WirelessHART: Tecnología de radio en ingeniería de procesos

Siguiendo el progreso tecnológico del bus de campo, el próximo paso en el desarrollo de las comunicaciones de campo son las soluciones en las que interviene la tecnología de radio. Aunque ya hace tiempo que hay soluciones personalizadas, una amplia gama de aplicaciones siguen a la espera debido a la falta de confianza en la tecnología de radio y a la ausencia de sistemas integrados. ¿Se puede usar la tecnología de radio de forma generalizada? Y si es así, ¿cuándo?

Primero se debe establecer que en la transferencia de datos esenciales medidos para la seguridad y los datos asociados directamente al control de proceso, el cable representa el mejor método disponible para la transferencia de señales. Una solución de cable siempre debe tener preferencia sobre una solución de tecnología de radio para las aplicaciones críticas de control . Pero si la construcción de la planta es tal que las aplicaciones no críticas no justifican la instalación de un cable, entonces la tecnología de radio tiene una función que desempeñar.      

Las soluciones de cable no son necesarias en plantas pequeñas y en operaciones logísticas donde están almacenados los materiales intermedios, porque al no existir instrumentación no se requiere información de los niveles de almacenamiento. Las soluciones de cable también se pueden descartar por motivos económicos porque hay obstáculos entre el sistema de control y la propia planta. Las mediciones de nivel, que normalmente se realizan a mano, se pueden sustituir fácilmente por un método de radiocontrol. Aquí no hay necesidad de una transferencia en tiempo real y si un valor de nivel no se puede transmitir en tiempo real durante un breve período de tiempo no interferirá en el funcionamiento de la planta.

También existen nuevas posibilidades en el ámbito de la supervisión medioambiental. Un ejemplo lo constituye la medición de la corrosión con CorrTran® MV de Pepperl+Fuchs. La medición de la corrosión se aplica a áreas críticas de un contenedor o de una canalización. Estas posiciones suelen tener un acceso muy difícil o están alejadas del sistema de control. Se puede instalar óptimamente un CorrTran® MV inalámbrico sin demasiado cableado. Aquí, la seguridad de la transmisión no es una aplicación crítica y, como la corrosión es un proceso muy lento, el tiempo no es esencial.

Otra nueva posibilidad es la supervisión de los elementos operativos que se accionan en el campo, como las válvulas de admisión. Anteriormente, el estado de dichas válvulas se tenía que supervisar visualmente mediante comprobaciones de vigilancia efectuadas por empleados. No obstante, mediante la transmisión inalámbrica de la posición de la válvula de admisión, su estado está disponible en todo momento en la sala de control. Ya no son necesarias las comprobaciones de vigilancia cíclicas ni la confirmación de la posición correcta de las válvulas antes de la puesta en marcha de la planta. Esto no sólo ahorra dinero en costes de mano de obra, sino que también la puesta en marcha de la planta es más rápida y los índices de producción son más elevados. Como es lógico, se aplica lo mismo a todos los demás parámetros de estado que se comprueban manualmente, como la presión y la temperatura.

La transmisión por radio también se puede utilizar para el control de calidad y la optimización de los parámetros de proceso importantes. Estos parámetros, normalmente menos críticos para el control de procesos, se suelen supervisar únicamente de forma temporal, en el caso de aislamiento de fallos, por ejemplo, y en instalaciones temporales de plantas con bajos requisitos de volumen y con cambios frecuentes de producto.

En estas aplicaciones, la tecnología inalámbrica mejora la información sobre el estado de la planta, el flujo de materiales y la secuencia de procesos. Proporciona una base para la optimización de secuencias y procesos, la gestión de activos y las decisiones relativas al mantenimiento preventivo. La tecnología inalámbrica mejora la economía de las plantas de proceso.

Durante años los diferentes proveedores han ofrecido productos que proporcionan una conexión inalámbrica. No obstante, esta solución resulta cara de incorporar en la estructura de las plantas existentes. En algunos casos, las conexiones sólo son posibles entre dos puntos o únicamente en una dirección de comunicación. Además, la compatibilidad entre los dispositivos de campo de los diferentes fabricantes no está disponible con estos productos. Evidentemente, se ofrecen soluciones adaptadas a los requisitos especiales del usuario, pero son relativamente caras. Los usuarios exigen un sistema de radio que: 

• Sea cómodo y fácil de usar.
• Esté disponible, como estándar, en varios fabricantes.
• Satisfaga las necesidades de la tecnología de procesos en lo que respecta a la fiabilidad de la transmisión y el alcance.

Dicho sistema está ahora disponible en HART Communication Foundation como WirelessHART.

WirelessHART se basa en el estándar HART de amplia difusión, tal como lo evidencian los 20 millones de dispositivos de campo compatibles con HART. HART se concibió originalmente como una ampliación del bucle de corriente 4 a 20 mA común, con el fin de proporcionar dispositivos de campo con mayor funcionalidad.

Ahora, ha llegado la siguiente etapa de la evolución del HART. El estándar WirelessHART, publicado en septiembre de 2007, se basa directamente en el protocolo HART, pero es independiente de la ruta de transferencia física. HART utiliza una banda de 2,4 GHz ( sin  licencia y de uso en todo el mundo) como medio de transferencia para varias tecnologías de radio, incluido WLAN, Bluetooth y ZigBee. Con el fin de evitar colisiones en la banda de frecuencia de 2,4 GHz, WirelessHART lleva a cabo una búsqueda especial de los canales no utilizados en esta banda de frecuencia y comprueba las interferencias mutuas de las tecnologías de radio.

WirelessHART utiliza una red de malla plana donde todas las estaciones de radio componen una red en la que cada estación participante actúa simultáneamente como fuente de señal y como repetidor. El transmisor original envía un mensaje a su vecino más próximo, que transmite este mensaje, hasta que el mensaje llega a la estación base y al receptor real. De este modo, la red cubre un área grande. Además, en la fase de inicialización se configuran rutas alternativas. En el caso de que el mensaje no se pueda transmitir en una determinada ruta, por ejemplo, debido a un obstáculo o un receptor defectuoso, el mensaje se pasa automáticamente a una ruta alternativa. Además de la cobertura de áreas de mayor tamaño, se incrementa la fiabilidad de la transmisión.

WirelessHART es la simbiosis entre la ampliamente difundida y probada tecnología HART  y la nueva tecnología de radio (por lo menos, nueva en la tecnología de proceso). Además de la conocida aplicación HART para la parametrización de dispositivos, HART ya se ha utilizado ampliamente para:

• Supervisión de valores de instrumentos y medioambientales
• Gestión y optimización de activos
• Mantenimiento preventivo
• Supervisión del rendimiento
• Gestión de energía

Los requisitos de estas aplicaciones en lo que respecta a disponibilidad, rutas de transmisión y velocidades se corresponden con la capacidad de rendimiento que se puede lograr con la tecnología de radio. Y el concepto WirelessHART también ofrece una integración perfecta en las infraestructuras existentes, con accesibilidad simultánea  a nuevas estructuras.

En la actualidad Pepperl+Fuchs está desarrollando los siguientes dispositivos:    

Un gateway WirelessHART que gestiona la red inalámbrica y la conecta a un sistema de control o SCADA mediante un bus de campo. Las señales de los dispositivos de campo se reciben y envían mediante el protocolo de bus adecuado al bus de campo.      

Un adaptador WirelessHART que constituye el otro extremo de la ruta de comunicaciones. Los dispositivos de campo existentes se pueden equipar con este adaptador. Están previstas tres versiones distintas:  

• Adaptadores alimentados por bucle que simplemente se insertan en un bucle existente de donde extraen la energía para su funcionamiento. El cableado existente se utiliza para la transferencia de señal  4 a 20 mA convencional y  HART se envía de forma inalámbrica a través del adaptador. Sobre todo, se trata de una alternativa con el fin de reproducir la capacidad HART en los dispositivos de campo con  base instalada que lo utilican  con poco riesgo. 
• Los adaptadores con batería suministran la alimentación  al dispositivo de campo mediante una batería. A intervalos  parametrizables el dispositivo de campo se "activa", el valor medido se consulta y el dispositivo de campo se desconecta. Son posibles las estaciones de medición autónomas. En función de los intervalos de tiempo seleccionados, se puede conseguir una duración de batería de varios años.
• Una versión con alimentación externa obtiene la alimentación  para el dispositivo de campo y el adaptador. En muchos casos, hay disponible una conexión con alimentación externa, por ejemplo, para suministrar energía a bombas y válvulas. Si no hay conectado ningún dispositivo de campo, esta versión también puede actuar de enrutador, con el fin de que la red inalámbrica sea más densa o para cubrir una distancia mayor.

La tecnología de radio permite una mejor utilización de las aplicaciones existentes y la consecución de nuevas aplicaciones económicas donde anteriormente no era posible. WirelessHART proporciona el paso necesario desde las soluciones personalizadas a un estándar general en tecnología de proceso, lo que permite el uso de la tecnología de radio sin interrupción del sistema. WirelessHART abrirá nuevas posibilidad para mejorar la calidad y la supervisión de la planta, así como para optimizar las plantas y los procesos. Es una aportación importante a la economía operativa de las plantas de proceso.