr el mejor tiempo de respuesta posible y sensibilidad a cambios de presión. En los procesos de llenado estándar, el mismo sello se limpia cuidadosamente y se lo expone a vacío durante un cierto tiempo para sacar todo el gas antes de que se realice el llenado. Este es un aspecto crítico del proceso, ya que la presencia de una pequeña cantidad de gas residual en un sistema de sello a diafragma hace que la medición de presión se vuelva inestable e inexacta.

Previo al llenado, el fluido de llenado es tratado para reducir su viscosidad y garantizar un buen llenado. Una vez completado el proceso y el capilar soldado al transmisor, se procede a calibrar el instrumento de presión de acuerdo a los requerimientos del cliente.

Este proceso de llenado del sello a diafragma es prácticamente igual en todo el mundo, pero es necesario tener en cuenta los efectos de las condiciones de proceso específicas al proceso, que pueden afectar adversamente la medición.

Recientemente han aparecido nuevos métodos de llenado para resolver este problema. El llenado del fluido en condiciones de alto vacío es todavía más o menos igual que en los procedimientos estándar; pero ahora, la cantidad de fluido de llenado queda predeterminada por el sistema de sello. En el momento de realizar el llenado, se mide la cantidad de fluido ingresado en el sistema de sello a diafragma para garantizar que el dispositivo se ha llenado por completo.

El siguiente paso en este proceso de llenado es determinar la posición de la membrana de medición. La posición se adapta a la aplicación del cliente, al tipo de fluido de llenado requerido y al material de la propia membrana. Si el sello se encontrará expuesto a una temperatura de trabajo de 300°C, la cantidad de fluido y la posición de la membrana se corrigen de modo que la membrana esté en la mejor posición posible en esas condiciones de proceso específicas.

La nueva forma de producir instrumentos de presión DP con sellos a diafragma y capilares les brinda a los usuarios una mayor exactitud y una información de proceso más confiable en condiciones difíciles.

 

Medición de nivel DP electrónica

Según lo mencionado anteriormente, las principales limitaciones a la hora de implementar un sistema de medición de nivel DP no tienen nada que ver con el transmisor. Los mayores problemas surgen de las líneas de impulso o sello remoto y los capilares.

Las líneas de impulso están susceptibles a taponamiento, fugas y heladas, todo lo cual afecta negativamente la medición. Por su parte, los sistemas de sello remoto también están propensos a grandes errores de medición debido a variaciones de temperatura ambiente o de proceso.

Hasta hace poco, las únicas soluciones utilizaban líneas de impulso o capilares de menor diámetro, lo que afecta adversamente el tiempo de respuesta, o incorporaban sistemas costosos de aislación o traceado térmico. Hoy en día, muchos de estos inconvenientes pueden ser evitados instalando transmisores DP electrónicos.

En lugar de transmitir presión desde las conexiones de alta presión y baja presión a través de líneas de impulso o sello remoto/capilares, los transmisores DP electrónicos miden nivel con dos sensores de presión montados en la parte superior e inferior del tanque, donde uno de los sensores está siempre por debajo del nivel mínimo del fluido de proceso y el otro siempre por encima del nivel máximo del fluido de proceso. Cada sensor mide de manera independiente la presión manométrica o absoluta, y luego envía las señales de vuelta a un transmisor DP electrónicamente.

Los sensores van montados directamente en el tanque, mientras el cableado de señal conecta los sensores al transmisor, eliminando la necesidad de líneas de impulso o capilares (figura 6).

Sin líneas de impulso o tubos capilares, el transmisor DP electrónico elimina los inconvenientes relacionados con accesorios que pierden, taponamiento, heladas y tiempos de respuesta lentos.

Las ventajas incluyen menos mantenimiento, reducidos efectos de temperatura o ninguno, y tiempos de respuesta rápidos y estables.

Los sistemas DP electrónicos son modulares, lo que permite reemplazar individualmente los componentes según necesidad.

Un sistema DP electrónico puede ser reconvertido fácilmente utilizando las mismas conexiones de proceso, montaje y cableado implementados en el sistema de nivel DP existente. El sistema se conecta al mismo punto de entrada del sistema de control, con el mismo escalado que el sistema de nivel DP a ser reemplazado.

Utilizando sistemas de nivel DP electrónicos, los usuarios finales todavía conservan las ventajas de una medición de nivel DP, mientras quedan eliminadas muchas de las desventajas que limitan sus aplicaciones.

 

Resumen

Si bien hay muchas tecnologías de medición de nivel, DP es la medición de uso más común en instalaciones químicas y petroquímicas. La medición de nivel DP puede estar propensa a una gran variedad de inconvenientes, tales como taponamiento en líneas de impulso o derivas relacionadas con la temperatura en sellos remotos y capilares.

Afortunadamente, han aparecido nuevas tecnologías, tales como diafragmas de flexión asimétrica, técnicas de llenado específicas a la aplicación y transmisores de presión diferencial electrónicos, que mejoran las aplicaciones existentes de medición de nivel DP y abren nuevas oportunidades de aplicación allí donde antes DP no podía cumplir con la tarea.

 

Preparado en base a una presentación de Ehren Kiker, gerente de producto en Endress+Hauser.

Hace 15 años, SICK revolucionaba la tecnología de medición de gas por ultrasonido con Flowsic600 para aplicaciones de custody-transfer y proceso, y luego con Flowsic500 para mediciones en redes de distribución de gas. 

Basado en la experiencia lograda con más de 15.000 caudalimetros vendidos en todo el mundo, el nuevo Flowsic600-XT utiliza el tradicional y eficiente diseño de 4 haces paralelos (conocido también como configuración Westinghouse).  De esta forma, la medición de la velocidad del gas en la cañería se hace utilizando los tiempos de tránsito de la señal ultrasónica directa entre los transductores, sin rebotes en el interior de la cañería. 

Nuevo caudalímetro ultrasónico para gas

Al eliminar los rebotes de la señal se consigue mayores niveles de performance y confiabilidad, que no se ven afectados por la suciedad en las paredes de la cañería o por cambios en la rugosidad.

Además, gracias a la mayor relación señal/ruido que se consigue de esta forma, el caudalímetro no se ve afectado por el ruido que pueden generar las válvulas de control.

Al igual que su predecesor, el caudalímetro Flowsic600-XT mantiene los cables de los transductores completamente protegidos dentro del cuerpo del caudalímetro, haciéndolo apto para las más severas condiciones ambientales. 

El diseño optimizado de los transductores y del cuerpo del medidor hace posible tener transductores extraíbles bajo presión incluso en los caudalímetros más pequeños de 3”. Cabe mencionar también que, en este diseño, el transductor se extrae completamente, lo que permite una limpieza eficiente de los mismos en caso de suciedad extrema. Esto es muy diferente a lo que ofrecen otros fabricantes, donde los transductores pueden retirarse fácilmente pero la barrera que los aisla del proceso queda fija en el cuerpo del caudalímetro y, por lo tanto, no puede limpiarse nunca sin detener completamente el proceso.

El display multifunción queda protegido debajo de una robusta tapa metálica y le facilita al operador el acceso a la información de la medición directamente en campo, sin necesidad de conectarse al mismo con una computadora o desde la sala de control.

Nuevo caudalímetro ultrasónico para gas

También incorpora un puerto infrarrojo dedicado que permite la conexión con el software de configuración y diagnóstico FLOWgate. Esto facilita al personal de la planta las tareas de mantenimiento en caso de que prefieran trabajar in situ.

En Flowsic600-XT se ha logrado una perfecta combinación entre tecnología y diseño industrial de avanzada, ya que se han podido conjugar características técnicas únicas con líneas estéticas innovadoras, lo que le ha valido el prestigioso galardón iF Design Award.

 

Configuraciones disponibles

Dentro de la familia Flowsic600-XT y de acuerdo al tipo de aplicación y de la exactitud requerida, se puede optar por las siguientes variantes:

 

  • Flowsic600-XT (4 haces) - Modelo estándar con electrónica para 4 haces ultrasónicos.
  • Flowsic600-XT 2Plex (4 + 1 haces) - Combina un caudalímetro de 4 haces y uno para diagnóstico de 1 haz en el mismo spool, con electrónicas separadas. Permite detectar fácilmente alteraciones en el perfil de velocidades producidas por condiciones de la cañería o del acondicionador de caudal.
  • Flowsic600-XT Quatro (4 + 4 haces) - Combina dos caudalímetros fiscales de 4 haces en el mismo spool, con electrónicas independientes. Permite tener dos mediciones simultáneas, con total redundancia.
  • Flowsic600-XT Forte (8 haces) - En este diseño se tienen 8 haces en el mismo spool conectados a una sola electrónica. Permite lograr la exactitud requerida aún en instalaciones con pocos tramos rectos disponibles. Cumple con OIML R137 Clase 0,5 con solo 5D de tramo recto o Clase 1 con solo 2D de tramo recto, sin acondicionador. Ningún otro caudalímetro en el mercado puede alcanzar estas clases de exactitud con tan pocos tramos rectos.

i-diagnostics

Esta funcionalidad implementada en el caudalímetro Flowic600-XT es la combinación del firmware del caudalímetro con el nuevo software FLOWgate, y se basa en la información de autodiagnóstico inteligente CBM (Condition Based Mainte­nance o Mantenimiento Basado en Condi­ciones).

Con toda la información recolectada en tiempo real, el caudalímetro es capaz de detectar y reportar rápidamente cambios en la condición normal de funcionamiento, tales como suciedad en los transductores, presencia de líquido en la cañería, bloqueo del acondicionador de flujo, ruido ultrasónico, etc.  De esta manera, el operador de la planta podrá tomar medidas con mayor rapidez para mantener la integridad y la calidad de la medición.

Otra de las características destacadas de Flowsic600-XT es el uso de haces de diagnóstico generados a partir de la señal ultrasónica cruzada entre los haces centrales.  Estos haces extra ofrecen información adicional de diagnóstico que permite, por ejemplo, detectar y compensar con mayor facilidad el swirl generado en el perfil de velocidades del gas cuando los tramos rectos antes del punto de medición no son los apropiados y no se está usando un acondicionador de flujo.

 

FLOWgate

Es la nueva plataforma de software para configuración y diagnóstico de todos los caudalímetros ultrasónicos de SICK, que incluye tanto al nuevo Flowsic600-XT, como a Flowsic600, Flowsic500, Flowsic30, etc. 

Conforma una interface moderna y muy amigable para el operador, incorporando asistentes que facilitan la realización de las tareas más habituales, tales como puesta en marcha del medidor, reportes de mantenimiento, análisis de las condiciones de operación, etc. 

Puede descargarse y actualizarse en forma gratuita de la Internet, por lo que no representa un gasto adicional en el momento de la compra del caudalímetro.

 

Tecnología PowerIn

El avanzado desarrollo de la electrónica y de los transductores del caudalímetro reduce considerablemente el consumo. 

Con esta funcionalidad, el caudalímetro puede seguir midiendo aún en caso de falla de la alimentación externa, utilizando una batería de respaldo incorporada. En función de las señales que el caudalímetro tenga que mantener activas, la autonomía puede ser de hasta 2 meses (manteniendo activas las dos salidas de pulsos) o casi 3 meses (desactivando las salidas pero manteniendo los totalizados en forma local).

 

Corrección automática por las condiciones de proceso

Flowsic600-XT puede incluir opcionalmente un sensor de presión y temperatura integrado dentro del cuerpo del caudalímetro, que permite implementar correcciones en la geometría y en el número de Reynolds en forma automática. Este sensor puede ser retirado con el caudalímetro en funcionamiento.

Además, siempre existe la posibilidad de que estos valores de presión y temperatura puedan ser leídos de transmisores externos inteligentes con comunicación HART o Modbus.

Esta característica permite, por ejemplo, que el caudalímetro pueda ser ensayado en laboratorio a una presión diferente a la de la aplicación final, dado que el impacto del cambio de presión (y de temperatura) en el resultado de la medición está siendo corregido en forma automática. Resultados de laboratorio obtenidos en diferentes condiciones de trabajo avalan esta funcionalidad.

 

Conectividad de avanzada

Para integrar la medición de caudal con computadoras o sistemas de control, la electrónica del Flowsic600-XT ofrece:

  • 1 salida analógica de 4-20 mA;
  • 2 salidas de pulsos de alta frecuencia;
  • 2 salidas discretas para indicación de estado de la medición y alarmas;
  • 3 puertos de comunicación Modbus RTU/ASCII sobre RS485, con mapa configurable por el usuario;
  • 1 puerto infrarrojo en el display para programación local;
  • 1 puerto de comunicación Ethernet (opcional).

 

Aplicaciones

Flowsic600-XT puede utilizarse en una amplia gama de aplicaciones:

  • Custody-transfer de gas natural y de gases especiales (O2, N2, CO2, H2, Cl2, etileno, etc.);
  • Verificación de medidores (master-meter);
  • Vapor hasta 280°C y aplicaciones criogénicas hasta -194°C;
  • Gases con alto contenido de H2S (>25%) como biogas o sour-gas.

 

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

Los controladores programables y los sistemas de control basados en PC han tomado completa relevancia en los entornos industriales, cada uno aportando diferentes beneficios que permiten acelerar la producción y mejorar la eficiencia.

En consecuencia, los operadores de planta que logren integrarlos de manera eficiente podrán obtener ventajas importantes en su desempeño.

Cuando las PCs y los PLCs trabajan integrados, es posible alcanzar sin inconvenientes niveles superiores de procesamiento y control. Y esto es importante en aplicaciones industriales donde corren en paralelo múltiples funcionalidades.

 

PCs y PLCs se unen para mejorar la eficiencia en una nueva multiplataforma de control SIMATIC
Plataforma Multifuncional MFP ST-1518.

 

Los avances en microprocesadores y software permiten ahora combinar PCs y PLCs en un solo equipo, que puede ser utilizado por los operadores de planta en su búsqueda de mejorar la eficiencia operativa y, al mismo tiempo, ahorrar espacio en la instalación.

"Las fábricas inteligentes podrán lograr un mejor resultado, mientras las empresas aumentarán su eficiencia si se cierra la brecha entre las funciones realizadas por PCs y PLCs", explicó Tim Parmer, gerente de Siemens Industry. "IIoT y la digitalización también son factores clave que impulsan esta transición".

Los requerimientos actuales de fabricación tienen que ver con nuevos niveles de capacidad de procesamiento que utilizan pruebas avanzadas con gemelos digitales para obtener mejores diseños y acortar tiempo de comisionamiento. Estos gemelos son duplicaciones virtuales de las líneas de producción y de las máquinas, simulando procesos completos, lo que permite su configuración integral y el diagnóstico de los requerimientos funcionales y operativos antes de que se construya la primera máquina.

Para abordar este nivel de requerimientos de manera más eficiente, Siemens ofrece ahora la Plataforma Multifuncional (MFP) S7-1518. Es uno de los primeros sistemas que combinan un PLC modular robusto estándar de mercado y una PC robusta en una sola plataforma de hardware. MFP entrega la capacidad informática necesaria para manejar una amplia gama de tareas industriales modernas, mientras las configuraciones de toda la planta cumplen con los requerimientos de fabricación flexibles de la fábrica digital.

Se considera que la integración de estas dos tecnologías mejorará la eficiencia de la fabricación, aumentando al mismo tiempo la capacidad de usar big data en el piso de planta.

Las PCs son más eficientes a la hora de manejar tareas de alto nivel, tales como acceso a funciones compartidas, programación utilizando APIs abiertas, incluso correr algoritmos complejos que brindan flexibilidad al piso de planta con menos programación.

Las capacidades de comunicación de big data de MFP, junto con APIs abiertas, proveen flexibilidad en tiempo real para la fabricación digital.

 

MFP permite utilizar bloques compilados de Matlab en TIA Portal.

 

La incorporación de poderosos procesadores multinúcleo permite combinar un PLC y una PC en una sola plataforma de hardware con procesos en tiempo de ejecución independientes. Hay núcleos separados dedicados al PLC, mientras que otros núcleos ejecutan tareas optimizadas de PC en un entorno aparte pero conectado.

Correr funciones de PCs y PLCs en núcleos dedicados en un mismo sistema se traduce en beneficios adicionales y un desempeño que mejora la producción.

En cuanto a las tareas para programar en C++, que necesitan sincronización en tiempo real con la operación de la máquina, podrán ser puestas en marcha y coordinadas por el PLC mientras los procesos enfocados externamente continúan ejecutándose en paralelo en el sistema operativo Linux. Esto conforma una combinación perfecta basada en tareas que alinea las funciones con el sistema más adecuado para el proceso.

Además de los beneficios operacionales, este combo ocupa mucho menos espacio que una arquitectura con una PC instalada aparte que resida en la máquina.

Las PCs también pueden correr lenguajes de alto nivel, brindando acceso a una gran cantidad de APIs de código abierto ya desarrolladas y diseñadas para compartir. Por ejemplo, hay muchos programas en C++ disponibles para compartir en el espacio de IIoT que reducen el tiempo de programación. Se los puede implementar tal cual o reconfigurarlos para cumplir con requerimientos específicos. Es más fácil encontrar programadores versados en lenguajes y matices de programación de estas tecnologías que serán mucho más eficientes si se compara con la creación de programas de lógica escalera.

Por ejemplo, utilizando el paquete SIMATIC ODK 1500S, es posible compilar en funciones de PLC S7-1500 algoritmos programados en lenguajes ‘matemáticos’, tales como los empleados en Matlab y que se pueden testear en los ambientes académicos con Simulink.

Otro beneficio de la plataforma MFP híbrida es que está totalmente diseñada como un PLC robusto de piso de planta y que lleva la porción de PC al estándar del PLC modular.

Como es normal para S7-1518 en MFP, se dispone de diagnósticos a nivel de sistema sin la programación especial que se requiere para enunciar mensajes y alarmas en las pantallas de HMI, lo que facilita el mantenimiento para restaurar rápidamente la operación de la máquina incluso cuando la PC esté causando la falla. Todo gestionado con las herramientas ya conocidas de TIA Portal.

Como resultado, este ‘controlador híbrido’ MFP con diagnósticos mejorados será más confiable que usar dos tipos separados de hardware a la hora de conseguir la operación deseada de la máquina. Además, ahorra espacio, mejora la performance usando algoritmos de particular complejidad cuyo desarrollo encuentra sus límites con las herramientas estándar IEC 61131-3 de programación de PLCs, flexibiliza el desarrollo de interfaces de comunicación, gestiona el big data y allana el camino hacia mayores logros en eficiencia.

 

Preparado con material suministrado por Siemens S.A. y el asesoramiento del Ing Andrés Gorenberg.

Recientes desarrollos eliminan calibraciones innecesarias y aceleran el tiempo que toma realizar calibraciones en el campo.

 

Avances en los procedimientos de calibración de temperatura
En las industrias biotecnológicas, llegar a un sensor de temperatura puede ser un problema a causa del gran número de dispositivos circundantes y a la necesidad de mantener la limpieza.

 

Los procesos críticos en la industria farmacéutica y de biotecnología suelen exigir una calibración frecuente de la instrumentación de temperatura. 

Normalmente, la tarea de calibración requiere parar un proceso más o menos cada seis meses para remover y reemplazar un instrumento. A continuación se debe llevar el instrumento a un laboratorio donde se lo puede probar para ser calibrado dentro de las especificaciones.

Recientes desarrollos en la tecnología de sensores de temperatura permiten ahora que un sensor pueda determinar por sí mismo si realmente necesita calibración, eliminando así calibraciones innecesarias en el laboratorio. Cuando un sensor necesita calibración, hay otros nuevos desarrollos que recortan a la mitad el tiempo necesario para calibración.

Este artículo se refiere a la necesidad de calibraciones frecuentes en biotecnología y de qué manera la tecnología de sensores facilita y abarata las calibraciones.

 

Calibrar es imprescindible

En fecha reciente, QRM (Quality Risk Management) ha pasado a ser un requerimiento obligatorio de las reglamentaciones que rigen la fabricación de medicamentos. 

La FDA (Food and Drug Adminis­tration) de Estados Unidos y la EMA (European Medicines Agency) publican recomendaciones y regulaciones que han de cumplir usuarios y proveedores del sector.

Por su parte, ISO9001:2008-7.6, Good Manufacturing Practice (GMP) y las regulaciones y estándares de WHO (World Health Organization) exigen calibrar o verificar los equipos y la instrumentación a intervalos específicos contra patrones de medición trazables de acuerdo a estándares internacionales o nacionales. El problema con los ciclos programados de calibración es el desempeño de los instrumentos entre calibraciones.

La línea azul en la figura 1 muestra de qué manera un instrumento se desvía con el tiempo a causa de la deriva del sensor, envejecimiento y otros factores antes de que sea recalibrado de vuelta según las especificaciones iniciales cada seis meses. Las desviaciones entre calibraciones se deben mantener siempre por debajo de un nivel aceptable. Sin embargo, la posibilidad de que haya una situación ‘fuera de especificación’ no detectada aumenta gradualmente con el tiempo, lo que se traduce en un mayor riesgo de problemas con la calidad del producto.

Si un sensor de temperatura se sale de especificación antes de la siguiente calibración, es necesario abordar algunas cuestiones difíciles:

  • ¿Cuándo se salió de la especificación?
  • ¿Cuántos lotes han sido afectados desde entonces?
  • ¿Los productos elaborados a partir de estos lotes han de ser retirados?

Como ideal, los sensores de temperatura deberían calibrarse después de cada lote. Los costos de realizar calibraciones innecesarias incluyen trabajo y pérdida de producción, y también hay una cierta cantidad de riesgo involucrada a la hora de manipular y quizás dañar el instrumento. 

En la mayoría de los casos, el ciclo de calibración es un cálculo estadístico basado en el riesgo de una deriva excesiva del sensor versus el costo de realizar calibraciones manuales.

La naturaleza tipo producción en lotes de los procesos de biotecnología, donde los lotes pueden durar días o semanas, no admiten en la práctica este enfoque. La fermentación es un buen ejemplo.

Avances en los procedimientos de calibración de temperatura
Figura 1. Ciclo de calibración de seis meses basado en la recomendación del fabricante.

 

Procesos de fermentación

La fermentación se usa en los cultivos celulares. Los cultivos consumen una solución de nutrientes, se multiplican y así generan el producto deseado. Normalmente, la fermentación tiene lugar en una serie de bioreactores, que se suelen fabricar en acero inoxidable 316L y están encamisados para frío o calor según lo requiera la reacción.

El cultivo celular es colocado en el bioreactor, que se llena con una solución de nutrientes. Esta solución varía de acuerdo al cultivo celular específico y al producto deseado pero normalmente consiste de glucosa, glutamina, hormonas y otros factores de crecimiento. 

Los álabes de un agitador se encargan de que la solución y el cultivo celular se mezclen a fondo para promover un crecimiento eficiente dentro del tanque. Los bioreactores están conectados en serie, donde cada tanque sucesivo es mayor que el anterior para contener la creciente masa celular.

El producto resultante de las reacciones puede ser desde antibióticos hasta vacunas y otros productos basados en células. Los productos residuales típicos de las reacciones son CO2, amoníaco y lactato. Después de haberse consumado la solución de nutrientes, la reacción queda completada obteniéndose el resultado deseado, luego de lo cual la solución es enviada al proceso de recuperación donde se separa el producto de las células muertas y otros residuos.

Los lotes de fermentación se dividen básicamente en varias fases: preparación del medio estéril, fermentación, recuperación, limpieza CIP (Clean In Place), enjuague final y esterilización SIP (Sterilization In Place). 

Por su parte, los tres tipos comunes de procesos de fermentación en lotes son: lote individual, lotes de recuperación/alimentación intermitentes y lote continuo.

  • Un proceso de fermentación de un solo lote se desarrolla hasta que no haya más nutrientes para que consuma el cultivo. Un lote típico puede durar de 7 a 14 días.
  • Los lotes de recuperación intermitente son similares a los lotes individuales salvo que, en el momento en que se agotan los nutrientes y se recupera el producto, se agrega una solución de nutrientes fresca para lograr ciclos de lotes más prolongados. Un lote típico dura de dos a tres semanas. De manera similar, un proceso con lote alimentado agrega nutrientes y solución de alimentación adicionales, pero deja que la recuperación se realice una vez finalizado el ciclo del lote. La producción de vacunas suele ser de recuperación intermitente, mientras la producción de proteínas suele ser de lote alimentado.
  • Un lote continuo agrega sin interrupción nutrientes y recupera el producto y los residuos con un dispositivo de retención celular, lo que se traduce en una mayor concentración de producto. Este tipo de lote se usa especialmente en procesos lábiles, tales como producción de células madre. Los nutrientes y el nuevo cultivo celular se agregan de manera continua, mientras la recuperación se realiza sin interrumpir el proceso. El proceso sólo se detiene para mantenimiento, limpieza/esterilización del tanque o calibración.
Avances en los procedimientos de calibración de temperatura
En un tanque de fermentación se usan múltiples sensores de temperatura.

 

En caso de lotes que duran varias semanas, o incluso meses, un sensor de temperatura fuera de especificaciones no detectado podría arruinar todo el lote, a un costo de varios millones de dólares en productos estropeados.

Esto se debe a la temperatura, que suele ser el parámetro medido más importante en los procesos de fermentación. La temperatura se utiliza para optimizar el crecimiento y la productividad y para monitorear las condiciones en el tanque. La temperatura es importante a la hora de mantener la solubilidad del medio y para conseguir condiciones estables para la producción de proteínas. 

Los fermentadores suelen tener múltiples sensores que monitorean la temperatura en distintos niveles dentro de la solución a fin de conseguir una temperatura uniforme. Los sensores de temperatura también se encuentran en la camisa del tanque para asegurar un nivel adecuado de calentamiento o enfriamiento del tanque.

 

Limpieza

Es importante que los elementos biológicos indeseados (por ejemplo, bacterias extrañas) no crezcan en los tanques. La contaminación de los tanques puede provocar la pérdida de lotes o incluso la destrucción completa y la necesidad de reconstruir los tanques. Por lo general, los tanques de fermentación se limpian y esterilizan entre cada lote con procedimientos CIP y SIP.

CIP es un proceso de limpieza que consiste en inyectar agua caliente, introducir una base para neutralizar ácidos, seguido por otra inyección de agua caliente. Una vez terminados estos pasos, todo el tanque se enjuaga con agua. 

SIP es un proceso de esterilización que consiste en inyectar vapor en el tanque y mantener la temperatura alrededor de 121°C durante hasta una hora.

Por lo general, CIP se usa para limpiar biorreactores, fermentadores, tanques de mezcla y otros equipos utilizados en las industrias biotecnológicas, farmacéutica y de alimentos y bebidas. 

CIP remueve o elimina componentes de anteriores lotes de cultivo celular. Remueve los residuos en el proceso, controla la biocarga y reduce los niveles de endotoxinas en equipos y sistemas de procesamiento, lo cual se logra con una combinación de calor, acción química y flujo turbulento que elimina los precipitados minerales y los residuos de proteínas. La solución cáustica (base) es la principal solución de limpieza, que se aplica mediante recirculación de un solo paso a través del biorreactor, seguida por un enjuague con agua de inyección o agua pura. El lavado con solución ácida remueve los precipitados minerales y los residuos de proteínas.

Las termorresistencias de platino de 100 ohms de tres hilos son el tipo de sensor de uso más común. En este sentido, cabe señalar que una elevada exactitud y una rápida respuesta son factores importantes para la medición de temperatura en fermentadores, de modo que los sensores deben ser calibrados regularmente para mantener la exactitud de la medición. Los sensores dentro de un tanque también se los compara entre sí para monitorear una posible deriva del sensor.

A diferencia de los procesos CIP/SIP, no siempre se realiza la calibración de sensores entre los distintos lotes. Una razón es que la calibración consume mucho tiempo y requiere que todo el proceso esté detenido, lo que se traduce en una menor producción. Esto da como resultado tener que buscar un compromiso entre exactitud y confiabilidad de la medición para evitar niveles inaceptables de incertidumbre en el proceso entre calibraciones. Se debe tener mucho cuidado con estos compromisos a la hora de establecer un programa de calibraciones. 

Los ingenieros de confiabilidad de proceso deben analizar cuidadosamente para establecer las frecuencias de calibración. Calibrar con demasiada frecuencia puede llevar a reducciones inaceptables de la producción, mientras que calibrar muy rara vez puede dar como resultado un producto fuera de especificaciones. Se deben apuntar a productos y sensores con una mejor estabilidad a largo plazo, menor deriva y, si es posible, auto-monitoreo para descubrir si un sensor está fuera de tolerancia entre los ciclos de calibración.

Avances en los procedimientos de calibración de temperatura
TrustSens de Endress+Hauser es un sensor de termorresistencia con autocalibración durante cada procedimiento SIP.

 

Sensores de auto-monitoreo

Uno de los más recientes desarrollos son los sensores de temperatura de auto-calibración, que incorporan una referencia de alta precisión dentro del propio sensor de temperatura. Esto se consigue utilizando un punto físico fijo conocido como punto Curie o temperatura Curie. El punto Curie es la temperatura en la cual cambian abruptamente las propiedades ferromagnéticas de un material. Este cambio en las propiedades puede ser detectado electrónicamente, lo que permite determinar el punto donde se llega a la temperatura Curie.

El punto Curie de un determinado material es una constante fija específica en todos los materiales de ese tipo. El sensor utiliza este valor como sensor de referencia de dicho material, lo que ofrece un punto físico fijo que se puede usar como referencia de comparación con el sensor de temperatura de termorresistencia real. 

La temperatura Curie del material para procesos por lotes es de 118°C. Cada vez que se inicia una fase de enfriamiento a partir de una temperatura superior a 118°C (por ejemplo, desde 121°C durante la fase de enfriamiento de todos los procesos SIP), el sensor se calibra automáticamente.

Cuando se alcanza la temperatura Curie de 118°C, el sensor de referencia transmite una señal eléctrica. Al mismo tiempo se realiza en paralelo una medición mediante el sensor de temperatura de termorresistencia. La comparación entre estos dos valores es una calibración que identifica errores en el sensor de temperatura. Si la desviación medida se sale de los límites establecidos, el dispositivo emite una alarma o un mensaje de error, que también es desplegado vía LEDs. 

Los datos de calibración adquiridos son enviados electrónicamente y pueden ser leídos usando un software de gestión de activos, por ejemplo Field­Care de Endress+Hauser. Esto también permite crear automáticamente un certificado auditable de calibración.

Con un tal sensor, la calibración se realiza ahora automáticamente cada vez que la temperatura atraviesa el punto Curie en procesos SIP, lo que reduce el riesgo de errores de proceso relacionados con deriva, que podrían llevar a una costosa pérdida de producción. En algunos casos, esto permitiría que una instalación pueda reducir la frecuencia de los intervalos de calibración manual, aumentando así la producción.

Avances en los procedimientos de calibración de temperatura
La opción Quick Neck de Endress+Hauser permite remover un sensor sin tener que desconectar sus cables.

 

Calibraciones más rápidas

A la larga se deben calibrar todos los sensores. Esto implica remover el sensor del proceso, lo cual requiere tiempo y está sujeto a errores. El mayor problema es que, en la mayoría de los sensores, es necesario desconectar los cables mientras se retira el sensor y luego se los vuelve a conectar finalizada la calibración. Si bien el procedimiento es bastante simple, pueden producirse errores de cableado, ya que las terminaciones de cableado son problemáticas en cualquier entorno de manufactura. Tal procedimiento toma normalmente alrededor de 30 minutos.

Si el transmisor no es recableado correctamente o se daña el cableado, el tiempo total de calibración podría aumentar en 10 a 20 minutos. En algunos casos, si el daño en los cables del sensor es demasiado severo, quizás se tenga que reemplazar el sensor de temperatura calibrado.

Otro desarrollo reciente tiene que ver con sensores de termorresistencia que no requieren desconectar los cables cuando se retira el sensor. El técnico simplemente tuerce la parte superior del sensor un cuarto de vuelta, y el sensor puede ser removido fácilmente. Eliminar la necesidad de desconectar y reconectar cableado recorta el tiempo de calibración a la mitad. La calibración se puede realizar en aproximadamente 15 minutos.

 

Resumen

La temperatura es una medición tan crítica en los procesos biotecnológicos que las regulaciones exigen una calibración regular de los sensores de temperatura. 

La mayoría de las plantas calibran sensores cada seis meses, pero los sensores pueden salirse de calibración durante ese tiempo, echando a perder lotes de alto costo. 

La nueva tecnología hace posible que las termorresistencias se calibren ellas mismas al final de cada lote. Y cuando se necesita calibración, otro desarrollo elimina la necesidad de desconectar cables, recortando el tiempo de calibración a la mitad.

 

Preparado en base a una presentación de Ehren Kiker, gerente de marketing de Endress+Hauser. Las imágenes son gentileza de Endress+Hauser. 

Nueva generación de controladores abiertos, flexibles y a prueba del futuro

Hoy en día, hay más dispositivos conectados en red que personas, y la tendencia se acentúa. La tradicional pirámide de automatización está siendo reemplazada por estructuras en red y tecnologías en la nube. Los requerimientos de seguridad, apertura e interoperabilidad de estos sistemas se están ampliando.

"Los ciclos de innovación se están acortando y se necesitan herramientas y procesos de desarrollo para cumplir con el tiempo cada vez más corto que se exige para llegar al mercado", explicó Roland Bent, CTO de Phoenix Contact en Alemania. Pero, ¿Qué significa esto para fabricantes y usuarios? ¿Qué oportunidades podrán surgir de tales desarrollos tecnológicos?

Además de los lenguajes clásicos de IEC 61131-3, o sea diagrama de bloques de función (FBD), diagrama tipo escalera (LD), diagrama funcional de secuencias (SFC) y texto estructurado (ST), los PLCs serán programados cada vez más en lenguajes de alto nivel, tales como C ++ y C #.

Las aplicaciones de tecnología de control utilizan programación basada en modelos, por ejemplo Matlab Simulink. Los ingenieros de automatización no sólo deben incorporar estos lenguajes, que a menudo son nuevos para ellos, sino que, debido al avance de Industrie 4.0 e IoT, también deben responder a requerimientos adicionales en cuanto a conectividad. Estos desarrollos incluyen el tema de la seguridad de los datos, que cada vez es más importante.

Dentro de este contexto, Phoenix Contact introdujo el término ‘PLCnext Technology’, que intenta responder a las cuestiones tecnológicas que plantean las aplicaciones actuales y futuras en cuanto al mayor nivel posible de apertura.

"Hasta hace poco, la programación del controlador, asumiendo que es determinística en principio, sólo era posible usando lenguajes definidos de programación de PLC", comentó Bent. "Es aquí donde PLCnext Technology simplifica la ingeniería, ya que representa una plataforma abierta en la que múltiples desarrolladores, de distintas generaciones y disciplinas de programación, pueden trabajar en paralelo en un programa de control".

 

La base de PLCnext Technology es una capa inteligente entre el programa de aplicación y el sistema operativo, que pueden usar todos los componentes del sistema para intercambiar datos sincrónicamente y en tiempo real, y que también ofrece un fácil acceso a los servicios del sistema, tales como zócalos Ethernet.

Gracias a sus interfaces abiertas, el usuario puede usar la capa intermedia para integrar e instalar sus propios programas (Apps) y para comunicarse con los demás componentes del sistema y el sistema operativo. Esto se consigue sin importar si los programas fueron creados de manera convencional en IEC 61131-3, en lenguajes de alto nivel, por ejemplo C# o C/C ++, o por medio de Matlab Simulink. El desarrollador define la herramienta de software más adecuada para la correspondiente aplicación o incluso puede combinar varias herramientas.

Mientras un programador en IEC 61131-3 puede usar el nuevo software PC Worx Engineer, o generar y cargar modelos directamente en Matlab Simulink, un programador en lenguajes de alto nivel puede elegir entre Visual Studio y Eclipse, lo que significa que cada usuario desarrolla con su herramienta preferida, eliminando costos de capacitación en otras herramientas de programación.

Un año después de la introducción de PLCnext Technology en el mercado, Phoenix Contact desarrolló el primer controlador industrial basado en esa tecnología: PLCnext Control (AXC F 2152). La familia de productos PLCnext Control comienza con una arquitectura de hardware de doble núcleo con una memoria de 512 MB y una velocidad de reloj de sistema de 800 MHz. 

En comparación con la tecnología de un PLC convencional, esto parece impresionante, pero no es la innovación principal. PLCnext Control incorpora una arquitectura Linux con un núcleo expandido que incluye capacidad en tiempo real, integrando así el mercado de controladores descentralizados y modulares de pequeña escala.

Los sistemas operativos Linux ofrecen ventajas, tales como integridad de sistema, estabilidad y comunicación segura, además de apertura y flexibilidad óptimas. Linux también se destaca por una mejor portabilidad para varias plataformas de hardware y acepta escalado o una futura arquitectura de procesador.

Nueva generación de controladores abiertos, flexibles y a prueba del futuro

El ESM (Execution Synchronisation Manager) para manejo de tareas en PLCnext Technology permite combinar programas provenientes de una amplia gama de entornos de desarrollo entre sí o dentro de tareas, aunque se comporten como un código IEC 61131 homogéneo. Esto hace que, automáticamente, los lenguajes de alto nivel también sean determinísticos.

El manejo de tareas soporta una mezcla de lenguajes IEC 61131, de alto nivel y basados en modelos. 

El segundo aspecto tecnológico es la consistencia de los datos relacionados con la imagen del proceso. En PLCnext, esto es manejado por Global Data Space (GDS). Al usar mecanismos sofisticados con estructuras de puertos internos y buffer de datos, el GDS asegura que los elementos individuales de un programa reciban una imagen de datos precisa y consistente, lo cual es crucial a la hora de ejecutar el respectivo programa.

Se dispone de un servidor OPC UA, como así también de administradores de sistema, usuario y fieldbus, recolectores de diagnóstico, controladores de trazas, HMI PC Worx Engineer y acceso automático a PROFICLOUD. Además, cabe señalar que PLCnext Technology trabaja con servicios probados de PROFICLOUD y soporta integración de soluciones de nube propietarias, lo que representa un avance hacia diagnósticos preventivos e IoT. 

También soporta sistemas convencionales de fieldbus, tales como PRO­FI­­BUS, CAN, Mod­bus/RTU e INTERBUS, así como estándares Ether­net en tiempo real, tales como PROFINET y Mod­bus/TCP. En este sentido, PLCnext Technology está diseñada para una posterior integración de protocolos adicionales, de modo que los usuarios puedan responder de manera flexible a futuros desarrollos.

La digitalización en automatización no es un tema nuevo. La tecnología de control y comunicación industrial ha sido digital durante los últimos 30 años. La nueva dinámica asociada con este término tiene que ver con las amplias redes inteligentes que conectan todas las cosas, o sea productos, máquinas, procesos y personas, combinadas con una potencia informática casi ilimitada. PLCnext Technology ofrece la base para implementar soluciones de automatización capaces de cumplir con todos los desafíos del mundo digitalizado.

 

Cloud IoT Gateway para conectar dispositivos con PROFICLOUD

PROFICLOUD de Phoenix Contact es un sistema IoT abierto que permite solucionar todas las aplicaciones, incluyendo adquisición de datos en base a la nube, análisis o un concepto de automatización completo.

Usando Cloud IoT Gateway, presentado recientemente en la Feria de Hannover, queda establecida la conexión a Proficloud sin necesidad de interferir con la tecnología de automatización. La interacción adaptada en el hardware de gateway y la plataforma de nube facilitan la recolección de datos de sensores y procesos y su transferencia encriptada a aplicaciones de nube para su posterior procesamiento.

Nueva generación de controladores abiertos, flexibles y a prueba del futuro
PLCnext y PROFICLOUD: Computación en nube para automatización.

 

Incluso los sistemas existentes pueden enviar sus datos de estado a PROFICLOUD por medio de IoT Gateway a fin de implementar aplicaciones como Big Data, reconocimiento de patrones y monitoreo de condiciones, lo cual aumenta la eficiencia de la producción a largo plazo.

La configuración de parámetros en Cloud IoT Gateway se puede realizar fácilmente usando gestión basada en la web y no requiere un software de ingeniería adicional.

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