La Tecnología Inalámbrica en Válvulas de Control Aplicado a Plantas Modulares

Gerardo Villegas P.
Ingeniero Químico,
Líder de Especialidad de Instrumentación y Control del Instituto Mexicano del Petróleo.
Director del Comité de Normas y Prácticas en ISA, México Sección Central.

Mirna del C. Salgado Azamar,
Ingeniero Electrónico en Instrumentación,
Especialista de Instrumentación y Control del Instituto Mexicano del Petróleo,
Secretario del Comité de Normas y Prácticas en ISA, México Sección Central.

RESUMEN

La instrumentación de control de procesos ya ha comenzado la transición del cableado del bus como en FOUNDATION Fieldbus y PROFIBUS, a la tecnología inalámbrica. Muchas aplicaciones inalámbricas están apareciendo ahora utilizando tanto ISA100 Wireless como WirelessHART, aunque todavía no se encuentran en los lazos de control críticos.

ANSI / ISA-100.11a-2011 fue desarrollado para ser el protocolo de red preferido para las comunicaciones inalámbricas industriales. Específicamente, ISA100 Wireless fue diseñado para cumplir con todos los requisitos de comunicaciones para FOUNDATION Fieldbus, si se implementa en una red inalámbrica. El ISA100 Wireless Compliance Institute, WCI, es la organización de la industria responsable de probar nuevos equipos y validarlos para el cumplimiento de las normas. Los productos registrados de ISA100 Wireless están listados en el sitio web de WCI http://www.isa100wci.org/End-User-Resources/Product-Portfolio.aspx.

El presente documento, explica como la instrumentación de control de proceso inalámbrica, tiende a ser más aceptada y con mejores costos, que la instrumentación cableada y expone como se vence el estado latente, que es un retraso (cantidad de tiempo) para transmitir datos, además menciona como se han desarrollado las técnicas para recolección de energía para la autoalimentación de los dispositivos inalámbricos y se señala que seleccionando el tipo de red, se mejoran los tiempos de transmisión de datos. Finalmente se presenta la importancia del ISA-100  y como se aumenta la confiabilidad con la red ISA-100 redundante.

INTRODUCCIÓN

Pasaron muchos años para que el escepticismo de los ingenieros de instrumentos de todo el mundo fuera superada y con ello la tecnología inalámbrica. Cuando la instrumentación inalámbrica ISA100 apareció por primera vez en 2010 (Figura 1), los ingenieros estaban nerviosos por la baja confiabilidad y la poca inmunidad al ruido. Desde entonces, se han registrado millones de horas de operaciones exitosas, y la tecnología inalámbrica ha demostrado ser la primera opción para la construcción de nuevas plantas (sobre todo Plantas Modulares), Modernizaciones de Plantas y Revamps.

Figura 1. Modelo ISA100.11a.

Una razón importante es el costo. Los transmisores cableados requieren una infraestructura para el cableado, que puede incluir una fuente de alimentación, cableado, conduit y charolas de cables para llevar la señal a una caja de conexiones de campo o gabinete con clasificación eléctrica adecuada, junto con dispositivos de E/S en el sistema de control y monitoreo para aceptar el transmisor 4-20 mA o señal de bus de campo. Esto hace que la instalación de un transmisor cableado sea una tarea muy costosa y difícil. Los transmisores inalámbricos que funcionan con baterías no necesitan la infraestructura cableada o la fuente de alimentación, por lo que pueden instalarse de manera rápida y económica. Aunque ahora pocos ingenieros dudan en usar la tecnología inalámbrica para fines de monitoreo, el control inalámbrico de válvulas no ha tenido tanto éxito, debido a los retrasos en la señal que afectan a los sistemas de lazo cerrado.

VENCIENDO EL ESTADO LATENTE (RETRASO EN LA SEÑAL)

En un sistema cableado de 4-20 mA, la señal siempre está presente. El sistema de control puede leer un transmisor de nivel, determinar que una válvula necesita cerrarse, enviar la señal apropiada al controlador de la válvula a través de una señal continua de 4-20 mA, y el lazo se cierra casi de inmediato. No es así con el estándar inalámbrico. Un transmisor de nivel inalámbrico es típicamente alimentado por batería. Para ahorrar batería, el transmisor normalmente está configurado para enviar una señal inalámbrica cada segundo, o con menos frecuencia, según la aplicación. La señal inalámbrica es retransmitida por otros transmisores inalámbricos en una disposición de red de malla hasta que llega a una puerta (Gateway) de enlace. Allí, se agrega a la red de la planta y llega al sistema de control.

El sistema de control determina que la válvula debe cerrarse y envía la señal adecuada a través de la red. La red lo entrega a un router inalámbrico, que lo transmite al controlador de la válvula. El tiempo total transcurrido es probablemente un mínimo de 1 o 2 segundos, dependiendo de la frecuencia de la señal, pero podría ser mucho más largo, quizás 10 segundos o más, dependiendo del estado latente (retraso en la señal) en el tipo de red de malla. En particular, las redes de malla con reconstrucción automática de rutas de comunicación pueden retrasar sustancialmente la propagación de la señal. Para una válvula de control o de seguridad, 10 segundos es demasiado tiempo. Un tanque podría desbordarse mientras la válvula espera una orden de cierre. Afortunadamente, hay distintas formas de solucionar este problema, iniciando con la recolección de energía y continuando con la selección de la red de malla inalámbrica correcta.

FUNCIONAMIENTO DE LA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA, CON LA RECOLECCIÓN DE ENERGIA DE VIBRACION Y/O TRANSFERENCIA DE CALOR DE EQUIPOS, LINEAS DE PROCESO Y VAPOR DE SERVICIOS AUXILIARES

Varios fabricantes están produciendo dispositivos de “recolección de energía” para conectarlos a instrumentos inalámbricos para transformarlos en dispositivos autoalimentados. La energía eléctrica se produce mediante el uso de una fuente local de luz (solar), vibración, energía térmica para generar suficiente energía eléctrica para alimentar el instrumento. A menudo, se usa una batería primaria para hacer una copia de seguridad del recolector (Harvester) durante los momentos en que la fuente de alimentación extraída no está disponible.

Las celdas solares obviamente dependen de la luz del día, pero también pueden ser energizadas por fuentes locales de iluminación artificial.

La mayoría de las plantas de proceso tienen la vibración de equipos de bombeo de fluidos, y cuentan con equipos y líneas de tubería, de alta temperatura a partir de los cuales se puede obtener energía eléctrica.

Tomar en cuenta que la recolección de energía depende, solamente sobre el uso de baterías no recargables (primarias) que se utilizan como respaldo, cuando no se dispone de la energía de recolección. IEC 62830 es un estándar que define el accesorio de conexión común a todos los dispositivos de recolección de energía y de batería primaria utilizados para las comunicaciones inalámbricas. En medición y control industrial. IEC 60086 establece el estándar internacional para baterías primarias.

La mayoría de los instrumentos inalámbricos están diseñados para usar baterías primarias (no recargables). Esto significa que tales instrumentos son muy frugales (parcos) en el uso de la electricidad. En la mayoría de los casos, los instrumentos están diseñados para ser operados por baterías de celdas reemplazables en las que el ciclo de reemplazo no es inferior a 5 años.


Los recolectores de energía suministran una alimentación externa a los transmisores inalámbricos impidiendo la sustitución periódica de las baterías primarias del transmisor, lo cual permite disminuir el mantenimiento y extender la vida del módulo de energía, permitiendo además la transmisión continua de datos.


ESTRATEGIAS DE CONFIGURACIÓN DE LOS SISTEMAS

Figura 2. Ejemplo de red malla.

Las redes malla (Figura 2) hacen referencia básicamente a una forma de “ruteo” (informar y decidir cuál es la ruta más eficiente para enviar información) de información entre nodos, en un escenario que no precisa de una topología específica, las rutas pueden cambiar y los nodos pueden moverse.

Se utilizan tres tipos de sistemas de Red Malla inalámbricos en las industrias de proceso:

Totalmente automático: en este sistema, la ruta a través de la red malla se determina automáticamente y puede variar. Si, por ejemplo, un tractor-remolque se estaciona para bloquear un transmisor o una puerta de enlace, la red malla se enruta automáticamente a su alrededor. Puede requerir enrutamiento a través de tres o cuatro transmisores o repetidores adicionales, y puede llevar tiempo completar este cambio de ruta. Las ventajas de un sistema automático son que los ingenieros de instrumentos no tienen que configurar la ruta de la red malla, y el sistema puede compensar automáticamente las fallas de los equipos y los bloqueos temporales.

Red de Malla semiautomática: en este sistema de red malla, semiautomático, los ingenieros pueden configurar la ruta de la red malla para algunos transmisores.

Red de Malla fija: La ruta de la red malla para cada transmisor se determina manualmente.

Una red malla automática puede no ser adecuada para el control inalámbrico de válvulas, y muchas otras funciones de control en tiempo real, porque la latencia (retraso en la señal) no se puede determinar de antemano. Con frecuencia varía debido a la interferencia o el ruido en la ruta de propagación de la señal.

Por lo tanto, las redes de mallas totalmente automatizadas a menudo degradan el rendimiento en tiempo real. Un sistema de red malla semiautomático o red de malla fija permite una comunicación confiable en tiempo real y un descubrimiento casi instantáneo del fallo de la ruta. Con un sistema de red malla fija, el estado latente (retraso en la señal) para un transmisor específico se puede calcular durante la etapa de diseño.

Idealmente, para cada aplicación de válvula de control, los ingenieros establecerán caminos para que los componentes críticos en control en tiempo real (el sensor, como un transmisor de flujo, nivel o presión, y el controlador de válvula, por ejemplo) tengan una línea de visión directa. Rutas a las puertas de enlace, eliminando cualquier “salto” y minimizando el estado latente.

Aunque algunas aplicaciones requieren un rendimiento más bajo o más alto, el estándar ISA100 Inalámbrico tiene como objetivo garantizar que los sistemas puedan transmitir señales de comando en máximo 1 segundo. Esto se debe a que se desarrolló principalmente bajo el principio de que el estado latente de 1 segundo cubre un rango razonable de aplicaciones sin implicar concesiones dolorosas o pedir al usuario que aplique conceptos de control no comprobados.


El mantenimiento y soporte de estos principios operativos existentes es uno de los beneficios clave del uso de la tecnología Inalámbrica ISA100.


CUMPLIMIENTO CON EL ESTÁNDAR ISA100

Las operaciones de seguridad ya están explotando la capacidad de ISA100 Wireless para proporcionar tiempos de transmisión de 1 segundo, con sistemas de seguridad configurados en numerosas refinerías y plantas de proceso que utilizan redes inalámbricas ISA100.

Figura 3. Adaptador inalámbrico ISA100 que permite el control de una válvula On/Off.

Por ejemplo, un adaptador inalámbrico ISA100 puede instalarse en una válvula on/off (Figura 3), por lo que el sistema de control puede cerrar una válvula en un mínimo de 2 segundos, pero el tiempo de respuesta total dependerá del período de notificación de señal de control. Por ejemplo, el dispositivo que se ve en la figura 3 acepta señales una vez cada 2 segundos, pero otros dispositivos pueden presentar retrasos más prolongados.

Un ejemplo de monitoreo es un sistema PROFIsafe que usa ISA100 Wireless para conectar un detector de gas a un controlador lógico programable (PLC) de seguridad.

En la detección de gases explosivos, los datos del sensor deben transmitirse rápidamente a un sistema de seguridad cuando se detectan gases peligrosos. El uso del protocolo PROFIsafe a través de ISA100 Wireless asegura la secuencia correcta de mensajes, el contenido del mensaje, la dirección del dispositivo y la parametrización. La implementación se basa, en la baja del estado latente, aumento de la confiabilidad, manejo de errores y seguridad intrínseca a ISA100 Wireless para cumplir con los estándares SIL 2.

En este tipo de aplicaciones, la velocidad de respuesta es crítica, pero también debe ir acompañada de un alto nivel de confiabilidad.


Las organizaciones pueden lograr esto utilizando la función de retransmisión automática de ISA100 Wireless.


El flujo de datos de llegada de paquetes es un indicador, da la certeza de la transmisión de datos. Un flujo de llegada de paquetes del 90 por ciento significa que los paquetes llegarán nueve veces en 10 transmisiones. El cálculo del flujo de llegada de paquetes con retransmisiones se muestra a continuación.

  • En el caso de una transmisión real + una retransmisión: (1 – 0.1 • 0.1) = flujo de llegada de datos 99%.
  • En el caso de una transmisión real + tres retransmisiones: (1 – 0.1 • 0.1 • 0.1 • 0.1) = flujo de llegada de datos 99.99 por ciento.

Como muestran los cálculos, cuando aumenta el número de retransmisiones, la confiabilidad de la comunicación aumenta rápidamente.

CUMPLIENDO CON REDUNDANCIA ISA100 WIRELESS

Figura 4. La función ISA100 Wireless Duo-cast.

El sistema ISA100 Wireless Duo-cast es una RED de malla fija redundante (Figura 4) que proporciona una confiabilidad extremadamente alta al entregar datos al controlador en un tiempo predeterminado, incluso si la comunicación inalámbrica y el punto de acceso inalámbrico tienen un simple fallo. Esencialmente, las mediciones críticas se envían directamente a dos puertas de enlace simultáneamente, asegurándose de que una de ellas pase. Esto tiene la confiabilidad necesaria para el monitoreo y control de válvulas inalámbricas y para otras aplicaciones críticas de control en tiempo real.

Con su tiempo latente de 1 segundo, la confiabilidad de la retransmisión automática y Duo-cast, una red de instrumentación inalámbrica ISA100 Wireless,  bien diseñada puede funcionar de manera tan confiable como la E/S cableada en la mayoría de las aplicaciones críticas, incluido el control de válvulas.

La función ISA100 Wireless Duo-cast da a un transmisor inalámbrico crítico, una ruta redundante a un Gateway (puerta) de enlace.

CONCLUSIONES

El estándar ISA100.11a (IEC-62734), es una muy buena opción de comunicación inalámbrica para aplicaciones industriales porque fue diseñado con una capacidad de auto-organización junto con una topología Red de malla y/o red en estrella, bastante flexible para garantizar la operabilidad, flexibilidad, optimizar el consumo de energía junto con las múltiples tecnologías de salto de comunicación que logran la fiabilidad de comunicación ya que uno de los aspectos fundamentales que influye en la fiabilidad de una red inalámbrica es una red mallada porque nos proporcionan rutas redundantes especialmente entre dos nodos, lo que ayuda a transmitir información por rutas diferentes. Así, aumenta la tolerancia a los fallos de comunicación y se permite que una red bien diseñada admita fallos de los aparatos de enlace y encaminamiento de comunicaciones.

Cabe mencionar que en una planta modular, la utilización de una red inalámbrica permite eliminar el tendido de cables, abatir tiempos de procura, diseño, construcción y puesta en operación, además de reducir la complejidad de todo el proceso.

El estándar basado en ISA100.11a ha sido una solución para los productos inalámbricos, la cual ha sido implementada y certificada. Día tras día, la tecnología inalámbrica, avanza a pasos agigantados por lo que es cuestión de tiempo para que el control inalámbrico en válvulas de control sea totalmente aceptado como lo fue para el monitoreo en un principio dicha tecnología.

REFERENCIAS

[1] ANSI/ISA-100.11a-2011, Wireless systems for industrial automation: Process control and related applications. Research Triangle Park, NC: ISA (Sociedad Internacional de Automatización).

[2] Caro, Dick. Redes inalámbricas para la automatización industrial. 4ª ed.

ACERCA DE LOS AUTORES

Gerardo Villegas P. Ingeniero Químico, Líder de Especialidad de Instrumentación y Control del Instituto Mexicano del Petróleo, con más de 35 años de experiencia en Proyectos de la Industria de Gas y Petróleo. Expositor de Cursos Medición de Flujo de Hidrocarburos y Elementos Finales de Control de los Procesos de Refinación. Actualmente es el Director del Comité de Normas y Prácticas en ISA, MEXICO Sección Central.

Mirna del C. Salgado Azamar. Ingeniero Electrónico en Instrumentación, Especialista de Instrumentación y Control del Instituto Mexicano del Petróleo, con más de 17 años de experiencia en Proyectos de Plantas Industriales. Ha participado en diversos proyectos de desarrollo de ingeniería en Instrumentación y Control para instalaciones como Plataformas Marinas, Refinerías, Terminales de Almacenamiento y Distribución, entre otras instalaciones de Petróleos Mexicanos. Actualmente colabora como Secretario del Comité de Normas y Prácticas en ISA, MEXICO Sección Central.

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