Conector universal AUV de WiSub

Por Claudio Paschoa • 28 febrero 2018

La carrera inicial del CEO de WiSub, Mark Bokenfohr, se basó en el desarrollo, la entrega y la operación en alta mar de vehículos subacuáticos (ROV) operados a distancia y sistemas relacionados, donde las limitaciones de los conectores subacuáticos se pueden observar fácilmente. "Habiendo utilizado módems inductivos de baja velocidad como piloto de ROV durante las operaciones de ciencias oceanográficas, estaba convencido de que los conectores sin clavijas deberían desarrollarse también para la industria del petróleo y el gas, aunque tomó otra década, algunos cambios de país y el momento adecuado antes de dar el salto para construir una empresa que ofrezca tales soluciones. Oficialmente, el proyecto UAC se denomina "Interfaz universal de carga y transferencia de datos sin clavija AUV". Internamente llamamos a este proyecto "Interfaz AUV sin PIN" o PAX. "WiSub ha desarrollado avances significativos para el avance de la conexión subacuática de última generación, sin embargo, debemos compartir el crédito al desarrollo de tecnologías de conexión sin pin anteriores. por darnos la inspiración para ir más allá y soñar más grande ", dijo Bokenfohr.

Cuando habla con Bokenfohr, inmediatamente siente la pasión y el conocimiento que tiene sobre el potencial del Conector Universal AUV (UAC). Es importante mirar la historia involucrada en este avance. "Los conectores inductivos sin clavija se han utilizado bajo el agua durante décadas, desarrollados para superar las limitaciones significativas de los conectores de acoplamiento húmedo fijados. Algunas de las primeras aplicaciones en esta área fueron simplemente mitades de transformadores divididos, entregando energía inalámbrica basada en los principios patentados por Nikola Tesla cien años antes. Los datos también se han transferido de forma inalámbrica a través del agua a través de electromagnetismo (EM) durante décadas ", explica Bokenfohr. Sin embargo, para que el concepto de UAC madure, se necesitan desarrollos tecnológicos clave. "Desarrollos significativos y relativamente recientes en las tecnologías aéreas han permitido un avance en el estado del arte para la conexión submarina basada en EM. La disponibilidad comercial de automóviles eléctricos también ha generado el desarrollo de una carga inalámbrica de mayor potencia; WiSub desarrolló nuestro producto Torden en colaboración con uno de esos desarrolladores que estaba transfiriendo 18kW a un automóvil eléctrico en movimiento. WiSub combina los últimos métodos y circuitos posibles en la transferencia de potencia resonante con la aplicación revolucionaria de frecuencias muy altas bajo el agua para transmitir datos y energía a través de cortos espacios de agua de mar. Hemos visto más allá parándonos sobre los hombros de los gigantes ".

Según Bokenfohr, hay algunas características específicas de la conexión sin pin que permiten al UAC mantener datos confiables y transferencia de energía bajo el agua, que son vitales para habilitar una estación de acoplamiento AUV confiable: "Mantener una conexión confiable significa mantener la capacidad de conectarse y desconecte sin aumentar el riesgo de falla o rendimiento degradado. Las conexiones ancladas heredadas pueden funcionar de forma razonablemente confiable si se manejan con cuidado y se enchufan una sola vez; algunos podrían considerarlos como una unión de soldadura: conectados una vez y no destinados a separarse. Mantener la seguridad de las partes móviles del conector y la conexión confiable durante varios ciclos de mate húmedo es mucho más desafiante debido a la necesidad de sellar dinámicamente contra el agua corrosiva a alta presión, alinear los pasadores perfectamente cada vez que se intenta sellar y volver a sellar sin incurrir en fallas o fallas de tierra. Los contaminantes en el agua y el manejo brusco del operador exacerban el problema del sellado y la alineación. La física básica de la construcción pin-to-socket también limita las velocidades posibles para la transferencia de datos debido a las largas longitudes de pin sin blindaje y sin torsión que introducen la posibilidad de interferencia. La conexión sin clavija es intrínsecamente más confiable en ciclos de acoplamiento múltiples ya que no hay sellos dinámicos que se desgasten, una tolerancia de acoplamiento mucho más tolerante, inmunidad a la contaminación y sin pernos para alinear, romper o doblar. Una complejidad mecánica reducida es valiosa para aumentar la fiabilidad y justifica la aplicación de componentes electrónicos de estado sólido. Hay más mejoras que un conector inteligente puede proporcionar que los pines 'simples' no pueden, como los diagnósticos de red localizados.

Uno de los avances vitales que hizo que el concepto de UAC sea viable se relaciona con la tecnología patentada de electrónica de microondas de alta velocidad y alta frecuencia de WiSub: "La comunicación basada en EM se conoce desde hace décadas en el rango de frecuencias de radio (por debajo de 300 MHz). aplicado a la transmisión de datos a baja velocidad en distancias cortas (algunos metros). La transmisión de datos de alta frecuencia ha sido ignorada debido a su muy alta atenuación en agua de mar. La propagación de ondas EM a nivel de GHz no es posible más allá de 10 centímetros a través del agua de mar, y prácticamente solo es útil por debajo de 5 centímetros. Esto nunca se consideró una distancia práctica para la "comunicación inalámbrica" ​​ya que la "transferencia a cierta distancia" siempre se entendió para la tecnología "inalámbrica". Sin embargo, el EM de alta frecuencia funciona muy bien para conectores sin clavija, y como nunca fue obvio para otros, pudimos asegurar patentes para este paso inventivo en la comunicación subacuática ", explicó Bokenfohr. También es interesante observar las ventajas de esta tecnología frente a las tecnologías tradicionales de baja frecuencia de RF, inductivas o acústicas. La alta velocidad de transmisión de datos en ancho de banda amplio es la principal ventaja que ofrece el enlace de datos subacuáticos basados ​​en microondas de WiSub, que comienza en 100Mbps y se extiende más allá de 1Gbps en desarrollo. "Esta ventaja de alta velocidad es posible debido a las frecuencias involucradas, que requiere longitudes de onda pequeñas (micro), que también pasa a ser la misma característica que impide el recorrido a larga distancia de estas ondas. Las microondas están definidas para operar en el rango de frecuencias de 300MHz a 300GHz; las otras tecnologías aplicadas en el campo de la comunicación subacuática suelen operar a frecuencias mucho más bajas y, en consecuencia, a velocidades de datos más bajas. Velocidades de datos de kbps (kilobits por segundo) son posibles con comunicaciones acústicas. Los enlaces de comunicación de radiofrecuencia (dentro del rango de 3 KHz a 300 GHz) pueden alcanzar velocidades de datos similares en algunos medidores. Los enlaces inductivos utilizados para la transferencia de potencia a menudo también se utilizan para la transferencia de datos, con una pequeña separación entre frecuencias, lo que también presenta cierto riesgo de interferencia. Un beneficio práctico adicional del uso de microondas a GHz para la transferencia de datos y longitudes de onda más largas a kHz para la transferencia de potencia es la gran separación entre frecuencias, lo que evita problemas de interferencia. Además, las comunicaciones acústicas se ven afectadas negativamente por la turbidez y el ruido en la columna de agua, lo que no afecta a los sistemas basados ​​en EM ", dijo Bokenfohr.

La búsqueda de una estación de acoplamiento AUV submarina robusta y confiable ha estado funcionando durante al menos una década. Con el aumento en el tamaño, la profundidad y la complejidad de los campos de producción de petróleo y gas submarinos, la necesidad de acoplar AUV y ROV a largo plazo ha aumentado considerablemente. En términos de simplificación de la logística operativa y disminución de los costos del buque de apoyo, las posibilidades que ofrece el UAC pueden ser realmente un cambio de juego. Según Bokenfohr, "el acoplamiento AUV es extremadamente arriesgado a menos que se establezca a través de un conector sin pin. El acoplamiento ha sido previamente demostrado por otros utilizando tecnologías submarinas inalámbricas, pero estos desarrollos han sido limitados en compatibilidad con otros sistemas y específicos para ciertos vehículos y redes. El sistema de conexión PAX aumentará la viabilidad de las estaciones de acoplamiento submarino a largo plazo mediante la entrega de un sistema de conexión universal que es compatible entre múltiples sistemas AUV, fomentando el despliegue y la proliferación de la tecnología en todas las industrias submarinas a nivel internacional. Un resultado adicional del proyecto será la capacidad de suministrar energía desde el AUV a los sensores distribuidos en el entorno subacuático, así como a recolectar los datos recopilados por dichos sensores. Los sensores instalados bajo el agua y no conectados a una costosa red cableada tienen una vida útil de la batería, velocidad de transmisión de datos y distancia de comunicación limitadas. Permitir que el AUV sea 'residente submarino permite la distribución de energía localizada sin necesidad de una red cableada, acortando la distancia de comunicación a centímetros mientras aumenta la velocidad de comunicación de datos a Mbps en lugar de los límites impuestos por la física de comunicación acústica.

Las principales características y capacidades del UAC y su calificación de profundidad muestran los muchos usos posibles que puede tener para la industria de O & G. "El proyecto PAX ofrecerá dos interfaces discretas, tecnología dentro de estos sistemas, ambas basadas en los galardonados productos Torden y Maelstrom de WiSub. El desarrollo de Torden PAX se utilizará para cargar el AUV, y el nuevo desarrollo de Fonn se utilizará para cargar desde el AUV. Ambos aplicarán el enlace de datos de 500 Mbps semidúplex patentado de WiSub ".

Estas son las tolerancias de espacio en la conexión y sus capacidades de transferencia de datos y energía - brecha de 10 mm. Transferencia de datos de 100Mbps, 250W @ 24vdc (interfaz de instrumento Fonn) y 3kW @ 300vdc (interfaz Torden PAX AUV). "No hemos observado que la profundidad afecte el rendimiento del conector sin clavijas, excepto en el caso en que los materiales se comprimen (por ejemplo, material de encapsulado alrededor de las cabezas del transductor) y la brecha del agua de mar aumenta. La investigación adicional en el proyecto confirmará los parámetros operativos de los resultados del proyecto. Se espera que la investigación planificada del proyecto sobre depósitos calcáreos produzca información adicional útil sobre factores ambientales que puedan influir en el rendimiento del conector pin-less. "Bokenfohr también señaló la diversidad e importancia de sus socios en el proyecto:" El proyecto PAX reúne una diversidad grupo de participantes, algunos de los cuales compiten directamente entre sí, pero todos se beneficiarán con los desarrollos. Varios de los participantes del proyecto tienen relaciones comerciales existentes, e incluyen fabricantes de AUV, operadores de AUV, proveedores de sistemas de comunicación acústica, interesados ​​en la infraestructura submarina y el mundo académico, que desempeñan un papel en el proyecto. Cada uno aporta su propia competencia única y su invaluable experiencia y asesoramiento para el desarrollo de los resultados más relevantes ".

WiSub cree que tendrá tecnología UAC operacional para su uso en una estación de acoplamiento AUV en aguas profundas en el futuro cercano, con un sistema que se desplegará para fines de este año. "El desarrollo de Fonn 250W está en sus etapas finales ahora, el primer hardware que se desplegará en diciembre de 2017. Torden PAX 3kW se implementará en Q2 / Q3 2018. Tanto el ROV residente como los sistemas AUV se habilitarán a través de estos desarrollos. Sin embargo, los productos existentes de WiSub ya están implementados y en uso como interfaces de acoplamiento AUV con clientes en América del Norte. La innovación de WiSub en transferencia de datos de alta frecuencia ha agregado un componente esencial para permitir velocidades de transferencia de datos más rápidas, un avance que fue reconocido en OTC 2015 a través de un panel de expertos de la industria que premia el sistema de conexión Maelstrom de WiSub como un Premio Spotlight on New Technology. Maelstrom fue desarrollado para ser nuestro primer producto insignia para demostrar las capacidades de comunicación de alta velocidad sin pin sobre frecuencias de microondas, junto con métodos de transferencia de potencia inductiva para satisfacer las necesidades de la industria para una conexión confiable repetible. Torden también se llevó a casa su propio premio Spotlight en mayo de 2017, confirmando que la industria continúa viendo un gran valor en soluciones de conectores submarinos sin clavijas ", concluye Bokenfohr.

(Según lo publicado en la edición de enero / febrero de 2018 de Marine Technology Reporter )