Tecnología inalámbrica, un tema de la actualidad

Patrick Babka y Bob Karschnia
InTech México Automatización,
Edición Enero – Marzo 2007


Los procesos y la gestión de activos ven a la innovación inalámbrica de una manera diferente. Los fabricantes de la industria de procesos están investigando la viabilidad de implementar la tecnología inalámbrica en sus plantas.



Varios usuarios finales de automatización han comenzado recientemente a implementar soluciones inalámbricas en sus instalaciones, con el objetivo de resolver algunos problemas “difíciles” de monitoreo en sus plantas.

La tecnología de radio básica de 900 MHz, diseñada específicamente para integrarse en los controladores de operaciones remotos y sistemas SCADA, por ejemplo, se ha utilizado ampliamente en la automatización de campos petroleros y de gas por más de 15 a 20 años. No obstante, después de cerca de 20 años en servicio, la rapidez de adopción para soluciones inalámbricas en las plantas es todavía demasiado baja. Es probable que este fenómeno se deba a la falta de estándares abiertos aceptados en la industria, seguridad inadecuada y escalabilidad/flexibilidad insuficientes de las soluciones inalámbricas tradicionales.

Es común en la industria del proceso enfrentarse a la complicación adicional de tener activos dispersos, que están por todos lados de la planta, como es el caso de los tanques remotos de inventario de los clientes.

Este no es un problema trivial, debido a que los Gerentes de Logística se preocupan constantemente sobre los requerimientos en conflicto de evitar que los tanques de los clientes se queden vacíos, lo que podría conducir a un paro del proceso en la planta del cliente, mientras que, al mismo tiempo, intentan reducir considerablemente sus costos de distribución.

La planificación logística eficaz no es algo fácil de hacer bien. Sin embargo, varias compañías industriales líderes en gases, químicas y químicas de especialidad se están inclinando por las soluciones inalámbricas, basadas en la Web para el monitoreo de inventarios, que les permita alcanzar estos objetivos de negocio vitales.

En estas industrias, el servicio al cliente y la contención de costos son vitales para crear y mantener una ventaja competitiva significativa.


Con el objetivo de poder solucionar casi cualquier problema de aplicación de proceso o de monitoreo de activos, mucha gente en la industria de procesos ven a la tecnología inalámbrica como una nueva ruta de innovación emocionante para solucionar problemas que parecen demasiado costosos, técnicamente no factibles, o donde falta confiabilidad en la comunicación entre los dispositivos y el equipo anfitrión (host).

Esta conmoción en la comunidad de gestión de activos está bien justificada, ya que la expectativa de que al saber más acerca de lo que está pasando dentro del proceso, los activos físicos y las operaciones globales, la empresa será más segura y rentable.

INFORMACIÓN OPORTUNA EN ORDEN

Para aplicaciones de monitoreo de los activos dispersos geográficamente, que no tienen un anfitrión local tal como un SED o RTU para recopilación de datos, las soluciones de monitoreo basadas en la Web que incorporan GSM/GPRS o comunicaciones por satélite son generalmente las primeras tecnologías consideradas.

Las soluciones avanzadas de monitoreo basadas en la Web permiten la combinación de dispositivos de campo inteligentes y confiables, capacidades inalámbricas confiables con gestión avanzada de potencia y una interfaz de usuario amigable tipo Web para formular una solución completa de gestión de activos.

Por ejemplo, en una aplicación de inventario administrado por el proveedor (Vendor Managed Inventory), un dispositivo multivariable de medición de nivel basado en GSM/GPRS transmitirá datos de monitoreo periódicamente (varias veces por hora, una vez por día, etcétera) mediante una red de comunicación existente hacia un servidor central donde se puede tener acceso a la información, usando un explorador estándar de Internet.

Los sistemas flexibles también permiten que los datos recopilados se enlacen a una base de datos del usuario. En estas aplicaciones, los gerentes de activos requieren acceso confiable a la información de manera oportuna para conocer el estado de sus activos remotos.

Esto permite al personal de planificación de logística, por ejemplo, asignar prioridades a sus rutas de distribución para hacer las entregas sólo cuando sea necesario y/o responder eficazmente a solicitudes de embarque rápido que realicen los clientes. Otro ejemplo, puede ser una aplicación que se utiliza para proporcionar a los distribuidores de gas, con redes de distribución de tubería regional, visibilidad oportuna de anomalías en las condiciones de presión de la línea.

SE PREFIEREN RADIOS DE 900 MHZ

Estas tecnologías, si se implementan adecuadamente, proporcionan a los gerentes algunas nuevas herramientas en la optimización de las operaciones de sus plantas, porque rompen las barreras de costos, asociados con la recopilación de más información del rendimiento de activos.

Algunas aplicaciones podrían ser tan simples como agregar puntos de monitoreo de medición eficaz de costos para eliminar la recopilación manual de datos de campo, mejorando así, la productividad de la mano de obra de los operadores.

Alternativamente, en aplicaciones más sofisticadas con una interfaz de gestión de activos centralizada, las innovaciones inalámbricas permiten a los usuarios extraer datos completos de diagnóstico e inteligencia predictiva de los dispositivos inteligentes, con lo cual se notificará automáticamente al personal adecuado acerca del problema preciso, antes de que un problema de proceso o de activo pueda amenazar a una unidad costosa o se produzca un paro de la planta.
Al comprender estas tecnologías se tendrá una mejor idea acerca de dónde se deben implementar para lograr estos objetivos.

Un sistema inalámbrico tiene los siguientes componentes: nodo inalámbrico, compuerta (gateway) y el anfitrión (host). Un nodo se refiere a un dispositivo inalámbrico instalado en campo. Una compuerta (gateway) agrega dispositivos inalámbricos a un punto de acceso, que después se pueden integrar en un sistema anfitrión tal como un SCD, Historian u otra interfaz-generalmente mediante Modbus, Ethernet, OPC o cualquier otro protocolo digital.

REDES AUTO- ORGANIZABLES

Esta tecnología inalámbrica, aunque apenas emerge, es muy prometedora para la industria de procesos, porque puede finalmente permitir tener una plataforma inalámbrica a nivel de dispositivo, a partir de la cual se puedan desarrollar eficazmente estándares abiertos.

El Grupo de Trabajo de la HART Communication Foundation se está concentrando en desarrollar el estándar Wireless HART (HART inalámbrico), donde las redes auto-organizables probablemente tendrán un papel vital.

Debido a que esta tecnología fue diseñada originalmente para aplicaciones comerciales, que tienen requerimientos muy diferentes a las industriales, los esfuerzos de desarrollo para adaptar esta tecnología al entorno industrial, y a la vez, superar las expectativas de los usuarios, avanzan con mucha rapidez. Sin embargo, tomará algún tiempo antes de que se establezca un estándar final.

El concepto básico de redes auto-organiza bies es que cada dispositivo inalámbrico individual también actúa como un ruteador (router) para otros dispositivos cercanos, eliminando así la necesidad de costosos levantamientos en sitio.

Si un dispositivo no se puede comunicar de regreso a la compuerta (gateway) debido a la distancia u obstrucciones, el mensaje se transferirá a otro dispositivo inalámbrico, y lo mismo ocurrirá con los demás, hasta que se establezca una ruta fiable hacia el sistema anfitrión.

Esta es una capacidad de red auto-organizable dinámica, capaz de ejecutar acciones correctivas automáticas, tales como reconocimiento automático de nuevos dispositivos autorizados en la red, re-direccionamiento de la comunicación cuando sea necesario y optimización del rendimiento global de la red, entre otras cosas. Por lo tanto, estas redes, literalmente se corrigen a sí mismas si algo sale mal con uno o más dispositivos.

La facilidad de uso también es un factor importante que se debe considerar; por lo tanto, todas estas tareas sofisticadas suceden sin necesidad de intervención humana ni de software adicional.
La perspectiva de poder especificar e instalar fácilmente tales dispositivos, sin preocuparse de si funcionará o no debido a problemas de campo visual, sin sacrificar rendimiento de los dispositivos, sin ignorar la inteligencia de los dispositivos ni implementar soluciones patentadas con poca seguridad, es muy tentadora para muchos usuarios.

También tiene la ventaja de ser más eficiente en el consumo de energía que los dispositivos inalámbricos tradicionales punto a punto, debido a su capacidad de transmitir con menos requerimientos de potencia de radio.

En lugar de emplear mucha potencia desde el dispositivo hasta la compuerta (gateway), los dispositivos de red auto-organizable pueden utilizar poca potencia para comunicarse de dispositivo a dispositivo hasta que los datos lleguen a donde necesitan ir. Si no se puede establecer un enlace directo al gateway, entonces la comunicación en uno o más saltos generalmente resolverán el problema de campo visual, aunque las redes serán capaces de manejar eficazmente muchos saltos.

Aún más, con las capacidades de gestión de energía y los protocolos inalámbricos de potencia inherentemente baja, los dispositivos tendrán una mayor vida útil de batería o se beneficiarán de las técnicas únicas de recolección de energía. Las tres topologías más comunes son estrella (star, punto a punto), malla (mesh, punto a multipunto) y árboles cluster, que son estructras híbridas de estrella y malla.

Estas soluciones generalmente operan en las bandas de frecuencia de 868 MHz, 900 MHz o 2.4GHz, dependiendo de los requerimientos del área mundial. Existen muchos términos diferentes para describir esta innovación en la tecnología inalámbrica. Estos términos (Motes, Mesh, Zigbee y IEEE 802.15.4) se pueden intercambiar en la industria.

Aunque son generalmente aceptados, existen algunas sutiles pero muy importantes diferencias entre esos términos y las redes auto-organizables. Motes se refiere estrictamente sólo a los routers/dispositivos de campo inalámbricos reales. Mesh es una referencia a una topología específica que esta tecnología hace posible. Zigbee es el consorcio que desarrolló un estándar usado para aplicaciones comerciales (automatización de edificios, etcétera). El estándar IEEE 802.15.4 se refiere específicamente sólo a la capa física de radio.

El término “red auto-organizable” (Self Organizing Network) describe la total incorporación de capacidades, tecnología y aplicación industrial de esta tecnología. En el segmento del mercado que corresponde a campos petroleros y de gas, los radios de alta potencia de 900 MHz tienen un registro largo y exitoso de logros, que no parece cambiar. Sin embargo, lo que sí cambiará, es el tipo de datos que se agregarán a los enlaces de comunicación a larga distancia (hasta 32 kilómetros no es raro).

A medida que algunos activos de campos petroleros comienzan a madurar, deberíamos esperar que comiencen a capturar más de la inteligencia de dispositivos para incrementar la productividad global de los sitios con rendimiento bajo a moderado.

En algunos casos, esta capacidad avanzada también se está implementando en nuevos campos. La cantidad de Entradas/Salidas (E/S) para estas aplicaciones es generalmente muy baja; por lo tanto, la adición de datos de diagnóstico no representará un problema significativo para las limitaciones de ancho de banda de la frecuencia.

Este fenómeno es significativo por varias razones. Primero, Ethernet inalámbrico proporciona suficiente ancho de banda para concentrar los datos de monitoreo avanzado en un número relativamente bajo de puntos con buena relación costo beneficio en la planta. Segundo, contrario a la creencia popular, 802.11, cuando se implementa correctamente, es en realidad un estándar abierto seguro y robusto. Tercero, es una tecnología bien comprendida que se utiliza ampliamente en muchas operaciones de manufactura y de negocio. Por último, proporciona las rutas más flexibles y más fáciles para la integración de datos en SCD, PC, OPC u otros hosts.

¿QUÉ HAY DE LA SEGURIDAD?

La seguridad es un tema del que se pregunta más en relación a la tecnología inalámbrica para las aplicaciones en planta. Para los que se preocupan acerca de la protección de los sistemas inalámbricos existen cuatro componentes para que una estrategia de seguridad sea efectiva. Las técnicas de vanguardia recomendadas son las que se basan otra vez en estándares abiertos. Es un hecho que los sistemas de seguridad patentados son los más fáciles de violar.

Encriptación: Esto implica tomar los datos y convertirlos en paquetes de datos que no tengan sentido a nada excepto para un receptor que tenga la llave de seguridad para decodificar el mensaje. Lo mejor es que se tenga esta capacidad en el dispositivo real.

Autenticación/verificación: Esta medida garantiza que sólo los dispositivos válidos que intentan comunicarse en la red puedan hacerlo realmente. Esto evita que dispositivos malintencionados o hackers intenten entrar a través de un punto de acceso.

Anti-Jamming: Todo lo que esto hace es incrementar la probabilidad de que un mensaje se pueda transmitir a alguna distancia incluso con moderadas obstrucciones y/o interferencias de señales RFI/EMI. Los métodos más comunes que logran esto son Espectro Ensanchado por Salto de Frecuencia (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS) y Espectro Ensanchado por Secuencia Directa (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS). En pocas palabras las señales se transmiten sobre varias frecuencias y si hay un bloqueo en una frecuencia otra transportará el mensaje a su destino. Existe una idea equivocada común de que FHSS y DSSS por si solos pueden proporcionar seguridad adecuada. Para una aclaración FHSS y DSSS no son lo mismo que seguridad.

Gestión de llaves: Una gestión de llaves (códigos) deficiente puede eventualmente vencer cualquiera de las medidas de seguridad mencionadas sil por ejemplo un ex trabajador enfadado sigue teniendo acceso a las llaves estáticas y decide ocasionar un daño. Esto sería semejante a perder su tarjeta bancaria con su contraseña escrita al reverso.

Al implementar todas las medidas de seguridad inalámbrica adecuadamente se tendrá una red segura y protegida que finalmente proporciona un alto valor al usuario. Por lo tanto los usuarios que consideren las soluciones inalámbricas industriales deberían colaborar con los líderes en automatización que están comprometidos a proporcionar todos los aspectos de una arquitectura segura y confiable.

La innovación inalámbrica está creando una era emocionante en la gestión de procesos y de activos, al alentar a todos en la industria a que vean las cosas de una manera diferente. Algunas de estas soluciones ya se están implementando en nuevas maneras para aplicaciones de petróleo y gas, agua municipal, en plantas, inventarios administrados por los proveedores y otras. Además, HART inalámbrico y otros estándares abiertos de la industria están comenzando a emerger, lo cual conducirá a soluciones que resuelvan muchos problemas de alto riesgo en la gestión de activos que de otro modo serían imposibles debido al costo, o técnicamente difíciles.

ACERCA DE LOS AUTORES

Patrick Babka (patrick.babka@emersonprocess.com) es Gerente de Mercadotecnia de Tecnología Inalámbrica. Bob Karschnia (bob.karschnia@emersonprocess.com) es Director de Tecnología, ambos colaboran en Emerson Process Management, tienen grados en ingeniería y son socios de ISA – Setting the Standard for Automation.

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