Caso de estudio · Petróleo y gas
Vigilar el pozo a distancia. Actuar cuando hace falta.
Un PLC lee el pozo, envía los datos por 4G y lanza las alarmas.
Un pozo de petróleo está lejos de la oficina, y nadie puede vigilarlo todo el día.
Por eso lo lee el PLC, que envía los datos a la nube y solo pide atención cuando un valor es crítico.
Esta página reúne dos estudios de aplicación que Industrial Shields publicó en 2020: control y monitorización de un pozo de petróleo, y soluciones de monitorización para la industria petroquímica. Ninguno describe una instalación de un cliente. Los tres sensores, el enlace sin cables, el enlace GPRS, la aplicación en línea, las alarmas, el paro y la ralentización a distancia, la red de pozos y los objetivos de los cuadros de mando son de esos estudios. Los valores, umbrales y mensajes de esta página son ejemplos de una forma habitual de hacerlo.
El reto
Datos del pozo, sin ir al pozo.
En la extracción de petróleo, las variables útiles son la temperatura del crudo, la presión y el caudal, que ayudan a prever la producción, y cualquier señal de daño en la sonda. El estudio quería leerlas sin cables en el pozo, enviarlas a la nube y seguir el proceso desde cualquier lugar. En las instalaciones petroquímicas el objetivo es el mismo a mayor escala: indicadores clave en tiempo real, eventos por línea y por máquina, y cuadros de mando para cada nivel de responsabilidad.
Leer tres sensores
Presión, temperatura y un caudalímetro digital, que llegan al PLC sin cables y se convierten de valores en bruto a unidades.
Alarma en niveles críticos
Programar alarmas para los niveles críticos, para que nadie tenga que consultar las variables todo el rato.
Actuar a distancia
Cuando un sensor llega a un nivel crítico, el operario puede parar el proceso o ralentizarlo a distancia.
Crecer a muchos pozos
Repetir el mismo modelo en una red de pozos de distintas regiones y países, con un control centralizado.
Tendencias que señalan las averías
Con los datos de muchos pozos, calcular una tendencia por región para ver dónde fallan más a menudo, y preparar soluciones antes de que hagan falta.
Cómo funciona
Tres trabajos de un mismo programa: leer, reaccionar, comparar.
Cada panel muestra un trabajo del PLC y de la aplicación en línea. Pulsa los botones. Los paneles son simulaciones ilustrativas: valores, umbrales, unidades y mensajes son ejemplos, no datos de un pozo real.
Entran valores en bruto, salen unidades y alarmas.
El PLC lee los tres sensores con un periodo fijo. Cada valor llega como un número de 10 bits, de 0 a 1023, y el programa lo convierte a bar, grados o metros cúbicos por hora. Después envía los valores a la nube y los compara con los niveles de alarma. Prueba una subida de presión y una sonda dañada.
- Lectura periódica de tres sensores
- Conversión de 0-1023 a unidades en el programa
- Una sonda que no lee nada también es una alarma
Eventos del PLC (ejemplo)
- Leyendo los sensores cada 10 s.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de un pozo real. Valores de ejemplo: alarma a 210 bar y 100 °C, una lectura cada 10 s. Los estudios no publican rangos, unidades ni niveles de alarma.
Prueba el mismo patrón de valores remotos y alarmas: simulador de telemetría de emplazamientos remotos
La alarma ofrece dos respuestas: ralentizar o parar.
En un nivel crítico, la aplicación en línea lanza una alarma y ofrece dos botones virtuales: ralentizar la extracción o pararla. El PLC lee por programa si se ha pulsado un botón, a partir de un mensaje que llega por la red móvil, y actúa sobre el pozo. Sube la presión y elige una respuesta.
- Alarma en un nivel crítico
- Botones virtuales en la aplicación en línea
- El PLC lee la orden y actúa
Alarma y órdenes (ejemplo)
- Esperando una alarma.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de un pozo real. Valores de ejemplo. El paro y la ralentización a distancia son órdenes de proceso, no una función de seguridad: lo explican las preguntas de abajo. En un pozo real, la orden va al variador de la bomba o al sistema de control del pozo.
Muchos pozos, una sola vista, una tendencia por región.
El mismo modelo se repite en cada pozo. Con todos los datos en un mismo lugar, la aplicación cuenta las alarmas por región y muestra dónde fallan más a menudo, para que el mantenimiento vaya primero allí. Cambia el periodo.
- El mismo programa del PLC en cada pozo
- Alarmas contadas por región
- Mantenimiento planificado donde apunta la tendencia
Aplicación en línea (ejemplo)
- Elige un periodo.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de un pozo real. Datos de ejemplo de 24 pozos en 4 regiones. El estudio propone la tendencia por región y no publica datos.
Arquitectura del sistema
¿Cómo monitoriza un PLC un pozo de petróleo a distancia?
Un ESP32 PLC 21 FLEX recibe sin cables los sensores de presión, temperatura y caudal, convierte los valores y comprueba los niveles de alarma. Con una placa 4G envía los datos a una aplicación en línea que muestra el proceso, lanza las alarmas y ofrece los botones de paro y ralentización a distancia. El PLC lee esas órdenes y actúa sobre el pozo.
| Señal | Entre | Tipo | Función |
|---|---|---|---|
| Presión | EntreSensor → ESP32 PLC 21 | TipoSin cables, de 0 a 1023 | FunciónProducción y alarma en nivel crítico |
| Temperatura del crudo | EntreSensor → PLC | TipoSin cables, de 0 a 1023 | FunciónEstado del proceso y alarma |
| Caudal | EntreCaudalímetro digital → PLC | TipoSin cables | FunciónPrevisión de producción |
| Estado de la sonda | EntreCalculado a partir de las lecturas (forma habitual) | TipoPrograma | FunciónDetectar daños en la sonda |
| Ralentizar | EntreAplicación en línea → PLC → variador de la bomba (forma habitual) | Tipo4G y después salida | FunciónBajar la velocidad de extracción |
| Parar | EntreAplicación en línea → PLC → control del pozo | Tipo4G y después salida | FunciónParar la extracción |
| Valores y alarmas | EntrePLC → aplicación en línea | Tipo4G | FunciónTendencias, alarmas, informes por región |
Por qué funciona
Un controlador pequeño para todo el ciclo de un emplazamiento remoto.
Sin cables en la cabeza del pozo
Los sensores llegan al PLC por un enlace sin cables, como propone el estudio. Una alternativa habitual en una instalación industrial es el cableado 4-20 mA, que el mismo PLC lee en sus entradas de 0-10 V con una resistencia de shunt o un convertidor de señal.
Unidades en el programa
El PLC recibe valores en bruto de 10 bits y el programa los convierte. Cambiar el rango de un sensor es cambiar dos números, no el hardware.
Alarmas en lugar de vigilar
El estudio pone alarmas en los niveles críticos, así la aplicación en línea solo llama al operario cuando importa.
Una forma de responder a distancia
Ralentizar o parar desde la aplicación en línea. El PLC lee la orden y actúa. La seguridad del pozo sigue en su propio sistema.
Un modelo, muchos emplazamientos
El mismo programa y el mismo hardware se repiten en cada pozo, así los datos son comparables y la tendencia por región tiene sentido.
Programación abierta
El PLC se programa con el Arduino IDE, como en el estudio, y se puede mantener a distancia por la red.
Hardware
Un PLC ESP32 con Bluetooth y una placa 4G.
Equivalente actualESP32 PLC 21 FLEX
Un controlador industrial basado en el ESP32 de doble núcleo, para carril DIN, que se programa con el Arduino IDE. Lleva Bluetooth LE integrado para sensores sin cables, y la versión FLEX admite una placa de comunicación: aquí, 4G (M1)-NB1 IoT LTE para el enlace con la aplicación en línea.
- Función
- Lee los sensores, convierte los valores, envía datos y alarmas, ejecuta las órdenes remotas
- Procesador
- ESP32 de doble núcleo, hasta 240 MHz
- Entradas
- 13: 6 analógicas o digitales (0-10 V, 11 bits), 7 digitales optoaisladas (de 5 a 24 Vdc), 2 de ellas con interrupción
- Salidas
- 8: 3 analógicas, digitales o PWM (0-10 V, 12 bits), 5 digitales optoaisladas (de 5 a 24 Vdc)
- Sin cables
- Wifi y Bluetooth LE integrados; placa opcional 4G (M1)-NB1 IoT LTE (u-blox), LoRa o CAN
- Con cables
- Ethernet, RS-485, RS-232
- Programación
- Arduino IDE
- Alimentación
- De 12 a 24 Vdc
- Montaje
- Carril DIN TS35, IP20, dentro de un armario
El estudio de 2020 usaba un PLC con un Arduino Mega dentro, un módulo Bluetooth y GPRS, y no cita el modelo. El GPRS funciona sobre redes 2G, que algunos operadores ya han apagado, así que hoy el equivalente es el ESP32 PLC 21 FLEX con la placa 4G. Un pozo suele ser una zona con atmósfera explosiva: el PLC va en la zona segura o en una envolvente certificada para la zona, y los sensores también deben estar certificados.
Preguntas sobre este caso
¿Cómo se monitoriza un pozo de petróleo a distancia con un PLC?
Se instala un PLC en el pozo con los sensores de presión, temperatura y caudal, y un enlace móvil con una aplicación en línea. El PLC lee los sensores con un periodo fijo, convierte los valores en bruto a unidades, comprueba los niveles de alarma y envía los datos. En este caso lo hace un ESP32 PLC 21 FLEX con placa 4G; el estudio de 2020 usaba GPRS. Puedes probar el mismo patrón de valores remotos y alarmas en el simulador de telemetría de emplazamientos remotos.
¿Sensores sin cables o 4-20 mA en un pozo?
El estudio propone sensores Bluetooth, para no tender cables en el pozo. En muchas instalaciones industriales lo habitual son transmisores de 4-20 mA cableados al PLC: aguantan bien los cables largos y muchos están certificados para atmósferas explosivas. El ESP32 PLC lee las dos cosas: el 4-20 mA con una resistencia de shunt o un convertidor en sus entradas de 0-10 V. Consulta cómo lee un ESP32 PLC sensores de presión y temperatura de 4-20 mA.
¿Qué capa de seguridad trabaja junto al paro a distancia?
El paro y la ralentización a distancia de este caso son órdenes de proceso: el PLC las lee de la red móvil y actúa sobre la bomba o el control del pozo. La protección del pozo y de las personas va en su propia capa: un sistema instrumentado de seguridad diseñado según la IEC 61511 para la parada del proceso, y paros de emergencia locales que no dependen de la red. Los equipos en atmósferas explosivas siguen la IEC 60079 (ATEX o IECEx).
¿GPRS o 4G para un emplazamiento remoto nuevo?
El estudio usaba GPRS en 2020. El GPRS funciona sobre redes 2G, que algunos operadores ya han apagado o tienen previsto apagar. Para un emplazamiento nuevo, comprueba la cobertura y las fechas de cierre del 2G en la zona. LTE-M y NB-IoT encajan con equipos que envían pocos datos, y el ESP32 PLC 21 FLEX admite una placa 4G (M1)-NB1 IoT LTE.
¿Cómo recibe el PLC una orden de la aplicación en línea?
La aplicación publica la orden, y el PLC la comprueba en cada ciclo y actúa. Una forma habitual es MQTT sobre el enlace móvil, con una confirmación de vuelta a la aplicación. Consulta órdenes remotas por MQTT en un ESP32 PLC.
¿Qué gana una planta petroquímica con este tipo de monitorización?
El estudio petroquímico lo enumera: indicadores clave en tiempo real, eventos por línea, máquina o instalación (paro, avería, marcha, cambio, mantenimiento), paros anticipados, elementos de seguridad visibles, avisos en los dos sentidos, sin entrada manual de datos, y cuadros de mando para cada nivel de responsabilidad. No publica cifras.
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