Soluciones wireless para medición de tanques

En muchas ocasiones las instalaciones industriales cuentan con tanques de depósito de materias primas, productos terminados, agua para uso general o sistemas contra incendio, y necesitan incorporar mediciones para integrarlos a su sistema de control. SignalFire permite implementar este tipo de soluciones gracias a su sistema wireless.

Medicion de tanques
Figura 1

En estos casos, y dado que es habitual que los tanques estén separados del resto de las instalaciones, la tecnología de instrumentación inalámbrica (o wireless) se convierte en una solución muy apropiada y atractiva, debido a una serie de ventajas importantes, tales como ahorro de cableado, facilidad de instalación, posibilidad de uso en áreas clasificadas, entre otras.

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 en donde la comunicación es por una sola vía.

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Figura 2

Los nodos suelen alimentarse con baterías internas, y para prolongar su duración se mantienen en modo de muy bajo consumo, y en un intervalo configurable transmiten la información a la red. Esto permite lograr una autonomía de varios años, disminuyendo los costos de mantenimiento. Cuando se necesite una frecuencia de actualización muy alta, es posible alimentar el dispositivo de campo con un panel solar, también apto para áreas clasificadas, figura 1.

Al utilizar la banda de 900 MHz para la transmisión de las señales se logra un vínculo mucho más robusto y de mayor alcance que otras tecnologías similares que utilizan 2,4 GHz. Típicamente la distancia entre un nodo y el gateway puede ser de más de 500 m con línea de visión directa, por lo que en la gran mayoría de las aplicaciones no se requieren repetidores de señal, como sí es habitual en otros casos.

Solución económica

Muchos usuarios, al intentar implementar una solución inalámbrica con WirelessHARTTM o ISA100 se han encontrado con que los ahorros que iban a conseguir en la implementación no eran tales, ya que el monto total de la solución aumenta al considerar los altos costos de los dispositivos de campo (mayores a los de un transmisor convencional), del gateway, y de las licencias de software necesarias.

Con la solución de SignalFire los ahorros se notan desde el comienzo de la implementación, ya que el precio de un dispositivo de campo inalámbrico es similar al de uno convencional con salida 4-20mA+HART, y el costo del gateway rápidamente se justifica con los ahorros logrados en la mano de obra, el cableado y todos sus accesorios (zanjeo, cañeros, bandejas, soportes, cajas de paso, borneras, selladores, terminaciones, barreras de seguridad intrínseca o aisladores galvánicos, etc.).

Además, el software SignalFire Toolkit que permite la configuración de los dispositivos de campo y de los gateways se entrega y actualiza en forma gratuita, por lo que no representa un valor adicional en el costo de la solución completa.

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Figura 3

Dispositivos disponibles

De acuerdo a las características de los tanques, los requerimientos de la medición o detección y los equipos existentes en la planta, podremos seleccionar el dispositivo de campo de la línea de productos SignalFire más apropiado en cada caso.

Medición de nivel en tanques presurizados

Si el tanque está presurizado, puede realizarse la medición de nivel a través de diferentes tecnologías: transmisor de presión diferencial o presión hidrostática, radar sin contacto o de onda guiada, sensor ultrasónico, magnetoestrictivo, capacitivo, desplazador, etc.

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Figura 4

En estos casos, puede utilizarse un dispositivo Sentinel de SignalFire con entrada de 4-20mA o HART para integrar al sistema la medición de cualquiera de esos sensores figura 2.

Cuando el usuario requiera una actualización del valor con mucha frecuencia o en forma permanente, los dispositivos de la familia Sentinel pueden estar dotados de un kit de panel solar, regulador y baterías, que permiten alimentar al dispositivo de medición en forma constante.

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Figura 5

Dicho kit tiene aprobación para uso en áreas clasificadas (Clase I, División 1), por lo que podrá instalarse sobre el tanque sin inconvenientes. El montaje del kit sobre el sensor de nivel es muy simple, e incluso hay diseños listos para algunos radares y transmisores de presión reconocidos en el mercado, figura 3.

Medición de nivel en tanques no-presurizados

En estos casos, y dado que la presión hidrostática de la columna de líquido va a ser proporcional al nivel (suponiendo que la densidad no cambia mucho), la solución más simple podría ser implementada instalando un sensor de presión Pressure Scout en la parte inferior del tanque.

El Pressure Scout es una solución compacta que ofrece una gran autonomía valiéndose solamente de la batería interna. Por ejemplo, reportando el nivel en el tanque cada minuto, la autonomía es superior a los seis años.

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Figura 6

El reporte por excepción también permite extender el período de reporte para prolongar la duración de la batería, pero sin descuidar la seguridad. En caso de que el sensor detecte un valor de nivel por fuera de los límites configurados, reportará automáticamente el estado al sistema sin esperar el período de transmisión configurado.

Obviamente, también podrán utilizarse en estos tanques el resto de las tecnologías ya mencionadas anteriormente, integrando los sensores de nivel con dispositivos Sentinel analógicos o con HART.

Medición de nivel, interfase y temperatura

Dentro de su linea de productos, SignalFire cuenta con un transmisor que puede utilizarse para medir nivel total, interfase y temperatura. El Float utiliza un sensor magnetoestrictivo de muy alta precisión y repetibilidad, y puede integrar las tres mediciones en un solo dispositivo.

De acuerdo a la altura del tanque, el usuario puede optar por un sensor rígido (varilla de acero inoxidable por la que se desplazan los flotantes), o bien por un sensor flexible de PVDF para tanques más altos en donde la instalación de un sensor rígido puede resultar complicada, figura 4.

Alarmas de nivel

En muchísimos casos, los tanques incorporan interruptores para detectar condiciones de alto y muy alto o bajo y muy bajo nivel, y reportar las alarmas correspondientes.

La integración de este tipo de señales discretas es muy sencilla utilizando un transmisor inalámbrico Sentinel con dos entradas discretas. Por lo tanto, con un solo dispositivo es posible monitorear por ejemplo las alarmas de alto y bajo nivel de un tanque figura 5.

Este dispositivo tiene un bajísimo consumo, por lo que aún actualizando su estado cada 15 segundos ofrece una autonomía de más de cinco años. De todos modos, el Sentinel con entradas discretas funciona también trabajando en modo de excepción, por lo que reportará un cambio de estado en cualquiera de las entradas inmediatamente.

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Figura 7

Medición de temperatura

Dependiendo de la cantidad de mediciones de temperatura que sean necesarias en el tanque, podrá optarse por el dispositivo más apropiado en cada caso.

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

En cambio, si lo que el usuario necesita es el valor de temperatura promedio o bien el perfil de temperaturas, puede utilizarse un Sentinel-HART o un Sentinel-Analogue conectado a un sensor inteligente multipunto que puede ofrecer la información de cada sensor en forma individual, o bien el promedio entre todos los sensores, figura 6.

Esto es habitual por ejemplo en tanques de almacenamiento de hidrocarburos, en los que se necesita el valor de temperatura para hacer el cálculo del volumen en condiciones estándar, o en silos con granos donde la temperatura debe monitorearse por seguridad.

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Figura 8

Medición de presión

En muchos casos los tanques están presurizados, debido por ejemplo a las características del fluido almacenado.

Aquí nuevamente puede utilizarse un sensor Pressure Scout, que además tiene la capacidad de reportar inmediatamente una condición de alarma por alta o baja presión, sin esperar el período de actualización estándar, figura 7.

Por lo tanto, el operador podrá ser alertado rapidamente por una falla en el sistema de inertización o por un exceso de presión por la falla en la válvula de presión y vacío.

Detección de apertura de tapas

El nuevo Tilt Scout de SignalFire ha sido diseñado específicamente con el propósito de facilitar el monitoreo del estado de las tapas de los tanques. La instalación del dispositivo es muy simple ya que tiene muy pequeñas dimensiones y se puede adherir a la tapa en forma magnética. Utiliza un acelerómetro de estado sólido de tres ejes, que detecta el ángulo de la tapa pudiendo determinar si está abierta, cerrada o en una posición intermedia, figura 8.

De este modo, el operador de la planta podrá identificar rápidamente qué tanque ha sido abierto o bien si alguna de las tapas no está cerrando correctamente y por lo tanto podría estar venteando gases tóxicos o inflamables. Una autonomía de más de cinco años implica un bajísimo costo de mantenimiento.

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Figura 9

Indicación a pie de tanques

SignalFire ofrece un display de campo, que incluso puede ser alimentado a baterías, para que el operador de la planta pueda acceder facilmente a la información de los tanques, sin necesidad de desplazarse hasta la sala de control.

El Fiel Monitor cuenta con una pantalla LCD de 11 líneas, que puede mostrar hasta 30 páginas de información, configurables por el usuario, y además incorpora funciones matemáticas y de conversión de unidades, que permiten mostrar el volumen de producto en un tanque a partir de la medición de nivel.

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Figura 10

Otras mediciones y dispositivos

Una de las características más destacables de la solución que ofrece SignalFire es que utilizando los modelos de la familia de productos Sentinel es posible integrar todo tipo de señales de campo. Por lo tanto, con la misma facilidad con la que se integran las mediciones propias de los tanques también pueden incorporarse señales de pulsos (caudalímetros), dispositivos con comunicación MODBUS, celdas de carga, etc.

También pueden diseñarse soluciones “híbridas”, utilizando módulos de entradas y salidas múltiples con comunicación wireless, que permiten integrar varias señales que ya están cableadas hasta alguna cada de paso o tablero existente.

Integración con el sistema de planta

Un sistema típico está compuesto por un gateway con comunicación MODBUS (RTU o TCP), y los dispositivos de campo asociados (hasta un máximo de 240 por gateway), cada uno con una dirección particular que terminará siendo el ID de MODBUS de este.

A su vez, el gateway también tendrá su propio ID a través del cual el sistema de la planta podrá acceder a información de diagnóstico de la red inalámbrica, figura 9.

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Figura 11

Comunicación HART inalámbrica

Una funcionalidad muy importante especialmente en estos casos, dado que el acceso a la parte superior del tanque puede ser complicado, riesgoso o demandar permisos de trabajo especiales, es que los dispositivos con comunicación HART integrados a la red inalámbrica de SignalFire podrán ser configurados en forma remota con cualquier herramienta con tecnología FDT/DTM, como por ejemplo Pactware, utilizando la misma infraestructura, figura 10.

De esta manera, un usuario podrá agregar a la red cualquier dispositivo HART conectado a un nodo Sentinel, y configurarlo remotamente a través de la red de SignalFire (incluso a miles de kilómetros de distancia). Esto es, un sistema con funcionalidades de WirelessHARTTM, pero sin una red WirelessHARTTM.

Facilidad de implementación y expansión

Cuando se diseña el sistema de medición de tanques pensando en la arquitectura wireless, simplemente deberá tenerse en cuenta el dispositivo más apropiado para cada medición (por ejemplo, un radar en cada tanque conectado al cabezal Sentinel-HART), y el gateway que concentre la información de todos los dispositivos. Del mismo modo, agregar más tanques o servicios auxiliares implicará simplemente la compra e instalación del dispositivo que corresponda. Una vez instalado el dispositivo mecánicamente en la planta, en pocos minutos estará reportando datos al sistema.

A modo de simple ejemplo, la figura 11 muestra la implementación de la medición de nivel y temperatura en un pequeño parque de tanques ubicados lejos de la planta, utilizando la solución wireless. Las mediciones de nivel se pueden llevar a cabo con radares o transmisores por ultrasonido conectados a equipos Sentinel-HART; mientras que para las mediciones de temperatura se utilizan cabezales Sentinel-RTD conectados a los sensores.

Como puede verse, la arquitectura es muy simple y su instalación y puesta en marcha se podrá llevar a cabo en muy poco tiempo, y sin demandar mano de obra y maquinaria especializada que no sea la habitual para el personal de Instrumentación de la planta.

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Figura 12

Solución convencional

En cambio, cuando se piensa en la misma implementación con una solución cableada convencional, deberán tenerse en cuenta muchos otros aspectos de la instalación: cañeros, cajas de paso y bandejas; soportería para cañeros o zanjas y cámaras de inspección; cables, terminadores y borneras; barreras de seguridad intrínseca o aisladores galvánicos (en caso de requerirse); módulos de entradas y salidas en el controlador, etc.

La incorporación de señales adicionales obligará al cliente a verificar si tiene entradas y salidas disponibles en su sistema, si tiene cables, borneras y barreras de S.I. o aisladores suficientes, etc; complicando y encareciendo la expansión que se está planificando.

Siguiendo el mismo ejemplo ya mencionado, en este caso queda claro que la instalación del sistema será mucho más costosa y laboriosa, debido a la gran cantidad de materiales, maquinaria y mano de obra especializada que se necesita para la instalación, figura 12.

Seguridad de la información

El protocolo utilizado por SignalFire se basa en FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), lo que significa que la frecuencia de transmisión no es fija sino que va cambiando permanentemente siguiendo un patrón aleatorio. De esta manera, se evitan interferencias y se establece un primer nivel de seguridad. Adicionalmente, el protocolo de transmisión no está publicado, y el hardware utilizado en los equipos es propietario.

La tecnología de SignalFire permite la configuración de una clave para encriptar los datos que son transmitidos a través de su red, y garantizar que la informacion no pueda ser interceptada o modificada.

El sistema utilizado por SignalFire es el AES (Advandec Encriptation Standard), mecanismo simétrico de cifrado, adoptado por el NIST de Estados Unidos en 2002 como estándar luego de cinco años de prueba. Utiliza una clave de 128 bits, y es el mismo que se emplea en bancos, comercio electrónico, organismos gubernamentales, etc.

Dentro de la información que los dispositivos de campo reportan al gateway hay parámetros de diagnóstico como el nivel de la batería, la calidad de la señal inalámbrica y otros valores que pueden usarse para detectar fácilmente problemas de comunicación o programar un mantenimiento preventivo.

Más información: www.escoarg.com.ar

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