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Conectividad y telemetría de
niveles y caudales en tiempos de IIoT

Con las plataformas de Internet Industrial de las Cosas, desarrollar soluciones para capturar y transmitir datos de nivel y caudal, de manera segura y eficiente, es mucho más sencillo. En este artículo, se enumeran las características que deben tener los equipos utilizados en este sistema.

Ya sea en un pozo de salmuera en el desierto o en la extracción de aguas subterráneas para riego, el bombeo y almacenamiento tienen muchas cosas en común y, con el fin de implementar una solución segura y confiable, lo primero es entender cómo digitalizar y transmitir las señales de medida más comunes de un sistema de niveles y caudales.

Para ello, identificaremos las señales de entradas y salidas (E/S) más empleadas en estas aplicaciones:

Caudal: Se mide en [m3/s], pero el sensor lo entrega en señal 4-20mA, donde baja proporcionalmente desde el caudal máximo (señal: 20mA) hasta el mínimo (4 mA). En otras palabras, hablamos de una señal análoga de salida (AO, por sus siglas en inglés).

Nivel: Se mide en [m], y el sensor entrega su magnitud en señal 4-20mA o 0-10V (AO).

Límites altos y bajos: Por lo general, se colocan sensores límites de nivel o caudal ya sea alto o bajo, los que normalmente cierran un contacto -frecuentemente del tipo seco, de relé o tipo pnp. Es decir, hablamos de una señal digital de salida (DO por sus siglas en inglés).

Consumo de corriente de la bomba: Se realiza la medición de la energía monofásica o trifásica. Hoy existen módulos de unidades remotas capaz de medir directamente variables como tensión, corriente, potencia activa/reactiva/ aparente, harmónicas, etc. También se pueden integrar medidores existentes con comunicación Modbus RTU (RS-485).


Una vez cuantificadas y tipificadas las señales, las llevaremos a un terminal inteligente o IoT, el que las digitalizará y las dejará disponibles a través de un protocolo estándar industrial y/o por comunicación IoT típicamente basada en Internet.


La toma de datos y el pre-procesado

Para digitalizar los datos de los instrumentos de planta y maquinaria, la mejor opción es utilizar una unidad remota inteligente. Estos dispositivos hoy en día permiten disponer los datos en múltiples protocolos estándares de la industria, tales como CAN, Modbus RTU, Devicenet, Profibus, Modbus TCP, EtherCat, Ethernet/IP y Profinet. Además, los datos tomados no se limitan a señales de corriente (4-20mA) y/o tensión (0- 10Vdc o 0-230Vac), señales digitales (DI/ DO) o análogas (AI/AO), sino también a comunicación de dispositivos colaboradores (antes llamados “esclavos”) y un sinnúmero de otras señales.

Foto 1. Debe ser posible acceder a la información con cualquier navegador web, donde se pueda visualizar no solo la información, sino el estado en tiempo real de la unidad remota por completo.

Entre las características deseables de una unidad remota IoT, debemos considerar:

Webserver fácil de manejar, en español o multi idioma.

Auto protección por fusible electrónico de cada canal. Ante sobrecarga y cortocircuito se bloquea el canal y automáticamente se reconecta al despejarse la falla.

Posibilidad de activar remotamente un canal en modo forzado, permitiendo simular señales y controlar remotamente sin necesidad de un PLC.

Permitir hacer mantención en caliente (hot swap): si el equipo está operando, no necesitará desenergizar para reemplazar un módulo.

Ser un equipo modular con hasta 32 puntos de E/S por módulo: la alta densidad de puntos permite poner en poco espacio, por ejemplo, en un gabinete de 800mm de ancho, hasta 1024 E/S.

Fácil cableado, por ejemplo, conexionado del tipo Push-in sin herramientas.

Fácil identificación de canales, permitir marcaje por coordenadas o lógica.

Versatilidad: Capacidad de manejar se- ñales de tensión, corriente, temperatura, vibración, nivel, presión, pero además contadores, salida de modulación de pulso PWM, entradas y relés de seguridad SIL 2 y SIL 3, medidores de energía monofásica/trifásica, comunicación con sensores IO-Link y otros esclavos ModbusRTU.

Facilidad para realizar migraciones a controladores IoT, manteniendo módulos y cableado.


La comunicación IIoT

En este ámbito, se debe tener en consideración no solo desde dónde y hacia dónde va la información, sino la seguridad de la información. En el mercado, existen equipos tan simples como un módem celular sin ninguna o con mínima seguridad, pero también existen equipos cortafuegos, con capacidad de establecer múltiples redes privadas virtuales (VPN, por sus siglas en inglés), encriptación, y seguridad avanzadas. En el caso de comunicación local de corta distancia, un punto de acceso industrial administrable es lo recomendado.

Entre las características deseables de un Router IoT, debemos considerar:

Al menos 2 puertos Gigabit (LAN/WAN).

Capacidad de enmascaramiento NAT, mapeo de red 1-1 y forwarding de puertos.

Múltiples funciones VPN simultáneas (OpenVPN, IPsec, propietarias), en modo cliente y servidor.

Activación y desactivación de la conexión WAN/VPN por entrada digital.

Comunicación 4G-LTE/3G/UMTS integrado para acceso a comunicaciones móviles de alta velocidad basadas en Internet.

Webserver de fácil configuración, accesible por conexión remota gratuita.

Cifrado de alto nivel hasta AES-256.

Identificación por usuario/contraseña o certificados X.509.

Filtros de capa 2 y 3.

Autoaprendizaje de reglas de comunicación: esta función permite cerrar todas las puertas y protocolos no usados por la red de telemetría al momento de comisionar el equipo de forma automática.


Visualización genérica o realista

El último paso es disponer de la información ya sea visualizándola directamente en una página web del equipo (webserver) o en una nube (por ejemplo, Amazon AWS, Microsoft Azure, etc.). Debe ser posible acceder a la información con cualquier navegador web, incluso el de un dispositivo móvil (tablet o smartphone), donde se pueda visualizar no solo la información, sino el estado en tiempo real de la unidad remota por completo (ver Foto 1).

La visualización genérica puede mostrar los valores e indicadores de estatus de las variables. Para el despliegue de la visualización, hoy en día no es necesario programar absolutamente nada; basta energizar el equipo y declarar las variables que se están midiendo; con esto, queda disponible un layout con la información en tiempo real, incluso de los LED de estado de cada señal de los medidores.

En el caso de la visualización realista y eventual control remoto, se deben configurar las gráficas y probablemente programar en entornos como NodeRed, para lo que lo adecuado es un controlador IIoT.


Articulo gentileza de Weidmüller. / joseantonio.sanchez@weidmueller.com
Noviembre 2020
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