Las telecomunicaciones y sus desafíos en la

8ª Jornada Ibero-Americana Técnico-Científica de “Medio Ambiente Subterráneo y
Sustentabilidad” MASyS2013-2
Congreso Iberoamericano de Minería Sustentable
Santiago – Chile
13, 14 y 15 de noviembre de 2013
Las telecomunicaciones y sus desafíos en la
minería subterránea
Guillermo E. Badillo Astudillo
Universidad Andrés Bello
Santiago, Chile
Las telecomunicaciones, y los sistemas de comunicaciones son
expuestos a nuevos desafios, motivados principalmente por
satisfacer necesidades humanas.
Alrededor del año 1854, Antonio Giuseppe Meucci construyó un
teléfono para conectar su oficina con su dormitorio ubicado en el
segundo piso, debido al reumatismo de su esposa. Fueron los
inicios de la comunicación a través de la voz, y del primer sistema
de comunicaciones. Posteriormente en el año 1876, Alexander
Graham Bell desarrolla y obtiene una patente para el teléfono.
Introducción
El primer teléfono [Teletrófono ],
Antonio Giuseppe Meucci, 1808-1889
Sistema de Comunicación
• Independiente de su aplicación, un sistema de comunicación, requiere tres
sub-sistemas principales: el transmisor, el canal y el receptor.
• Su objetivo es transmitir información.
Propagación de las ondas electromagnéticas
• Las características de propagación de las
ondas e.m. usadas en los canales
inalámbricos son altamente dependientes de
la frecuencia.
• Las características de propagación resultan de
los cambios en la velocidad en las ondas de
radio como una función de la altitud y las
condiciones limitantes.
• La velocidad de onda depende de la
temperatura, la densidad y los niveles de
ionización en el aire.
Mina el Teniente. ref: Codelco
Isometric view looking west of underground development
Variables a considerar en las comunicaciones en una
mina subterránea
Propagación de las señales
Tecnología
Naturaleza dinámica
• Además de las fuerzas
físicas y de las
temperaturas extremas, la
geometría física y las
características
electromagnéticas de una
mina subterránea
proporcionan un medio
inhóspito e ineficaz para
la propagación de las
señales.
• Prototipos y tecnología
comercial usados en
aplicaciones no mineras,
han fallado al ser
expuestas a los
ambientes mineros.
• Arquitecturas flexibles
deben ser requeridas
para la mezcla de largas y
cortas distancias, así
como también
comunicación alámbrica
como inalámbrica.
• La línea de mira (LOS) se
pierde debido a los
innumerables laberintos
y/o cortes transversales.
• El ambiente físico de la
mina es inhóspito para los
sistemas electrónicos o
electromecánicos.
• La humedad cercana al
punto de rocío, produce
condensación
Variables a considerar en la comunicación subterránea
Entorno de trabajo
• La aplicación de un sistema
de comunicación en
minería subterránea, debe
tener en cuenta la dificultad
de instalación,
mantenimiento, calibración
y pruebas.
• Los sistemas deben ser
diseñados y configurados
para altos niveles de
fiabilidad y facilidad de
mantenimiento.
• Las distancias entre los
centros de operación y las
faenas, deben ser
consideradas.
Ambiente de operación
• el ambiente de operación
impone una restricción
severa en arquitecturas de
redes, que podrían ser
desplegadas en una mina
subterránea.
• Deben ser 24 x 7, sobre
todos cuando más se les
necesita, es decir, en el
post-accidente (explosión,
incendio o inundación ).
Ambiente de operación
• Los altos niveles de polvo
mezclados con la
humedad, tienden a
acumularse en los
dispositivos electrónicos,
reduciendo su fiabilidad.
• Vibraciones junto con el
desgaste normal de los
equipos en constante
movimiento, pueden
degradar o incluso dañar
los sistemas de
comunicaciones.
Variables a considerar en la comunicación subterránea
Características E.M. en una
mina sub.
Características E.M. en una
mina sub
• los pilares de minas,
obturaciones en la
ventilación y / o fallas del
terreno, pueden impedir o
atenuar completamente la
propagación de la señal de
radio convencional.
• Señales de baja frecuencia
(< 10 KhZ), pueden
propagarse bajo ciertas
condiciones, pero esta
bajas frec. No pueden
transportar mucha
información y requieren de
antenas grandes.
• Señales de frecuencia más
altas (> 3 MHz) pueden
transmitir mucha más
información y emplear
antenas muy pequeñas, sin
embargo, estas señales
sólo pueden viajar a través
del aire a lo largo de las
trayectorias de línea de
mira (LOS), y son por lo
tanto incapaces de doblar
en las esquinas , o en
algunos cortes
transversales.
Interferencias
• Las señales de
comunicación estarán
expuestas en todo
momento a interferencias,
del tipo eléctrico,
electromagnético,
mecánicas, etc.
• Tambien los sistemas
pueden interferirse entre sí.
Variables a considerar en la comunicación subterránea
Riesgo Eléctrico
Seguridad
• Los aparatos
electrónicos deben
estar certificados y
cumplir con las
normas de regulación
acerca de la
producción de arcos
eléctricos en
ambientes confinados
y con probabilidad de
encontrar gas
inflamable, por
ejemplo el metano.
• La seguridad es el reto
más importante en el
desarrollo de un
sistema de
comunicaciones.
• Este debe estar
siempre disponible
antes eventos de
emergencia.
¿Puede una un sistema de comunicaciones salvar
la vida de un minero?
Sistemas de comunicaciones
para la minería subterránea
Sistema de Comunicación por Cable Radiante
• La tecnología de usar un cable coaxial radiante (Leaky Feeder), como antena en las galerías
subterráneas, tiene ya un par de décadas.
• Es una tecnología confiable y fácil de mantener, y los accesorios operan con voltajes que van desde los
32 VDC hasta los 7 VDC. Esto ofrece la ventaja de que una sola fuente de poder es capaz de alimentar
entre 20 y 40 amplificadores.
• Las cajas que contiene los elementos electrónicos son de hierro fundido, y herméticamente selladas.
Ejemplo de un sistema de comunicación “Leaky
Feeder”
Node-Based System
• Los Sistemas basados ​en nodos son sistemas que utilizan antenas discretas
conectadas a pequeños transceptores de llamados "nodos".
• Los nodos también contienen pequeñas computadoras (microprocesadores)
que realizan una variedad de funciones. En todos los sistemas basados ​en
nodos, el nodo puede detectar cuando la radio de un minero está en el rango
proporcionando una conexión automática a la red.
Sistema de Comunicaciones UHF (Node-Based)
Red Node-Based, para establecer una trayecto de
comunicaciones alternativo
Medium Frequency System
• Los sistemas de comunicación de media frecuencia operan típicamente alrededor de
los 500 KHz. Además de su frecuencia de operación, estos sistemas se diferencian
de los otros, en la forma en que la señal de RF viaja por la mina.
• A estas frecuencias las señales de radio se acoplan en los conductores metálicos,
tales como líneas eléctricas, líneas telefónicas, líneas de cable de vida, u otros
cables eléctricos y tubos de metal.
• Estos “conductores” juegan el mismo rol que el cable coaxial en los sistemas de
alimentación con fugas (Leaky Feeder).
• Las señales de radio MF viajan a lo largo del conductor, y además el conductor actúa
como una antena distribuida, capaz de transmitir y recibir señales de forma continua
a lo largo de su longitud, al igual que el cable alimentador con fugas.
Conexión típica entre dos radios MF
Sistema de Comunicación hibrido o combinación
de MF/UHF
Comunicación través de la tierra (ETT),
Through-the-Earth Systems
• la tecnología de comunicaciones es la única tecnología que puede transmitir
una señal electromagnética entre un emisor y un receptor , entre un minero
bajo superficie con otro sobre la superficie, sin depender de una red u otra
infraestructura adicional.
• La mayoría de las ondas electromagnéticas se reflejan en la tierra o se
debilitan rápidamente a medida que pasan en la tierra, de manera que
penetran a pocos metros de la superficie. Sin embargo, a frecuencias de
menos de aproximadamente 10 kHz, es posible que las ondas se propagan a
más de 1.000 pies a través de la tierra.
• Hay varios factores que limitan las posibles aplicaciones de TTE en las
minas subterráneas : diseño de la antena, las bajas frecuencias necesarias
para transmitir la señal, y otras fuentes de ruido.
Example of a TTE Communications System
Sistemas de Seguimiento (tracking) Reader-based
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Los sistemas de identificación por Radio Frecuencia (RFID), están en casi todos los grandes almacenes, como
un sistema de seguridad y control. Estos “tags” son pasivos, no emiten RF hasta que son interrogados.
Un nivel más avanzado de seguimiento de RFID se puede utilizar para rastrear la ubicación de los mineros bajo
tierra.
Para ampliar el alcance de etiqueta a lector, se usa un tag activo. Las etiquetas activas tienen una batería interna
a la alimentación de la transmisión de la señal.
La etiqueta es una parte muy pequeña de radio, capaz de transmitir y recibir mensajes. Cada minero lleva una
etiqueta que transmite un identificador único.
Cada vez que el minero pasa dentro de la gama de RF de un lector, se interroga la etiqueta.
El lector transmite la información de detección a una ubicación central (por lo general el centro de operaciones
de la mina) a través de cables, fibra óptica, o incluso de forma inalámbrica.
Cada lector de RFID tiene su propia identificación y una ubicación asociada con esa identificación. Cuando un
lector determinado interroga a una etiqueta, a continuación, envía la información al centro de operaciones, el
personal del centro saben que el minero se encuentra a cierta distancia de la ubicación de ese lector.
Zone-based RFID Tracking
Miner Location with RFID Reader
Reverse RFID
• En los sistemas RFID inversos, cada minero viste en sus ropas un lector
RFID, y los “tags” se encuentran en lugares físicos conocidos.
• La información de localización obtenida por el lector RFID aún debe llegar al
centro de operaciones de la mina.
• Para lograr esto, el lector tiene un transmisor de radio que transmite
periódicamente los datos de localización de los mineros al sistema de
comunicaciones de la mina (la columna vertebral de la red o la ruta principal
hacia el centro de operaciones).
Reverse RFID System with UHF Leaky Feeder
Backhaul (red de retorno)
Radio Node-Based Tracking Systems
Network Options
Example of an Alternate Communications Path
Mine Operations Center
• El centro de operaciones requiere el uso de sistemas electrónicos de
seguimiento por parte del personal en la superficie para la obtención de
información sobre la ubicación de los trabajadores del interior.
• Ambos requisitos se administran a través del centro de operaciones de la
mina, la ubicación central de las operaciones de una mina en la superficie
por encima de la mina.
Tracking Displays
Topología de una red Mesh
• De acuerdo a Cisco Systems inc.
(2002), las redes inalámbricas
“mesh”, pueden crear un
conexión redundante por
intermedio de múltiples nodos
conectados.
• Si una de las conexiones falla, la
información aún así puede fluir a
través de las otras conexiones
de la red, hasta llegar a su
destino.
Communications and
Tracking Map.
certificado por NIOSH, y MSHA
.
Mine Safety and Health Administration
The National Institute for Occupational Safety and Health
Leaky Feeder VDV of Mine Site Technologies
El sistema de comunicación de emergencia
magnética MagneLink
• El sistema de comunicación magnética MagneLink® (o
MSC, por sus siglas en inglés) creado por Lockheed
Martin es el único que ha recibido la aprobación de la
Administración de Seguridad y Salud en Minas (Mine
Safety and Health Administration o MSHA). El sistema
contiene una antena transmisora que es un cable de
cierta longitud que se puede colocar alrededor de un
pilar de carbón. La antena receptora de 3 ejes
ortogonales y otros dispositivos eléctricos receptores
están en un sitio separado. Las baterías de reserva y el
control de la computadora están en una caja a prueba
de explosiones que tiene un tamaño de 3 x 3 x 2 pies.
Este sistema subterráneo fue diseñado para instalarse
en un sitio fijo, quizás cerca de una alternativa de
refugio u otro sitio estratégico subterráneo.
Sistemas de emergencia de Mine Site
Technologies
Conclusiones
Trabajos citados
• Comunicaciones unificadas en redes WIFI en Minería Subterránea, Codelco, Chile,
2012
• Designing and modeling wireless mesh communications in underground coal mines,
K. R. Griffin, Virginia Tech, Blacksburg, S. J. Schafrik, Virginia Tech, Blacksburg, M.
E. Karmis, Virginia Tech, Blacksburg, VA
• Mine Safety and Health Administration – MSHA, http://www.msha.gov/
• The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH),
http://www.cdc.gov/niosh/
• Wireless Communication Systems For Underground Mines – A Critical Appraisal.
Ashutosh Patri, Abhijit Nayak, Dr. S. Jayanthu, Tech Student, Mining Engg
Department,