Aplicación de las redes de sensores inalámbricos a la industria nuclear
J. Serrano, P. Piñeiro, E. Cabrera Tecnatom, S.A.
Sinopsis
La tecnología de redes de sensores inalámbricos está transitando desde el mundo académico hacia el mercado a gran velocidad. Esta tecnología promete importantes ventajas, como su bajo coste, rápido despliegue, o la autonomía. La cada vez mayor capacidad de estos dispositivos está permitiendo ampliar sus prestaciones, incluyendo aspectos como la auto-configuración o la tolerancia a fallos. De esta manera, aparecen nuevas aplicaciones distribuidas en las que estas redes son parte de un entorno más complejo.
Partiendo de las experiencias de éxito que esta tecnología empieza a obtener en algunos sectores, en los últimos años varios proyectos han empezado a estudiar la posibilidad de utilizar las redes de sensores en aplicaciones relacionadas con la tecnología nuclear. Sin embargo, existen limitaciones que deben superarse o al menos conocerse con mayor exactitud. La compatibilidad electromagnética, el tiempo de vida, la caracterización de sensores de radiación o la seguridad son algunos de los temas que están en primera línea de la investigación actual en este campo.
Este artículo presenta en primer lugar la tecnología de redes de sensores, para luego presentar un marco de posibles aplicaciones en el sector nuclear. A continuación, se describen las principales limitaciones de la tecnología en las que se está trabajando y la experiencia de TECNATOM, S.A. con esta tecnología en diversos proyectos. El artículo termina con las conclusiones y las próximas actividades a desarrollar dentro de esta línea de trabajo.
Introducción
La tecnología de redes de sensores inalámbricos está madurando rápidamente y las primeras aplicaciones reales ya están surgiendo en el mercado. Esta tecnología presenta ventajas para ciertos campos de aplicación, como defensa, agricultura, medioambiente,
o tráfico. Entre sus puntos fuertes destaca la posibilidad de estudio de una zona geográfica amplia o de difícil acceso de una forma económicamente viable.
Estas características hacen que esta tecnología sea de potencial interés para la industria en general y para el sector nuclear en particular. No obstante, la multitud de escenarios en los que es posible su utilización plantean problemas de diferentes niveles de complejidad, algunos con una solución posible a corto plazo y otros en plena fase de investigación básica. TECNATOM, S.A. lleva trabajando varios años en esta tecnología y participa en varios proyectos de investigación sobre esta tecnología para calibrar su idoneidad en aplicaciones reales relacionadas con lo nuclear, como la teledosimetría, el control remoto de trabajos, el despliegue rápido ante emergencias o la protección radiológica.
Descripción de la tecnología
La tecnología de redes de sensores [1] se basa en el uso de elementos sensores y/o actuadores (es decir, con capacidad de recibir información del entorno o de realizar alguna acción sobre él) conectados a dispositivos electrónicos con capacidad de procesamiento y comunicación inalámbrica. Estos dispositivos, denominados “sensores inteligentes” pueden formar redes que transmiten información acerca del entorno bajo estudio y otros elementos. Las redes se componen de múltiples nodos que “vierten” sus datos a uno o varios sumideros donde el usuario puede acceder a la información de toda la red. La figura 1 muestra la arquitectura de cada nodo de la red de sensores.
Micro controlador
Memoria
Alimentación Sensores
Radio
Sensores Sensores
Fig. 1 Arquitectura física de un nodo de red de sensores
Los elementos a considerar en cada nodo de una red de sensores son:
• Los sensores. Sus puntos críticos para estas aplicaciones suelen ser el tamaño y el consumo, principalmente en los casos en los que los nodos deben desplegarse y operar de forma autónoma y sin acceso a fuentes de energía externa.
• La capacidad de proceso de los nodos. Los nodos incorporan un micro- controlador. Las capacidades de estos dispositivos, incluyendo su memoria deben considerarse en conjunción con los requisitos de consumo y autonomía.
• Las capacidades de comunicaciones. Normalmente se utiliza el protocolo 802.15.4 o el Bluetooh (ambos en la banda pública de 2.4 GHz). En este caso su alcance está en las decenas de metros. Otros sistemas están basados en el protocolo 802.11 permitiendo alcances mayores (centenares de metros), pero a cambio de una menor autonomía.
• El software básico. Los microcontroladores ejecutan software normalmente sobre sistemas operativos muy reducidos. Existen varios sistemas operativos específicamente diseñados para redes de sensores, como TinyOS [2] o Contiki [3]. Sin embargo, la aparición de nodos cada vez más potentes está permitiendo la adaptación de versiones de sistemas operativos más completos como Linux o .Net Micro en las redes de sensores.
• El software de aplicaciones. Tradicionalmente, las aplicaciones en redes de sensores se limitan a obtener medidas del entorno y transmitirlas hacia los sumideros. Sin embargo, la cada vez mayor capacidad de los nodos les permiten contener más “inteligencia” para, por ejemplo, incluir seguridad en sus transmisiones de datos o realizar decisiones de forma distribuida en base a condiciones de la red, como niveles de energía de los nodos.
Posibles aplicaciones en el sector nuclear
Las posibilidades de las redes de sensores son muchas. Su aplicación al mundo nuclear ya está siendo considerada por el sector en diferentes estudios de organismos como EPRI, [4], NRC [5] o la IAEA [6].
En una primera división, podemos agrupar las posibles aplicaciones en tres áreas:
• Instrumentación y control. La monitorización de variables de control y el mantenimiento predictivo son algunos de los campos en los que se han usado sensores inalámbricos, como en los ejemplos de San Onofre [7] o [8]. NRC
menciona también en [5] varios ejemplos como el uso de sensores inalámbricos de temperatura y humedad para monitorización de ventiladores dentro de tuberías o el análisis de vibración en una bomba centrífuga.
• Monitorización y teledosimetría. Dentro de este campo podemos señalar tres líneas principales:
o Control remoto de trabajos. El uso de audio y video inalámbricos en zonas controladas (ej. [9]) es un primer paso hacia el control remoto de trabajos mediante esta tecnología. Las redes de sensores, combinadas con tecnologías de localización y control de acceso pueden llevar estas aplicaciones a un nivel superior de funcionalidad.
o Control del Impacto Ambiental. Es seguramente el campo con mayor experiencia en el campo de las redes de sensores y su primera aplicación
“natural”. Sin embargo, no existen muchas referencias comerciales que integren la medida de la actividad radiológica en redes de sensores, salvo las de los laboratorios americanos, como Sandia [10] o Los Alamos [11], más bien orientadas a las emergencias, que a la monitorización de las plantas.
o Teledosimetría. Es posiblemente el campo con mayor número de referencias en el entorno nuclear. Ya existen compañías como Thermo o MGPI con soluciones inalámbricas para teledosimetría. Empresas como EDF están planteando el uso de esta tecnología a nivel corporativo.
• Gestión de emergencias radiológicas. La actuación contra terrorismo, bombas sucias, etc. es seguramente uno de los campos más activos en la industria, debido al auge de las actividades de defensa y seguridad, especialmente en Estados Unidos. Varias empresas presentan soluciones inalámbricas que incorporan sensores de radiación en alguna medida.
Limitaciones actuales de la tecnología
Dentro del amplio abanico de aplicaciones posibles para la tecnología de redes de sensores, existen diferentes limitaciones en el estado actual del arte que limitan su implantación. Estas limitaciones vienen heredadas en muchos casos del campo más amplio de las tecnologías inalámbricas. Otras son propias de las redes de sensores en sí.
Interferencias y compatibilidad electromagnética:
Es, sin duda, la limitación más seria para la aplicación de las redes de sensores en las tareas de I&C en instalaciones nucleares, especialmente en equipos relacionados con la seguridad. Ya se han realizado algunos estudios por parte de la NRC [12] sobre la coexistencia de los protocolos inalámbricos, aunque todavía es necesario investigar en mayor medida las posibles interferencias con equipos relacionados con la seguridad. Sin embargo, las primeras pruebas mencionadas en la sección anterior apuntan a que su uso es posible, aunque aún es pronto para determinar el grado de aplicación que tendrá.
Sensibilidad a la radiación
La sensibilidad a altas tasas de radiación es un aspecto que debe ser considerado con atención en el caso de la instrumentación nuclear y con más énfasis en los sensores inalámbricos, ya que el factor de comunicaciones sin cables añade otra variable susceptible de ser afectada por la radiación. Existen pocos estudios al respecto, la mayoría de ellos relacionados con el uso de estos elementos en el sector aeroespacial.
Integración de sensores de radiación
Los sensores inalámbricos pueden albergar diferentes tipos de sensores de radiación según la necesidad de la aplicación, requisitos de espectrometría, necesidades de consumo y autonomía, coste, etc. Las alternativas son variadas y deben ser analizadas de una forma sistemática para cada aplicación. Sin duda, los avances en dosimetría activa [13] son una referencia en este campo, pero aún hay mucho campo por explorar en otras aplicaciones.
Otras limitaciones
Existen otras dificultades en la aplicación de las redes de sensores, como son su autonomía cuando no existe alimentación externa o la localización en interiores de entornos industriales. Sin embargo, los avances en estos campos son prometedores y actualmente es posible hablar, por ejemplo, de alimentación de sensores mediante células solares o de sensores dentro de etiquetas RFId. Respecto a la localización, es sin duda un tema abierto, pero ya existen soluciones parciales que pueden cubrir algunas de las necesidades de la industria.
Experiencias de Tecnatom
TECNATOM es consciente de la importancia que esta tecnología tendrá en el futuro inmediato y lleva varios años preparándose para su implantación en soluciones tecnológicas concretas. Para ello participa en varios proyectos de investigación junto con importantes centros de investigación europeos.
Proyecto SMEPP
Dentro de este proyecto (www.smepp.org) TECNATOM está validando una nueva tecnología de software de redes de sensores basada en comunicaciones entre pares (peer-to-peer), que aumentan la aplicabilidad de las redes de sensores en situaciones sin infraestructura previa. Para ello está desarrollando una aplicación para la monitorización ambiental y el control remoto de trabajos en una instalación nuclear.
El objetivo de la aplicación es obtener una herramienta que ponga de manifiesto las ventajas que pueden aportar las redes de sensores frente al estado del arte actual. A este respecto hay que decir que aunque en Estados Unidos están ya extendidas las tecnologías cliente-servidor inalámbricas [14], las tecnologías en competencia en el entorno nuclear europeo son aún las arquitecturas-cliente servidor basadas en Ethernet cableado [9].
Para esta aplicación, TECNATOM ha desarrollado un dispositivo inalámbrico que incorpora un contador Geiger junto con sensores de humedad y temperatura (figura 2).
Estos dispositivos forman una red de sensores que permiten realizar un seguimiento de la actividad radiológica en una instalación nuclear.
Fig. 2 Dispositivo inalámbrico de Tecnatom con sensores de radiación, temperatura y humedad
El seguimiento se realiza mediante una aplicación que se ejecuta tanto en ordenadores portátiles como en PDAs (figura 3). El software combina la información procedente de la red de sensores con otras tecnologías complementarias, como la identificación por radiofrecuencia (RFId) y la transmisión de vídeo y audio por vías inalámbricas. Todas estas funcionalidades se complementan con un diseño basado en la seguridad en todos los nodos del sistema, partiendo de los propios sensores inalámbricos.
Fig. 3 Aplicación de monitorización radiológica mediante redes de sensores
Proyecto WSAN4CIP (Wireless Sensor and Actuator Networks for Critical Infrastructure Protection)
Este proyecto (www.wsan4cip.eu) tiene como objetivo posibilitar el uso de las redes de sensores en la protección de infraestructuras críticas. El papel de TECNATOM en este proyecto es el de estudiar la integración las redes de sensores con los sistemas de información de planta. Para ello, se comienza por el estudio de la conexión de sistemas SCADA con redes de sensores. La demostración de la tecnología desarrollada en el proyecto se validará en la monitorización de dos infraestructuras críticas: Una red de tratamiento de aguas y una subestación eléctrica. El interés de TECNATOM en este proyecto reside en aplicar los resultados a aplicaciones de su sector, como monitorización de instalaciones nucleares.
Video cámara wifi Monitorización
ambiental
Monitorización radiológica
Conclusiones y trabajo futuro
La tecnología de redes de sensores está madurando muy rápidamente y las primeras aplicaciones comerciales ya existen para determinados sectores de actividad. Las ventajas que presenta para el sector nuclear son claras, aunque aún existen limitaciones que impiden su implantación en un entorno tan exigente como este.
TECNATOM lleva varios años participando en proyectos de investigación para ir acumulando experiencia en esta tecnología que en poco tiempo empezará a abrirse paso.
El objetivo de TECNATOM es contar con capacidades propias en la aplicación de esta tecnología. Para ello ya ha desarrollado sus primeros dispositivos inalámbricos que integran sensores de radiación, temperatura y humedad.
La línea de trabajo sigue abierta y pasa por continuar la participación en proyectos de investigación que permitan mejorar las capacidades propias y avanzar en la implementación de soluciones concretas en campos tan cercanos al mundo nuclear como el control remoto de trabajos o la gestión de emergencias.
Referencias
[1] D. Culler; D. Estrin, M. Srivastava: “Overview of Sensor Networks” IEEE Computer, Agosto 2004.
[2] TinyOS. http://www.tinyos.net/
[3] Contiki. http://www.sics.se/contiki/
[4] EPRI Project 068.005 “Demonstration of Wireless Technologies for Plant Applications”
http://www.epri.com/Portfolio/product.aspx?id=1272
[5] NRC “Assessment of Wireless Technologies and Their Application at Nuclear Facilities” NUREG/CR-6882, Jul 2005.
[6] IAEA, 2008. IAEA Agency Nuclear Technology Review 2008.
[7] B&B Electronics. “Into a Nuclear Power Plant with B&B Electronics 802.15.4 Wireless”. http://www.bb-elec.com/wireless- case-study-nuclear-power-plant.asp
[8] R. Lin “Wireless Sensor Networks Solutions for real Time Monitoring of Nuclear Power Plant” National Laboratory of Industrial Control Technology, Institute of Modern Control Engineering, Zhejian University, China, Jun 2004
[9] M.P. Lunn “Control of occupational exposure using remote monitoring systems”, British Energy Genetration Ltd. Sizewell B Power Station, United Kingdom, 2004.
[10] Sandia National Laboratories “Hybrid Emergency Radiation Detection Network: minimize radiation risks after an attack”, USA, June 2004
[11] A. Mielke et al. “Independent Sensor Networks”, IEEE Instrumentation & Measurement, Junio 2005
[12] NRC. “Coexistence Assessment of Industrial Wireless Protocols in the Nuclear Facility Environment”, July 2007.
[13] T. Bolognese, et al. “Active methods for personal dosimetry of external radiation: present situation in Europe and future needs”, en Proceedings of the 11th International Congress of the International Radiation Protection Association”, 2004
[14] K. Wicker “Wireless monitoring making inroads”, Power Magazine, Azima, Jun 2005.
