Iot en Minería: Tecnologías de monitoreo y sensores para mejorar la seguridad y la eficiencia en la operación minera.

• Miqueas Quintanilla Ventura
• Jul. 12, 2023

I. INTRODUCCION

La industria minera es una parte importante de la economía del país que enfrenta desafíos continuos en términos de seguridad y eficiencia. La adopción de tecnologías modernas ha demostrado ser esencial para resolver estos problemas, y una de las tecnologías más prometedoras es la Internet de las cosas (IoT).

 

1.1. CONTEXTO Y JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO

El contexto de este artículo está relacionado con la creciente demanda mundial de minerales y metales, lo que ha llevado a un aumento de la minería en todo el mundo. Sin embargo, estas actividades también representan un riesgo significativo para la seguridad de los trabajadores y el éxito de las operaciones mineras, estadísticas recientes respaldan la importancia de abordar estas problemáticas, según la Organización Internacional del Trabajo (OIT), la industria minera es una de las más peligrosas en términos de accidentes y lesiones laborales, hubo un estimado de 2,703 accidentes fatales en minería en 2019. Esto representa una disminución con respecto al año anterior, cuando hubo 3,124 accidentes fatales. Sin embargo, la industria minera sigue siendo una de las industrias más peligrosas del mundo, con una tasa de mortalidad significativamente más alta que el promedio de todas las industrias.

 

Además, los costos asociados con los accidentes y el tiempo de inactividad pueden ser significativos. Según un informe de la Cámara Minera de Chile, los costos directos e indirectos relacionados con los accidentes mineros alcanzan los 28 millones de dólares cada año (fatal y no fatal), tambien OIT, estima que el costo directo promedio de un accidente minero fatal en todo el mundo en $1,6 millones (incluyen costos de gatos médicos, salarios perdidos y gastos funerarios) y los costos indirectos promedio de un accidente minero mortal en todo el mundo es de $11 millones (incluye costos de la perdida de producción, costos en honorarios legales y costos en daño de reputación). Estos hechos resaltan la urgente necesidad de implementar soluciones tecnológicas que mejoren la seguridad y productividad en la industria minera.

 

La justificación de este estudio radica en la necesidad de explorar y comprender cómo el uso de IoT puede mejorar la seguridad y la eficiencia en la industria minera.

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II. FUNDAMENTOS BÁSICOS

2.1. IoT EN LA INDUSTRIA MINERA, PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

La comunicación y la conectividad son aspectos fundamentales en las redes IoT utilizadas en la industria minera. Estas redes permiten la transmisión eficiente y confiable de datos entre los dispositivos IoT, lo cual es crucial para el monitoreo en tiempo real y la toma de decisiones informadas.

 

a) Conectividad: Consiste en la interconexión de diversos dispositivos y sistemas, permitiendo la transferencia de datos en tiempo real. Esto facilita el monitoreo y control de diferentes aspectos de las operaciones mineras, como la maquinaria, la seguridad y el medio ambiente (Furukawa Electric LatAm).

 

Los protocolos de comunicación desempeñan un papel crucial en el intercambio de datos entre los dispositivos IoT y los sistemas de gestión. Algunos protocolos comunes utilizados en la industria minera son MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), CoAP (Constrained Application Protocol) y OPC-UA (OPC Unified Architecture). Estos protocolos garantizan una comunicación eficiente y segura en entornos IoT. (Abdullah Aziz-MDPI).

 

FIGURA 01: Operational technology (OT) and information technology (IT) = Industrial Internet of Things (IIoT).

Fuente: MDPI

 

b) Sensores y dispositivos: Estos dispositivos están diseñados para capturar información sobre variables y condiciones específicas, como temperatura, presión, humedad, ubicación y estado operativo de los equipos. Los datos recopilados por estos sensores son enviados a través de redes de comunicación (alámbrica en subterráneo e inalámbrica en superficial) para su procesamiento y análisis (METTLER TOLEDO, 2022).

 

Sensores y dispositivos IoT utilizados en operaciones mineras

Sensores de monitoreo ambiental:

 

Sensores de temperatura: Estos sensores miden la temperatura ambiente y pueden ayudar a detectar condiciones anormales que podrían afectar la seguridad o el rendimiento en la operación minera. Algunos ejemplos comunes son los sensores de temperatura infrarrojos o los termopares.

Sensores de humedad: Estos sensores miden el nivel de humedad en el ambiente y pueden ser utilizados para monitorear la humedad relativa en áreas críticas de la mina, como galerías subterráneas. Algunos ejemplos son los sensores de humedad capacitivos o los sensores de humedad resistivos.

Sensores de calidad del aire: Estos sensores se utilizan para medir la concentración de gases y partículas en el aire, lo que puede ser útil para monitorear la calidad del aire en áreas de trabajo y prevenir la exposición a sustancias peligrosas. Algunos ejemplos incluyen sensores de monóxido de carbono, sensores de dióxido de azufre o sensores de partículas suspendidas.

 

Sensores de monitoreo de equipos:

Sensores de vibración: Estos sensores se utilizan para medir la vibración de los equipos, lo que puede indicar un desgaste excesivo o posibles problemas de funcionamiento. Los sensores de vibración suelen utilizarse en motores, bombas y equipos rotativos. Algunos ejemplos son los acelerómetros o los sensores de velocidad de vibración.

Sensores de presión: Estos sensores miden la presión en diferentes puntos de los equipos o sistemas hidráulicos. Pueden ayudar a monitorear la presión en tuberías, tanques o cilindros para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente. Algunos ejemplos comunes son los sensores de presión piezorresistivos o los sensores de presión capacitivos.

Sensores de posición: Estos sensores se utilizan para medir la posición o la orientación de los equipos. Pueden ser útiles para el seguimiento de vehículos, el control de grúas o la detección de la posición de elementos móviles en la mina. Algunos ejemplos incluyen los sensores de posición lineal o los sensores de inclinación.

 

Dispositivos de seguimiento y seguridad:

Dispositivos GPS: Los dispositivos GPS se utilizan para el seguimiento y la geolocalización de vehículos, equipos y personal en entornos mineros. Proporcionan información en tiempo real sobre la ubicación y el movimiento de los activos, lo que ayuda en la planificación y la seguridad.

Dispositivos de detección de gases: Estos dispositivos se utilizan para detectar y medir la concentración de gases peligrosos en el aire, como el metano y el monóxido de carbono. Son fundamentales para garantizar la seguridad de los trabajadores en entornos mineros potencialmente peligrosos.

 

Otros dispositivos IoT utilizados en operaciones mineras:

Dispositivos de comunicación inalámbrica: Estos dispositivos permiten la comunicación inalámbrica entre los diferentes equipos y sistemas en una mina. Facilitan la transmisión de datos en tiempo real y la coordinación de las operaciones.

Dispositivos de recolección y transmisión de datos: Estos dispositivos se utilizan para recopilar datos de diferentes sensores y enviarlos a través de redes de comunicación para su procesamiento y análisis. Permiten la captura y transmisión eficiente de grandes volúmenes de datos generados por los dispositivos IoT en la industria minera.

 

c) Redes de comunicación: Existen diferentes tecnologías de comunicación utilizadas, como:

Redes celulares: Las redes celulares, como 4G LTE y 5G, ofrecen una amplia cobertura y alta velocidad de transferencia de datos, lo que las hace adecuadas para la comunicación en tiempo real en entornos mineros. Estas redes permiten la conectividad de dispositivos IoT a través de tarjetas SIM y ofrecen una comunicación segura y confiable.

 

Según datos (Ericsson Mobility Report), se espera que para 2026, la tecnología 5G cubra aproximadamente el 60% de la población mundial. Esta amplia cobertura permitirá una conectividad confiable en áreas mineras remotas.

Redes de área amplia de baja potencia (LPWAN): Estas redes, como LoRaWAN y Sigfox, son ideales para aplicaciones IoT que requieren una comunicación de largo alcance y bajo consumo de energía. Son adecuadas para monitorear equipos y variables ambientales en operaciones mineras extensas.

 

Se espera que las conexiones LPWAN crezcan a una tasa anual del 53% entre 2020 y 2025, impulsadas por su idoneidad para aplicaciones IoT en áreas remotas y de baja potencia, como la industria minera.

 

FIGURA 02: Crecimiento esperado de conexiones LPWAN.

Fuente: GMINSIGHTS

 

Las redes PAN, como Bluetooth y Zigbee, se utilizan para la comunicación de corto alcance entre dispositivos IoT dentro de áreas específicas de la mina. Estas redes son adecuadas para la interconexión de dispositivos cercanos y su adopción está en constante crecimiento. Según Bluetooth SIG, se estima que para 2024 habrá más de 5 mil millones de dispositivos Bluetooth enviando datos en entornos industriales.

 

d) Plataformas de gestión de datos: Estas plataformas proporcionan herramientas para procesar grandes volúmenes de datos, generar informes y visualizaciones, y tomar decisiones basadas en la información obtenida.

AWS IoT Core: AWS IoT Core es una plataforma de servicios en la nube que permite conectar dispositivos IoT, recopilar y analizar datos en tiempo real, y gestionar la seguridad y el acceso a los dispositivos. Proporciona herramientas y servicios para el procesamiento de datos, el aprendizaje automático y la creación de aplicaciones IoT personalizadas.

Microsoft Azure IoT Hub: Azure IoT Hub es una plataforma de IoT de Microsoft que facilita la conectividad, el monitoreo y el control de dispositivos IoT. Permite la ingestión de datos en tiempo real, el procesamiento y el análisis, y ofrece integración con otras herramientas y servicios de Azure.

Google Cloud IoT Core: Google Cloud IoT Core es una plataforma de administración y conectividad de dispositivos IoT que permite la recopilación, el procesamiento y el análisis de datos en tiempo real. Proporciona una infraestructura escalable y segura para la gestión de dispositivos y la ejecución de aplicaciones IoT.

IBM Watson IoT Platform: IBM Watson IoT Platform es una plataforma basada en la nube que permite la conectividad, la gestión de dispositivos y el análisis de datos IoT. Ofrece capacidades de aprendizaje automático e integración con otras soluciones de IBM, lo que permite obtener información valiosa a partir de los datos recopilados.

 

e) Seguridad y privacidad de datos:

Seguridad de la comunicación: Dado que la industria minera maneja datos sensibles y críticos, la seguridad de la comunicación es primordial.

Se utilizan técnicas de cifrado y autenticación para proteger los datos transmitidos y evitar posibles brechas de seguridad. Además, se implementan cortafuegos y sistemas de detección de intrusiones para garantizar la integridad de la red y la protección contra ataques cibernéticos.

 

La seguridad en las redes IoT es crucial para proteger la integridad y la confidencialidad de los datos transmitidos. Según un informe de Juniper Research, se estima que los gastos en soluciones de seguridad IoT alcanzarán los $6 mil millones para este año (2023). Esto refleja la creciente inversión en soluciones de seguridad para proteger las redes IoT en diversos sectores, incluida la industria minera.

 

En cuanto a la privacidad de los datos, se deben implementar medidas para garantizar el almacenamiento y la transmisión segura de la información. Según un informe de PwC, el 77% de las organizaciones considera la seguridad y la privacidad de los datos como el principal desafío en la adopción de IoT. Esto destaca la importancia de adoptar medidas adecuadas para garantizar la privacidad de los datos generados por los dispositivos IoT en la industria minera.

 

La gestión eficiente de los datos en tiempo real es fundamental para el éxito de las implementaciones de IoT en la industria minera. Una arquitectura adecuada y el uso de plataformas especializadas permiten la recopilación, procesamiento y análisis de datos en tiempo real, brindando información valiosa para la toma de decisiones. A continuación, se exploran los elementos clave de la arquitectura y las plataformas IoT utilizadas en la gestión de datos en tiempo real en la industria minera:

 

Según un informe de MarketsandMarkets, se espera que el mercado de IoT en la industria minera crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 16.7% durante el período 2021-2026. Esto refleja el creciente interés en la adopción de IoT en la industria minera para mejorar la eficiencia y la seguridad.

 

FIGURA 03: Oportunidades atractivas en el mercado IoT.

Fuente: MarketsandMarkets

 

2.2. ARQUITECTURA Y PLATAFORMAS IoT PARA LA GESTIÓN DE DATOS EN TIEMPO REAL 

Arquitectura IoT:

 

FIGURA 03: Arquitectura IoT.

Fuente: DIGI

 

a) Dispositivos y sensores: Los dispositivos y sensores desempeñan un papel fundamental en la arquitectura IoT. Estos dispositivos se encargan de recopilar datos en tiempo real, como variables ambientales, condiciones de los equipos y parámetros de seguridad.

 

b) Gateway IoT: Los gateways IoT actúan como intermediarios entre los dispositivos y la plataforma central. Estos dispositivos realizan tareas de procesamiento, filtrado y envío de datos hacia la nube o el centro de datos.

 

c) Plataforma IoT: La plataforma IoT es el componente central de la arquitectura y permite la gestión de los dispositivos, el procesamiento de datos, el análisis y la visualización de la información. Estas plataformas ofrecen herramientas para el monitoreo en tiempo real, la configuración de alertas y la generación de informes.

 

d) Nube o centro de datos: Los datos recopilados por los dispositivos IoT se almacenan y procesan en la nube o en un centro de datos. Estos entornos proporcionan capacidad de almacenamiento escalable y poder de procesamiento para gestionar grandes volúmenes de datos en tiempo real.

 

Es importante seleccionar la plataforma IoT adecuada que se ajuste a las necesidades específicas de la industria minera, considerando factores como escalabilidad, seguridad, flexibilidad y capacidad de integración con sistemas existentes.

 

2.3. BENEFICIOS Y DESAFÍOS DE LA APLICACIÓN DE LoT EN LA INDUSTRIA MINERA

La implementación de IoT en la industria minera ofrece una amplia gama de beneficios, al tiempo que presenta desafíos que deben abordarse para aprovechar al máximo esta tecnología. A continuación, se detallan los principales beneficios y desafíos asociados con la aplicación de IoT en la industria minera:

 

Beneficios de la aplicación de IoT en la industria minera:

Optimización de la eficiencia operativa: El uso de IoT en la industria minera permite la recopilación de datos en tiempo real de diversos procesos, equipos y condiciones ambientales. Estos datos pueden ser analizados y utilizados para optimizar las operaciones, identificar áreas de mejora y tomar decisiones informadas para maximizar la eficiencia operativa.

Mejora de la seguridad y salud ocupacional: Los sensores IoT pueden monitorear las condiciones ambientales, detectar riesgos potenciales y enviar alertas en tiempo real para garantizar un entorno de trabajo seguro. Esto ayuda a prevenir accidentes, reducir la exposición a condiciones peligrosas y mejorar la seguridad y salud ocupacional de los trabajadores mineros.

Mantenimiento predictivo de equipos: Los sensores IoT permiten el monitoreo continuo de los equipos mineros, recopilando datos sobre su rendimiento, vibración, temperatura, presión, entre otros parámetros. El análisis de estos datos en tiempo real permite detectar anomalías, predecir fallas y realizar mantenimientos preventivos, evitando así costosos tiempos de inactividad y reparaciones no planificadas.

 

Desafíos de la aplicación de IoT en la industria minera:

Infraestructura de conectividad: La implementación exitosa de IoT en la industria minera requiere una infraestructura de conectividad robusta y confiable, que garantice la transmisión rápida y segura de datos en tiempo real desde los sensores y dispositivos IoT hasta los sistemas de gestión y análisis.

Gestión y análisis de datos masivos: El uso de IoT genera una gran cantidad de datos que deben ser gestionados, almacenados y analizados de manera eficiente. Esto requiere la implementación de plataformas y sistemas de gestión de datos escalables, así como la capacitación del personal en el análisis de datos para obtener información valiosa.

Seguridad de la información: La seguridad de los datos es un desafío crítico en la implementación de IoT en la industria minera. La protección de la información sensible y la prevención de ataques cibernéticos son aspectos fundamentales que deben abordarse mediante la implementación de medidas de seguridad adecuadas.

 

Necesidad de implementar IoT en tiempo real:

La implementación de IoT en tiempo real en la industria minera se presenta como una solución innovadora para abordar los desafíos mencionados anteriormente. Al permitir la conectividad y el intercambio de datos en tiempo real entre los equipos, los sensores y los sistemas de gestión, IoT ofrece beneficios significativos en términos de eficiencia operativa, seguridad y sostenibilidad.

 

La integración de sensores IoT en los equipos y procesos mineros permite el monitoreo continuo de variables clave, como la temperatura, la presión, la vibración, la humedad y la calidad del aire. Esto brinda la oportunidad de detectar anomalías, predecir fallas y tomar medidas preventivas de manera oportuna. Además, la implementación de sistemas de gestión de datos en tiempo real permite una mejor toma de decisiones, la optimización de los procesos y la mejora de la seguridad en la industria minera.

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III. CASOS DE ESTUDIO Y EJEMPLOS DE APLICACIÓN

RIO TINTO: Rio Tinto utiliza una variedad de sensores e instrumentos IoT para mejorar la seguridad, la eficiencia y la productividad en sus minas. Éstas incluyen:

Sensores de temperatura: Estos sensores se utilizan para monitoreo de la temperatura del equipo y el ambiente en las minas. Estos datos se pueden utilizar para evitar que el equipo se sobrecaliente y para identificar áreas donde es necesario mejorar la ventilación.

Sensores de vibración: Estos sensores se utilizan para monitoreo de la vibración del equipo. Estos datos se pueden utilizar para identificar problemas potenciales con el equipo antes de que provoquen una falla.

Sensores de gas: Estos sensores se utilizan para monitoreo de los niveles de gases en las minas. Estos datos se pueden utilizar para evitar explosiones y garantizar que los trabajadores trabajen en un entorno seguro.

Sensores de ubicación: Estos sensores se utilizan para rastrear la ubicación de equipos y personal en las minas. Estos datos se pueden utilizar para mejorar la seguridad al garantizar que los trabajadores no estén en áreas donde no deberían estar.

 

Rio Tinto está utilizando una variedad de redes para conectar sus dispositivos IoT, que incluyen:

Wi-Fi: Wi-Fi se usa para conectar dispositivos IoT en áreas donde hay buena cobertura inalámbrica.

LoRaWAN: ​​LoRaWAN es una red de área amplia de baja potencia que se utiliza para conectar dispositivos IoT en áreas donde no hay cobertura inalámbrica.

4G/LTE: 4G/LTE se usa para conectar dispositivos IoT en áreas donde hay cobertura celular.

 

Rio Tinto está utilizando una variedad de marcas de sensores e instrumentos de IoT, que incluyen:

Honeywell: Honeywell es un fabricante líder de sensores e instrumentos de IoT. Rio Tinto está utilizando sensores Honeywell para monitorear la temperatura, la vibración y los niveles de gas en sus minas.

Sensalytics: Sensalytics es un fabricante líder de sensores de ubicación IoT. Rio Tinto está utilizando sensores Sensalytics para rastrear la ubicación de equipos y personal en sus minas.

Sierra Wireless: Sierra Wireless es un fabricante líder de puertas de enlace IoT. Rio Tinto está utilizando puertas de enlace Sierra Wireless para conectar sus dispositivos IoT a la red.

 

Estadísticas actuales: Rio Tinto ha implementado más de 100 000 sensores IoT en sus minas. La empresa ha visto una mejora significativa en la seguridad, la eficiencia y la productividad como resultado de sus implementaciones de IoT. Por ejemplo, la empresa ha podido reducir el número de heridos en sus minas en un 20%.

 

 

 

 

BHP: BHP es otra importante empresa minera que utiliza IoT. La empresa está utilizando sensores IoT para rastrear el movimiento de su equipo y personal en sus minas. Esto ayuda a mejorar la seguridad al garantizar que los trabajadores no estén en áreas donde no deberían estar. BHP también está utilizando sensores IoT para monitorear la condición de su equipo y predecir cuándo se necesita mantenimiento. Esto ayuda a evitar el tiempo de inactividad no planificado y a mantener a los trabajadores seguros.

 

 

 

 

Anglo American: Anglo American (Brasil) es una empresa minera que utiliza IoT para mejorar su desempeño ambiental. La empresa está utilizando sensores IoT para monitorear el uso del agua y la calidad del aire en sus minas. Esto ayuda a garantizar que la empresa opere de manera ambientalmente responsable. Anglo American también está utilizando sensores IoT para rastrear el movimiento de su equipo y personal en sus minas. Esto ayuda a mejorar la seguridad al garantizar que los trabajadores no estén en áreas donde no deberían estar.

 

 

 

 

Vale Carajás: Empresa minera que utiliza IoT para mejorar su productividad. La empresa está utilizando sensores IoT para monitorear el rendimiento de sus equipos e identificar áreas en las que puede mejorar la eficiencia. Esto ayuda a la empresa a producir más con menos recursos. Vale también está utilizando sensores IoT para rastrear el movimiento de su equipo y personal en sus minas. Esto ayuda a mejorar la seguridad al garantizar que los trabajadores no estén en áreas donde no deberían estar.

 

Ademas del reporte de Nokia sobre Vale (https://www.nokia.com/about-us/news/releases/2020/07/27/nokia-and-vivo-to-provide-private-lte-wireless-services-to-vale-mining-industry-40-project-in-brazil/)

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CONCLUSIONES

La aplicación de la Internet de las cosas (IoT) en la industria minera ofrece una serie de beneficios significativos, como la optimización de la eficiencia operativa, la mejora de la seguridad y la salud ocupacional, y el mantenimiento predictivo de equipos.

 

La implementación de IoT en tiempo real en la industria minera es crucial para abordar desafíos como la detección temprana de anomalías, la gestión proactiva en lugar de reactiva, la disponibilidad de información detallada y la toma de decisiones informadas.

 

La infraestructura de conectividad, la gestión y análisis de datos masivos, y la seguridad de la información son desafíos clave que deben abordarse para aprovechar al máximo la aplicación de IoT en la industria minera.

 

Los casos de estudio y ejemplos de aplicación de IoT en la industria minera, como Rio Tinto, BHP, Anglo American y Vale's Carajás, demuestran los beneficios obtenidos en términos de seguridad, eficiencia y productividad.

 

Es fundamental seleccionar la plataforma IoT adecuada, considerando factores como escalabilidad, seguridad, flexibilidad y capacidad de integración con sistemas existentes.

 

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