Hasta la última gota

Extracción y generación
Hasta la última gota
Cómo apoya la comunicación inalámbrica la prolongación
de la vida útil de la producción de petróleo y gas
Egil Birkemoe, Jan-Erik Frey, Stefan Svensson, Paula Doyle
La explotación rentable de las fuentes de energía es uno de los grandes
problemas que ha de resolver la sociedad actual. La situación se agudiza
cuando las reservas de los yacimientos de petróleo y gas llegan al límite y
empiezan a “agotarse”. Las compañías de producción de gas y petróleo
intentan prolongar el uso del equipo instalado todo lo posible para evitar
la costosa construcción de instalaciones nuevas. Cuando se llega a esa
situación, todas las mejoras de la eficacia operativa son rentables y
compensan.
Revista ABB 1/2008
63
Hasta la última gota
Extracción y generación
M
Integración de datos y conocimientos
uchas de las instalaciotoda la planta, en las instalacio1 Elementos principales de una plataforma de producción en el Mar del Norte
nes petrolíferas y de gas
nes superiores o entre platafordel Mar del Norte se construmas.
yeron en el decenio de 1970
y entran ahora en la fase de
Tradicionalmente, para instalar
producción final. En la actuasensores de recogida de datos
Optimización de
lidad hay pocos proyectos
en línea hacen falta cables. En
la producción
nuevos de envergadura
las nuevas instalaciones, los
planificados en los sectores
sensores inalámbricos pueden
Datos en tiempo real
noruego y británico, por lo
ahorrar costes de cableado. La
que la industria comienza a
renovación del cableado es aún
centrarse en proyectos de
más cara, y a menudo imposiCentro de operaciones en tierra
reacondicionamiento. Este
ble a gran escala, ya que exige
cambio obliga a abordar
personal de instalación en el
cuestiones decisivas:
emplazamiento. Además, la
En la fase final de produccapacidad limitada de camas
ción, es esencial un funcioy transporte en la plataforma
Gestión del yacimiento y las reservas
namiento eficaz para propetrolífera suele ser un factor
longar la vida de los
disuasor. Para conectar los
estar situada mar adentro, sobre una
yacimientos.
sensores, es posible que haya que erigir
El equipo envejecido necesita más
cubierta de acero, una estructura de
andamios, retirar aislamientos y atravemantenimiento.
hormigón o una unidad flotante, depensar mamparos y compartimentos proteEs crucial el mantenimiento basado en
diendo de la profundidad del mar y de
gidos contra explosiones e incendios, lo
el estado, orientado a la reducción de
la tecnología disponible en el momento
que aumenta los costes.
los costes de explotación.
de la construcción. Las plantas más
Redes inalámbricas de sensores
modernas incluyen también instalacioOperaciones integradas
En los yacimientos marinos maduros,
nes submarinas de transformación. 1
Para afrontar esta ingente tarea de gesPara recoger los datos necesarios en
una red de sensores inalámbrica (WSN)
tión de miles de dispositivos, sistemas e
este entorno tan desfavorable, las comde bajo coste es una opción muy
instalaciones, es fundamental usar gran
pañías petrolíferas han invertido en una
ventajosa para la transmisión de datos
cantidad de datos en línea tanto para
red de fibra óptica en el Mar del Norte.
de mediciones y equipos de comunicaaumentar la producción como para
Ahora se están desarrollando otras tección a las unidades centrales. Una WSN
lograr una explotación y un manteninologías potenciadoras con gran capacipuede instalarse en plataformas marinas
miento eficaces. En las etapas iniciales
dad de transferencia de datos: redes de
con cientos de bombas, ventiladores
de la producción de petróleo y gas se
fibra óptica en los pozos, comunicación
y otros dispositivos accionados por
han adoptado muchas iniciativas de
inalámbrica en torno a las plataformas
motores que precisan mantenimiento
este tipo conocidas como Operaciones
(embarcaciones de apoyo, etc.) y en
continuo.
integradas, Yacimiento electrónico,
Yacimiento del futuro, Yacimiento
Pero las dificultades técnicas que
Cuadro
Colaboración para el éxito
inteligente, etc. En un informe publicaplantea una WSN en este entorno son
do por la asociación de las industrias
considerables. Los principales requisitos
ABB proporciona productos de control de
del petróleo de Noruega [1] se estimó
de la WSN son:
Fiabilidad de la comunicación en
estado, control de comportamiento y optiun potencial para las Operaciones
mización de la producción a muchos tipos
entornos inclementes.
integradas en la plataforma continental
Latencia previsible (demora y
de instalaciones de producción primaria.
noruega de 250.000 millones de coronas
determinismo de la comunicación).
ABB fue elegida por Statoil-Hydro como
en 2006.
Consumo eléctrico reducido del nodo
socio de investigación y desarrollo
de sensores y de la comunicación.
industriales en el área de operaciones y
ABB es un agente activo que colabora
Seguridad, que abarca la confidenciamantenimiento, y encabeza un consorcio
con las compañías petrolíferas, con
lidad (codificación de extremo a exllamado TAIL Integrated Operations, del que
otros proveedores y con el mundo acatremo) y la comprobación de la inteforman parte AkerKværner, SKF e IBM [2].
démico para hacer realidad el concepto
gridad de los mensajes, la
Otro importante programa de I+D es el
de Operaciones integradas Cuadro .
autentificación y los procedimientos
desarrollo de sensores de vibración
El problema de la adquisición de datos
inalámbricos con apoyo de BP y Statoilseguros para el acceso a la red.
Una planta de explotación primaria de
Coexistencia con otros equipos y
Hydro. ABB preside el consorcio, del que
petróleo y gas es básicamente una plansistemas inalámbricos de la
también forman parte SINTEF y SKF.
ta de producción que lleva hidrocarbucompetencia.
El Consejo de Investigación de Noruega
ros desde un yacimiento subterráneo
respalda los dos proyectos anteriores en el
hasta una línea de exportación para
En el caso de las aplicaciones de control
marco del programa Petromaks.
petróleo y gas transformados. En el Mar
del estado, cuya frecuencia de actualizadel Norte, la planta de producción suele
ción suele ser inferior, la latencia es
64
Revista ABB 1/2008
Hasta la última gota
Extracción y generación
dispositivo y la estación del
operador.
Un sencillo adaptador WirelessDispositivos HART existentes con adaptador de WirelessHART
HART en el instrumento actual
Dispositivo HART
puede aportar la funcionalidad
Acceso inalámbrico
existente
a la información del
extra que falta y potenciar el
Datos
HART
dispositivo HART
rendimiento del sistema de
Mismo dispositivo
Adaptador Pasarela
HART y bucle de
control en su conjunto. De esAplicación
control
de gestión de
te modo, el canal inalámbrico
Uso de herramiendispositivos
tas existentes y
permite el control del estado
experiencia
Bucle de control de
Valioso diagnóstico
4-20 mA existente
tan necesario en la etapa final
Sistema de
de dispositivos
control existente
de la explotación. 2
WirelessHART se basa en la
Nuevos dispositivos compatibles con WirelessHART
norma 802.15.4, que proporLas mediciones de
ciona las capas de nivel infeprocesos adicionales
PV + datos HART
son ahora rentables
rior de la pila de comunicacioPasarela
Automatización
nes. La norma IEEE se centra
de mediciones
manuales
en la comunicación ubicua a
Dispositivo
Sin costes de
baja velocidad y de bajo coste
cableado para
alimentación por batería
señales
alimentación solar
entre dispositivos con poca
Además de con las enormes
Aplicaciones
Fácil configuración
alimentación por
host
inducción
y despliegue
infraestructura o sin ella. El
estructuras de acero de la
uso de la 802.15.4 como base
plataforma, la WSN tiene que
garantiza una tecnología de
coexistir con otros sistemas
mucho mayor que la WirelessHART, y
radio fiable y numerosos proveedores
marinos típicos que pueden alterar el
aspira a cubrir una familia completa de
tecnológicos.
intercambio seguro de datos. Pertenecen
normas:
a esta categoría grandes generadores de
Automatización de procesos
La radio 802.15.4 ofrece un alcance míenergía, radios UHF/VHF, radares, siste(ISA100.11a).
nimo de 10 metros según la especificamas de automatización y seguridad y,
Automatización de la fabricación
ción, y una velocidad de transferencia
cada vez más, redes WLAN1.
(intervención próxima).
de 250 kbps. Pero con equipos de radio
Transmisión y distribución (intervenSin embargo, el análisis espectral en
y amplificadores de potencia más sensición a larga distancia).
dichos emplazamientos marinos no
bles, WirelessHART podría alcanzar disRFID (radioetiquetado industrial).
indica ningún ruido de fondo importantancias de hasta 200 metros (en línea de
te en la banda de 2,4 GHz, que es la
visión).
Como WirelessHART ofrece ya una
frecuencia en la que trabajan muchas
En 2007, HART con cable tenía ya una
buena solución para las aplicaciones de
de las soluciones WSN actuales y en debase instalada de más de 24 millones
automatización de procesos, el debate
sarrollo. Pero las instalaciones previstas
de dispositivos. Para sacar el máximo
actual se centra en la mejor manera de
de sistemas de red WLAN (IEEE 802.11)
partido a las herramientas y el software
integrar WirelessHART con ISA100.11a
y WiMax (IEEE 802.16) pueden cambiar
actuales, lo razonable es aprovechar la
para garantizar la coexistencia y la
esta situación [6]. Las futuras soluciones
base instalada.
interoperabilidad.
WSN no tendrán más remedio que
WirelessHART se desarrolló para admitir
coexistir con las redes WLAN, la tecnolas siguientes aplicaciones:
Ventajas de WirelessHART
Localización de averías de dispositivos
logía más extendida en el sector.
El desarrollo de WirelessHART se basó
sobre el terreno.
A la búsqueda de normas WSN
Control del diagnóstico y el estado de
en los mismo principios que rigieron el
Una de las cosas que más preocupan en
dispositivos.
desarrollo de HART con cables: los
Control de datos críticos con requisiel ámbito de la automatización industrial
niveles de comunicación y aplicación
tos de funcionamiento más estrictos.
es la ausencia de normas adecuadas
forman parte de la solución, y el protoControl del proceso de supervisión.
para responder a las demandas menciocolo propiamente dicho se mantiene lo
Calibración.
nadas más arriba. El panorama ha
más sencillo posible.
Puesta en marcha.
empezado a cambiar con la publicación
de la norma WirelessHART™ [4] en
La semejanza de las normas permite
Concepto de red mallada
septiembre de 2007. ABB ha intervenido
sacar más partido a los instrumentos ya
La máxima fiabilidad de la red
activamente en la definición de la espeinstalados en las plataformas marinas.
WirelessHART se consigue con una
cificación WirelessHART2).
De hecho, muchas instalaciones marinas
ya están equipadas con instrumentos
Otra norma en desarrollo que parece
HART. Sin embargo, éstos no pueden
Notas a pie de página
prometedora para las aplicaciones inaprovecharse totalmente, pues los
1)
WLAN: red de área local inalámbrica.
dustriales es la ISA100, Sistemas inalámsistemas DCS heredados bloquean
2)
Véase también “Las comunicaciones inalámbricas, el
bricos para la automatización industrial
las señales HART y obstaculizan todas
futuro de la instrumentación”, Revista ABB 4/2007,
páginas 16–17.
[5]. La norma ISA100 tiene un alcance
las comunicaciones HART entre el
menos importante, mientras
que la fiabilidad, la seguridad
y el consumo eléctrico continúan siendo cruciales.
El consumo eléctrico tiene un
efecto decisivo en la vida de
los sensores (si funcionan con
batería) o en la viabilidad de
una solución autoalimentada
(por ejemplo, mediante la
captación de energía de
fuentes de calor o vibración
próximas). Para reducir el
consumo, el nodo debe estar
inactivo el mayor tiempo
posible y enviar, cuando esté
activo, el menor número de
bits posible [3].
Revista ABB 1/2008
2
Uso de WirelessHART en aplicaciones nuevas y existentes
65
Hasta la última gota
Extracción y generación
Resultado de una prueba de medición de un sistema WirelessHART
comportamiento de la red SmartMesh
100
500
98
96
450
94
92
400
90
88
350
86
84
80
Bajo consumo eléctrico
El esquema TDMA garantiza la reserva
de un segmento de tiempo para cada
enlace entre los dispositivos en comunicación. Así se asegura un consumo
eléctrico reducido, ya que los nodos
están sincronizados y sólo deben estar
activos durante los segmentos de tiempos pertinentes y la resincronización.
con normas industriales y productos lanzados por una amplia gama de proveedores,
subraya la necesidad cada vez
más acuciante de esta plataforma de comunicación. Las principales compañías petrolíferas
tienen intención de probar la
nueva tecnología WirelessHART
en 2008.
Un sistema de control del estado en línea compatible con la
WSN contribuye a la fiabilidad
y la seguridad de las operacio250
1 2
3
4
5 6 7
8
9 10 11 12 13 14
nes, pues advierte con tiempo
tiempo (horas)
fiabilidad
de las situaciones potencialestabilidad
mente peligrosas, a la vez que
latencia
aumenta el conocimiento del
desgaste y del comportamiento
cipales objetivos de las soluciones de
del equipo a largo plazo. El ahorro de
comunicación, y que las soluciones de
costes deriva de la reducción o eliminaseguridad complejas aumentan el consución del tiempo de inactividad del
mo. Se utilizan claves distribuidas para
equipo crítico gracias a la introducción
que sólo los dispositivos autorizados
de conceptos de mantenimiento más efientren en la red; este solo mecanismo
caces y de procesos de trabajo de mangarantiza la autenticidad de los datos.
tenimiento más previsibles y claros.
300
82
El sistema ofrece rutas de comunicación
alternativas para que la comunicación
pueda continuar cuando la ruta original
se bloquea por una obstrucción material
o por interferencias. Como cada dispositivo debe tener al menos dos rutas al receptor, puede usarse una de éstas al instante cuando se bloquea la inicial.
latencia (ms)
La capacidad para evitar perturbaciones en el momento
en que se producen saltando
de una frecuencia a otra contribuye también a la fiabilidad
total de la red. El salto de frecuencia sigue un esquema
TDMA (acceso múltiple por
división de tiempo) que asegura que los nodos se comuniquen en frecuencias distintas en puntos temporales distintos.
3
fiabilidad y estabilidad (%)
red mallada en la que todos
los nodos pueden encaminar
mensajes desde un dispositivo cercano, y proporcionar
con eficacia una nueva ruta
de datos.
0
Coexistencia
Como WirelessHART utiliza el protocolo
de control de acceso a medios definido
en la norma IEEE, se asegura la coexistencia armónica con otras redes que
usan la misma norma IEEE (por ejemplo, ZigBee). Las pruebas con protocolos de redes de sensores similares a
WirelessHART demuestran que la comunicación funciona muy bien incluso en
un entorno de red WLAN muy activo [6].
La WSN es otro ejemplo de tecnología
potenciadora que multiplica el rendimiento empresarial de todo un sector,
que necesita aprovechar sus activos
“hasta la última gota”.
Egil Birkemoe
Mejora de la producción de petróleo,
ABB, Petróleo y gas
Seguridad
La codificación AES3) de 128 bits definida en la norma 802.15.4 se considera de
forma generalizada como la más avanzada. Aunque es posible que en el futuro
se precisen soluciones de seguridad aún
más avanzadas (como la criptografía de
curva elíptica), la AES cumple todos los
requisitos actuales si tenemos en cuenta
que el bajo consumo es uno de los prin-
muestra el comportamiento de una
red de ese tipo durante las pruebas; la
fiabilidad es prácticamente del 100 % en
todo momento.
3
Oslo, Noruega
[email protected]
Stefan Svensson
Investigación del grupo ABB
WSN para mejorar la eficacia
de la producción
La WSN es un importante requisito para
implantar un control en línea del estado
rentable. La respuesta del mercado,
Västerås, Suecia
[email protected]
Jan-Erik Frey
Investigación del grupo ABB
Västerås, Suecia
Referencias
[email protected]
[1] Asociación de las industrias del petróleo de Noruega: Potential Value of Integrated Operations on the
Norwegian Shelf, 2006.
[2] Vatland, S.; Doyle, P.; Andersen, T.M., “Operaciones integradas: La creación de la compañía petrolífera del
futuro”, Revista ABB 3/2007.
[3] Aakvaag, N.; Frey, J., “Redes de sensores inalámbricos. Nuevas soluciones de interconexión para la
automatización industrial,” Revista ABB 2/2006.
Paula Doyle
I+D estratégica para petróleo y gas, ABB
Oslo, Noruega
[email protected]
[4] Fundación para la comunicación HART, http://www.hartcomm.org (enero de 2008).
[5] ISA-100, http://www.isa.org
[6] Doyle, P.; Vatland, S.; Petersen, S.; Aasland, C.S.; Andersen, T.M.; Sjong, D. Requirements, Drivers and
Analysis of Wireless Sensor Network Solutions for the Oil & Gas Industry. Actas de la ETFA, 2007.
66
Notas a pie de página
3)
AES: norma de codificación avanzada.
Revista ABB 1/2008