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Review de Sensores en la Seguridad Industrial

 

Sensors in Industrial Safety Review

 

Sensores em Revis�o de Seguran�a Industrial

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: john.vera@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: 20 de julio de 2022

 

      I.          Ingeniero en Electr�nica, Control y Redes Industriales, Docente de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

    II.           Estudiante, Investigador independiente, Ecuador.

  III.          Estudiante, Investigador independiente, Ecuador.

  IV.          Estudiante, Investigador independiente, Ecuador.

Resumen

El prop�sito de este art�culo est� enfocado en sistematizar el conocimiento en el campo de la seguridad, usando los sensores industriales para evaluar la relevancia de su aplicaci�n en las diferentes industrias. La seguridad industrial es de vital importancia en las organizaciones, debido al uso diario de: herramientas, m�quinas y equipos, creando un entorno de trabajo donde se eval�an riesgos y se identifican peligros a los cuales est�n expuestos, constantemente los trabajadores. Por tal motivo, las empresas dedicadas a la seguridad laboral, consideran crucial el uso de componentes electr�nicos como los sensores que funcionan al igual que dispositivos de alerta con el fin de prevenir accidentes ocupacionales a corto, mediano o largo plazo. Es por eso por lo que, se discute sobre los tipos de sensores, aplicaciones en las que intervienen, �mbitos y costos que conllevan su implementaci�n. En este contexto, el documento aborda un an�lisis exhaustivo de los sensores en la seguridad aplicados en el �mbito laboral para generar un entorno de salud y bienestar en el trabajo. Finalmente, se analiza los principales desaf�os que se deben plantear para permitir y respaldar el uso de dispositivos en la seguridad laboral industrial.

Palabras Clave: red de sensores inal�mbricos; seguridad de la informaci�n; IOT; SCADA; protocolo de enrutamiento; redes de control industriales; tecnolog�as de seguridad.

 

Abstract

The purpose of this article is focused on systematizing knowledge in the field of security, using industrial sensors to evaluate the relevance of their application in different industries. Industrial safety is of vital importance in organizations, due to the daily use of: tools, machines and equipment, creating a work environment where risks are evaluated and hazards to which workers are constantly exposed are identified. For this reason, companies dedicated to occupational safety consider it crucial to use electronic components such as sensors that work as well as warning devices in order to prevent occupational accidents in the short, medium or long term. That is why the types of sensors, applications in which they are involved, areas and costs involved in their implementation are discussed. In this context, the document deals with an exhaustive analysis of safety sensors applied in the workplace to generate an environment of health and well-being at work. Finally, the main challenges that must be raised to allow and support the use of devices in industrial occupational safety are analyzed.

Keywords: wireless sensor network; security of the information; IoT; SCADA; routing protocol; industrial control networks; security technologies.

 

Resumo

O objetivo deste artigo est� focado em sistematizar o conhecimento na �rea de seguran�a, utilizando sensores industriais para avaliar a relev�ncia de sua aplica��o em diferentes ind�strias. A seguran�a industrial � de vital import�ncia nas organiza��es, devido ao uso di�rio de: ferramentas, m�quinas e equipamentos, criando um ambiente de trabalho onde s�o avaliados os riscos e identificados os perigos aos quais os trabalhadores est�o constantemente expostos. Por esta raz�o, as empresas dedicadas � seguran�a do trabalho consideram fundamental a utiliza��o de componentes eletr�nicos como sensores que funcionam bem como dispositivos de alerta para prevenir acidentes de trabalho a curto, m�dio ou longo prazo. Por isso s�o discutidos os tipos de sensores, aplica��es em que est�o envolvidos, �reas e custos envolvidos na sua implementa��o. Nesse contexto, o documento trata de uma an�lise exaustiva dos sensores de seguran�a aplicados no ambiente de trabalho para gerar um ambiente de sa�de e bem-estar no trabalho. Por fim, s�o analisados ​​os principais desafios que devem ser levantados para permitir e apoiar o uso de dispositivos na seguran�a do trabalho industrial.

Palavras-chave: rede de sensores sem fio; seguran�a das informa��es; IoT; SCADA; protocolo de roteamento; redes de controle industrial; tecnologias de seguran�a.

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Introducci�n

El avance tecnol�gico y cient�fico ha impulsado al desarrollo de sistemas que mejoren la calidad de vida de las personas. Hoy por hoy, garantizar la seguridad en el trabajo se considera una de las principales prioridades en las diferentes industrias. Laceraciones, enfermedades y muertes en el lugar de trabajo a menudo implican disminuci�n financiera y de producci�n, lo cual afecta directamente a la empresa.

La importancia de los sensores es decisiva debido a sus atractivos servicios y beneficios que ofrece, tales como: facilidad, confiabilidad y ahorro de costos. Los sensores industriales son muy importantes debido a su gran amplitud en los diferentes entornos y enfoques ya que ofrecen una gran seguridad que ayuda a gestionar de forma autom�tica los diferentes procesos en que existen en las organizaciones industriales. El uso de sensores se clasifica dependiendo de su empleo, es decir, de la variable que va a medir, se utilizan sistemas de medici�n, instrumentos con m�ltiples sensores interconectados, conocidos como redes de sensores, los cuales integran avances en tecnolog�a electr�nica, de comunicaci�n y de computaci�n.�

Es por ello que, con este art�culo se busca mejorar la seguridad mediante el uso de tecnolog�as de manera que prevea cualquier tipo de peligro que vaya a situarse dentro de la organizaci�n, donde se beneficien tanto el operario como las industrias, ya que muchas de las veces por no contar con un sistema de seguridad automatizado hay p�rdidas humanas, lo que conlleva a que la organizaci�n tenga que pagar una indemnizaci�n al afectado adem�s de que pierde credibilidad y como consecuencia, hace que la competencia triunfe en el mercado.

�     Desarrollo

 

Sensor Industrial

Un sensor se describe como un dispositivo capaz de detectar magnitudes f�sicas o qu�micas, a estas variables se les llama variables de instrumentaci�n debido a que son transformadas en se�ales el�ctricas. Las variables de instrumentaci�n vienen siendo humedad, PH (potencial de hidr�geno), temperatura, presi�n, aceleraci�n, etc.

Un sensor se divide en dos tipos:

• Anal�gico:

�  Como salida, emite una se�al comprendida por un rango de valores que var�an respecto al tiempo.

• Digital:

�  Se divide en sensores de proximidad y sensores de contacto.

�  Tienen dos estados: 0 y 1.

Los sensores pueden ser independientes o integrados en objetos comunes o en mecanismos para hacerlos inteligentes.

Los mismos que encuentran su aplicaci�n en todo tipo de uso del IoT en los que se realiza un monitoreo de las condiciones t�rmicas del aire, el trabajo ambiental, m�quinas u otros objetos [1].

 

Figura 1. Diagrama de un sensor con se�ales de entrada y salida.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

Los campos industriales establecidos como los m�s peligrosos son la agricultura, la construcci�n, el transporte, la fabricaci�n y el comercio, en la mayor�a de los sectores, como la miner�a, la extracci�n de petr�leo entre otros la seguridad juega un papel predominante.

 

Trascendencia de los sensores en la Industria 4.0

En la Industria 4.0, los sensores son de gran ayuda ya que contribuyen a capturar y analizar datos para la toma de decisiones y la auto-optimizaci�n de procesos que lleva a la auto-mejora. Debido a que la industria de la cadena de suministro requiere y depende de soluciones y tecnolog�as de monitoreo para los activos EGN, las l�neas de suministro optimizadas, se encaminan hacia una gran demanda de sensores. Al cambiar la industria con la utilizando de sensores en los procesos como t�cnica de gesti�n, se est� cooperando al monitoreo del avance y condiciones [2].

 

Capacidades de los sensores para la Industria 4.0

Los sensores industriales son de vital importancia para aprovechar la inteligencia de los distintos softwares. Aunque hacen que el proceso sea m�s complicado, los sensores garantizan un seguimiento adecuado en los diferentes procesos [3].

 

Figura 2. Capacidades de los sensores para la industria 4.0.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

Existen algunos m�todos para calcular, controlar y automatizar sistemas que se basan en par�metros f�sicos para la medici�n de las entradas. En los robots, el c�lculo de flujos y los sensores de temperatura son sustanciales para medir formas y espacios en el control de procesos. En breve, las industrias facilitan conocimiento cuantitativo y de calidad de los materiales con el uso de los sensores. Los sensores qu�micos abrir�n una nueva era de control en la industria qu�mica y farmac�utica donde ser�n aplicados de forma amplia. La tecnolog�a de los sensores industriales para la rob�tica es una de las principales innovaciones que ayudan a los robots a elegir caminos e interpretar aspectos ambientales para luego proceder a evaluarlos en circunstancias din�micas [5].

Los sensores son el componente principal de los productos y soluciones que ayudan a monitorear los par�metros del proceso que afectan a la producci�n, econom�a y protecci�n. Introducir un nuevo sensor incluye la creaci�n de procesos de firmware para la red y las aplicaciones del sensor. Las redes de dispositivos necesitan gestionar grandes cantidades de datos por los sensores del sistema para beneficiarse de IoT, monitorean, calibran y controlan funciones de controles autom�ticos [6].

A pesar de que los sensores y actuadores el�ctricos han estado contempor�neamente durante d�cadas y siguen estando en las aplicaciones industriales actuales, la aparici�n del IoT ha abierto completamente un mundo de nuevas posibilidades de aplicaci�n en sensores y actuadores, no solo en el sector Industrial, de igual forma en el campo de uso comercial y dom�stico [1].

 

Seguridad en IoT

A menudo, la seguridad se descuida o se trata como una tarea tard�a tanto por los fabricantes de hardware como por los desarrolladores de software de soluciones IoT. En la mayor�a de los casos, los esquemas de protecci�n se basan s�lo en software, dejando al hardware vulnerable. Una plataforma de hardware no segura, conducir� inevitablemente a una pila de software no segura. En este caso, las vulnerabilidades pueden estar presentes en cualquier capa o componente de un sistema IoT. Estas debilidades son potenciales amenazas, que incluso pueden ser aprovechadas, por personas malintencionadas, para causar ataques que afectan negativamente el funcionamiento de todo el sistema IoT o, por otra parte, como un dispositivo, servicio o aplicaci�n. En este sentido, es importante identificar las posibles amenazas y mecanismos de seguridad para garantizar que un sistema IoT cumpla con los atributos de disponibilidad, integridad y confidencialidad [7].

 

Perspectiva y retos de los sensores

Hoy en d�a, los sensores son algunos de los elementos m�s complejos y cr�ticos en las aplicaciones de medici�n y soluci�n. Se puede establecer tres par�metros espec�ficos para la utilizaci�n del sensor y son los siguientes: la sensibilidad, la escala din�mica y la precisi�n anal�tica [8];

Por esta raz�n, los sensores deben poseer ciertas caracter�sticas como las que se mencionan a continuaci�n:

• Ancho de banda: valores m�nimos hasta varias decenas de MHz.
• Peso: deben ser compactos y ligeros, as� como estar hechos de materiales reciclables.
• Precisi�n: se necesita un valor que garantice una incertidumbre muy peque�a.
• Fiabilidad: garant�a de ciclo de vida del producto por lo menos de cinco a�os, tal como lo reportaron las empresas encuestadas.
• Baja tensi�n: la instrumentaci�n futura ser� dise�ada �nicamente para ser conectada a sensores de baja tensi�n, debido a la utilizaci�n de los procesadores digitales de se�ales (DSP) en los instrumentos que requieran baja se�al de voltaje [8].

Envase a lo ya mencionado, es evidente que la industria de la electr�nica, espec�ficamente la parte de los sensores, debe a�n continuar fortaleciendo su investigaci�n en el �rea de la fabricaci�n y medici�n y sus distintas aplicaciones tecnol�gicas [8].

Plataformas IoT

En la actualidad, han aparecido muchas plataformas como respuesta al vigoroso incremento de dispositivos inal�mbricos aplicados en la medici�n y automatizaci�n de procesos industriales y residenciales. Las plataformas de IoT permiten el registro de datos recolectados por los sensores, el enrutamiento de datos en tiempo real y el control remoto de dispositivos. Del mismo modo, brindan una interfaz como punto de apertura a sus recursos por medio de los protocolos de Internet; que habilitan la interacci�n con lenguajes de alto nivel como LabView, Matlab y Python, para el procesamiento de datos y accionar remotamente un dispositivo [9].

El enfoque de IoT tiene muchos aspectos positivos como la simplificaci�n de diversos protocolos propietarios junto con el correspondiente al internet (protocolo de internet); de este modo conduce a la integraci�n de los dispositivos empotrados [10].

 

Monitoreo de procesos industriales por medio de sensores

Las empresas industriales utilizan sensores que env�an la informaci�n de la temperatura desde el sitio donde se encuentran instalados hasta el almacenador de datos, con la ayuda de una red cableada. Esta infraestructura de red en las f�bricas presenta puntos d�biles. Es decir, aun cumpliendo con las normas para el extendido de redes, los cables se ven forzosamente sometidos a esfuerzos de estiramiento, corte, aplastamiento, rozamiento y torsi�n �[11].

Por este motivo, las empresas implementan la medici�n de temperaturas por el m�todo cableado, solo en la fase de secado, dado que el registro frecuente de la temperatura en dicha fase de elaboraci�n es una condici�n obligatoria fijada en las BPM (Buenas Pr�cticas de Manufactura) [11].

 

Clasificaci�n de sensores en vista de sus aplicaciones en Industrias/fabricaci�n.

Sensores de presi�n

Los sensores de presi�n son dispositivos electromec�nicos que miden presiones de gases o l�quidos y generan una se�al a las entradas de dispositivos de visualizaci�n. Estos sensores var�an en su tecnolog�a, dise�o, aplicaci�n, rendimiento y costo [13].

 

 

 

Sensores de temperatura

El sensor de temperatura es un dispositivo electr�nico que detecta par�metros t�rmicos y los convierte en datos para registrar los cambios de temperatura de una se�al. Estos sensores se basan en el detector de temperatura RTD o de termopares para detectar dichos cambios de temperatura que se encuentra en el entorno a medir. Se usan en el sector automotriz, en la aviaci�n, sector m�dico, computadoras personales, cocina, entre otras [14].

 

Sensores de proximidad

Estos sensores se usan en la industria para detectar la presencia de objetos cercanos. Generalmente emiten un campo electromagn�tico y buscan cambios en la se�al. Se usan para operaciones de fabricaci�n en el cual se requiere detectar piezas y componentes de m�quinas [17].

 

Sensores de humedad

Estos sensores se encargan de medir la cantidad de agua en un ambiente y mandan una se�al para poder interpretarse y visualizarse. Se utilizan en las industrias de la metalurgia, de la medicina, automotriz y manufacturera [18].

 

Sensores de fuerza

Son dispositivos que traducen las fuerzas mec�nicas aplicadas (como tracci�n y compresi�n) y mandan se�ales que se pueden interpretar y visualizar indicando la magnitud de fuerza que se le aplica a un determinado objeto. Se usan generalmente en productos de consumo, dispositivos inform�ticos, instrumentos musicales, autom�viles, entre otras [19].

 

Sensores de flujo

Sensores de flujo o de caudal, son dispositivos electr�nicos y a su vez electromec�nicos que se usan para medir el caudal de un fluido (gas o l�quido) y mandan se�ales de salida a un controlador. Estas mediciones son importantes para controlar procesos industriales [20].

 

 

Sensores de gas

Estos dispositivos electr�nicos pueden ser fijos o port�tiles, se usan para la detecci�n de gases que transmiten se�ales a un controlador en forma de se�al de salida. Su uso es importante debido a la detecci�n de gases nocivos y ayudan a monitorear la concentraci�n de gas para problemas de seguridad ambiental [21].

 

Sensores de falla

Estos sensores se los utilizan mucho en los procesos de fabricaci�n para indicar las irregularidades en superficies de materiales. Los sensores de falla usan medios ultras�nicos, ac�sticos u otros para identificar los defectos en los materiales. Su aplicaci�n m�s importante est� en el control de calidad durante el proceso de fabricaci�n, inspeccionan los componentes en ensayos no destructivos y en an�lisis de materiales [22].

 

Sensores de color

Estos sensores son de tipo fotoel�ctricos, emiten luz desde un transmisor y detectan la luz que se refleja desde el objeto a detectar con un receptor los sensores de color ayudan a detectar los colores en el procesamiento de im�genes, identificaci�n de color, control de procesos industriales, sistema de salud f�sica, etc. [23]

 

Sensores de luz

Al igual que los sensores de color, los sensores de luz son de tipo fotoel�ctrico que convierte los fotones debla energ�a de la luz y los convierte energ�a el�ctrica (electrones). Estos sensores son muy aplicables en las diferentes industrias. sin embargo, sensores de luz como fotorresistores, fotodiodos, fototransistores, entre otros, trabajan de forma diferente con una aplicaci�n peque�a [24].

 

Aplicaciones de los sensores en la industria 4.0

Precisi�n en la maquinaria de producci�n

Los sensores registrar una serie de factores tanto visibles como no, con el prop�sito de recopilar y enviar informaci�n en tiempo real al momento de estar produci�ndose alg�n tipo de falla que pueda afectar a la calidad del producto y la seguridad del operario. [25].�

Calcular la velocidad de las m�quinas

Se usan para medir la velocidad angular y de rotaci�n de los ejes. Principalmente aplicado en la industria automotriz para el rastreo de objetos, mediante dispositivos m�viles y c�maras. Recopilan dantos de cada proceso de producci�n y su an�lisis se realiza en tiempo real [26].

 

Detecci�n de fallas

El an�lisis predictivo detecta fallas y determina el tiempo en que funcionan los componentes individuales con la m�xima eficiencia. Una de las principales fallas que existen en estos dispositivos, es el error humano [27].

 

Medici�n de presi�n

Los sensores de presi�n cumplen con la funci�n de tomar datos y transformarlos en una se�al el�ctrica, ya sea de l�quidos o de otras fuentes que generen presi�n. Ya que, mediante estos se pueden desarrollar sistemas de redes IoT de rastreo empleados en la industria 4.0. Entre las aplicaciones mayormente vistas est�n los sistemas de agua, para detectar la cantidad de iones presentes en esta y la calidad de esta, mientras que en sistemas de calefacci�n se emplean para controlar los niveles en que son emitidos los gases [28].

 

Usos de sensores en la seguridad industrial

Una de las normas que permite dise�ar y certificar los sistemas electr�nicos para la seguridad industrial es la norma IEC 61508. Por lo que, mediante el cumplimiento de sus requisitos en cuanto al desarrollo, arquitectura y dise�o de los sistemas, estos se puedan emplear de manera segura y legal en las industrias [29].

La aplicaci�n de las directrices de estas normas tiene como objetivo reducir los riesgos para los operarios, evitar la contaminaci�n al medio ambiente y tratar de impedir p�rdidas econ�micas a las industrias. Mediante la detecci�n de peligros y la evaluaci�n de riegos, se puede determinar el grado de peligro al cual este expuesto el trabajador y buscar la manera de mitigarlo o reducirlo al m�nimo [29].

La aplicaci�n de sensores va en beneficio de la seguridad humana y de la manera en c�mo se manipulan diferentes procesos para evitar errores que terminen en tragedias, los cuales se tienen que certificar para poder implementarlos para que as� tengan una importancia relevante en pa�ses en v�a de desarrollo. Uno de los casos m�s relevantes en Sudam�rica es la industria colombiana, la cual poco a poco ha ido adapt�ndose a los nuevos avances tecnol�gicos para mejorar sus procesos sin descuidar la seguridad del factor humano [29].

En escenarios y configuraciones industriales, las m�tricas m�s importantes y frecuentes relacionadas con el cuerpo humano son la temperatura, la frecuencia card�aca y la ubicaci�n. Las m�tricas menos utilizadas son el movimiento y la transpiraci�n [30]

A trav�s del monitoreo de la seguridad y de los diferentes procesos en los cuales se encuentra la interrelaci�n humano-robot se pueden aplicar diferentes tecnolog�as como: cortinas de luz y tapetes de seguridad sensibles a la presi�n, que detectan la presencia de un trabajador en la zona de operaci�n de un robot. Por medio de un sistema de radiolocalizaci�n, el cual a trav�s de transceptores detecta la posici�n del operador sobre el campo de perturbaciones y optimizar su trayecto [30].

La ubicaci�n del trabajador es uno de los par�metros m�s importantes cuando hablamos de garantizar la seguridad laboral en la industria. Al conocer la ubicaci�n de cada empleado, el gerente de seguridad puede organizar evacuaciones de manera eficiente, distribuir ayuda y mano de obra, evitar el acceso no autorizado al lugar de trabajo o al equipo [31].

Es de gran ayuda detectar la posici�n del trabajador al momento de realizar su labor en el caso de los tapetes, esta tecnolog�a se podr�a aplicar en la industria ecuatoriana para evitar accidentes debido a las aproximaciones indebidas por parte del obrero a las m�quinas, ya que se podr�a detectar la presencia de este y en el caso de una infracci�n en el l�mite de seguridad se podr�a parar los procesos como caso de emergencia [31].

El uso de una chaqueta equipada con sensores es otra aplicaci�n importante para la seguridad de los trabajadores en la industria, ya que monitorean los signos vitales de los empleados y se puede tener monitoreado el estado de salud de este, en caso de alg�n tipo de fallo o anomal�a, se informe al personal m�dico de los problemas suscitados y puedan acudir a la ubicaci�n de este a la brevedad del caso. El chaleco almacena la energ�a cin�tica de los movimientos del usuario y la libera cuando es necesario, gracias a la electr�nica incorporada en el material textil [32].

En los �ltimos dos a�os, la industria japonesa cambi� radicalmente sus normas de seguridad para cuidar y preservar la salud de sus empleados, tal es el hecho que se desarrollaron chalecos con sensores de temperatura que detectan diferentes aspectos vitales en cuanto a las condiciones del operario, tal como son sus signos vitales, los niveles de presi�n, la temperatura corporal y posee la capacidad de adaptarse de manera autom�tica a diferentes temperaturas teniendo en cuenta el �rea de trabajo, ya que algunas de estas se encuentran expuestas a altas y bajas temperaturas, con lo cual este chaleco beneficioso para acoplarse al medio [32]. �Tambi�n se aplic� una matriz de sensores de alambre conductor que cambia de resistencia en el caso de da�os por ataques bal�sticos o punzantes [32].

 

Sistema SCADA

El sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) est� desarrollado e implementado para monitorear y analizar par�metros de consumo en energ�a, de igual forma recopila datos, monitorea y controla sistemas industriales, la caracter�stica de operaciones para mejorar la eficiencia energ�tica y reducir el consumo de combustible [33]. Su sistema de red consta de uno o m�s MTU (Master Terminal Unit). RTU (Remote Terminal Unit) es un dispositivo dise�ado para uso industrial, recolecta datos de sensores digitales y anal�gicos. Este tipo de sistemas emplea sensores cableados o inal�mbricos para transportar los datos recopilados por el sensor y enviarlos a los actuadores [34].

El prop�sito de los sistemas SCADA es implementar una arquitectura para proteger el sistema ante ataques externos y a su vez, aumenta la resistencia de la red de sensores, canal de comunicaci�n, dispositivos separados y marco de datos. Otro motivo para implementar este sistema es la adquisici�n de datos que determinan el uso de las redes inal�mbricas. Ya que, si est� instalado en un �rea grande, entonces la WSN y la red de operadores m�viles se utilizar�n como entorno de transporte [34].

 

Figura 3. Prototipo de redes inal�mbricas para el sistema SCADA

Fuente: Elaboraci�n propia

 

La clasificaci�n del ataque sobre WSN del sistema SCADA

Los principios de transmisi�n de datos usados en redes inal�mbricas, posibilitan la realizaci�n de los cuatro tipos de impactos: interceptaci�n, alteraci�n, destrucci�n e inyecci�n de c�digo [35]. �

Los ataques en WSN de los sistemas SCADA se dividen en la siguiente categor�a:

�       Ataques de acceso

�       Ataques de privacidad

�       Ataques a la integridad

 

Clasificaci�n de los ataques en detalle de direcciones de impactos:

1. Ataques a la red de sensores del sistema SCADA.

a)     Crear interferencia activa en el �rea de trabajo del sistema SCADA.

b)    Ataques a la interfaz hombre-m�quina del sistema SCADA.

c)     Ataques a las direcciones de WSN: intercepci�n de tramas de nodos de sensores y el remplazo del coordinador central.

2. Ataques a nodos de redes de sensores relacionados con dispositivos.

a)     Cambio de firmware, controladores y software de controladores industriales.

b)    Ataques de inyecci�n por suplantaci�n de identidad [36].

 

 

Gesti�n de claves para el cifrado de datos en WSN de los sistemas SCADA

1.     Clave maestra.

2.     Clave de red NK.

3.     Claves de enlace de sesi�n [36].

 

M�todos de gesti�n de claves para la transmisi�n segura de datos de sensores a trav�s de WSN

Los sistemas de redes inal�mbricas tienen el beneficio de ser econ�micas en cuanto a su instalaci�n y su mantenimiento, pero constan de vulnerabilidad en el �mbito de seguridad al estar abiertas al p�blico, el poder computacional y los nodos de memoria son limitados, no son capaces de proporcionar una protecci�n a los datos. Por lo que estas limitaciones est�n siendo objeto de mejora por parte de SCADA para garantizar una mejor arquitectura de sistemas de seguridad en cuanto a niveles de red [37].

o   Gesti�n aut�mata de claves h�bridas con enrutamiento din�mico.

La metodolog�a para gestionar de forma aut�matas las claves hibridas para cifrar datos transmitidos del remitente ser� la siguiente:

1. El remitente genera una clave de sesi�n aleatoria para el algoritmo AES de 128 bits.
2. El remitente env�a una solicitud de difusi�n para crear la ruta RREQ y obtener la clave p�blica del destinatario para cifrar la clave de sesi�n������� .
3. El receptor genera un par aleatorio "clave p�blica-clave privada" para el algoritmo RSA y env�a la clave p�blica al remitente junto con la respuesta de la ruta RREP [37].

o   El esquema de arbitraje de la gesti�n de claves h�bridas en el proceso de enrutamiento jer�rquico.

La metodolog�a es la siguiente:

1. Los nodos reciben direcciones.
2. Cada nuevo nodo que se une genera una clave al azar �clave p�blica � clave privada�. Las claves privadas se almacenan en nodos sensores.
3. La fuente env�a una solicitud al centro de claves para generar y receptar la clave de sesi�n.
4. El centro de gesti�n autentica el origen.
5. La clave de sesi�n se env�a al origen y destino.
6. La fuente encripta el marco usando la clave de sesi�n [37].

o   El esquema de arbitraje de la clave h�brida gesti�n en el enrutamiento WSN Many-to-One

La t�cnica para gestionar las claves h�bridas para el cifrado de trama de datos es la siguiente:

1. El coordinador central env�a una solicitud de transmisi�n.
2. El nodo sensor recibe la solicitud.
3. El coordinador recibe la trama con la informaci�n de enrutamiento, luego genera la clave de conexi�n de sesi�n y la encripta por la clave p�blica recibida.
4. El nodo sensor descifra la clave de sesi�n utilizando la clave privada.
5. El marco se cifra con la clave de sesi�n y la env�a al coordinador.
6. El coordinador descifra el marco recibido con la misma clave y lo destruye [37].

 

Brazo Rob�tico

Dentro de la seguridad industrial, una de las m�s importantes consideraciones que en la actualidad se puede tomar en consideraci�n es el uso de un sistema de brazo rob�tico como es el caso de aquellos usados en f�bricas que emplean materiales t�xicos y perjudiciales para la salud de los operadores, este sistema suele ser activado por medio de sensores de voz, resguardando la seguridad de los trabajadores ya que tambi�n hace uso de c�maras las cuales se encargan de agilizar el trabajo. Haciendo uso de la programaci�n en Arduino es posible poner en marcha este sistema ya que en �l se fijan las respectivas condiciones para poner en marcha el comando de voz, bitvoice se encarga de procesar la palabra y pondr� en marcha las secuencias programadas, cabe considerar que se admiten palabras ya que se hace uso de valores string que no reconoce valores num�ricos [38].

 

Figura 4. Modelo del brazo rob�tico activado por voz

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Sistemas de seguridad

Dentro de un sistema de seguridad se considera como objetivo principal, un dise�o en base a sensores de movimientos y temperatura, sistema �ptimo para resguardar la salud laboral ya que hace uso de sensores de movimientos que cumplen la funci�n de detectar la presencia, adem�s de ello se encargan de recolectar la informaci�n de fecha, hora y de acumular esta informaci�n en una base de datos; por otro lado el sensor de temperatura controla la temperatura del ambiente y es capaz de encender alarmas en funci�n a las temperaturas optimas de trabajo dentro de un proceso laboral.� Cabe mencionar que como dispositivos se emplean sensores de temperatura LM35 y en lo que se refiere a los sensores de movimientos son usados los LX 16C, cabe mencionar que la gama de sensores en el mercado es amplia, mismo que dependiendo del capital disponible y la necesidad la selecci�n de estos sensores es amplia. [39].

Un correcto monitoreo de la seguridad conlleva a que las empresas usen plataformas Ubidots para monitorear variables f�sicas ambi�ntales, pues la plataforma analizar� la informaci�n obtenida de los sensores de luz y temperatura desde cualquier ubicaci�n y en el momento necesario facilitando as� el control y la prevenci�n oportuna del ambiente en el cual se desarrollan las actividades laborales [39].

 

Casco inteligente de seguridad industrial

La seguridad dentro de la industria y sus respectivos procesos son un tema que tiene mucha importancia al momento de hacer uso de las distintas herramientas, maquinarias y equipos por parte de los trabajadores, ya que los mismos al hacer uso de estos crean entornos de trabajo lleno de riesgos y peligros.� Por lo cual en la actualidad existen normas laborales que obliga a la empresa a dotar a sus trabajadores de EPP�s (Equipos de Protecci�n Personal) tales como: cascos para prevenir accidentes y enfermedades ocupacionales. �[41]

Una de las �reas de aplicaci�n en las cuales se interrelaciona el uso de sensores en la seguridad industrial y con la finalidad de resguardar la integridad de los trabajadores dentro de una industria se considera interesante la idea de dise�ar un casco de seguridad inteligente mismo que ayudar�a a reducir el �ndice de accidentabilidad de los trabajadores, todo esto en el concepto de protecci�n laboral. El caso usa componentes electr�nicos dentro de los cuales se mencionan los dispositivos de alerta q adem�s ofrecen la posibilidad de analizar niveles nocivos de gases ayudando a prevenir enfermedades ocupacionales a corto y largo plazo como consecuencia de las actividades que realizan los trabajadores.

Como es de conocimiento, hoy en d�a la tecnolog�a no ha sido capaz de proporcionar informaci�n en tiempo real del trabajador y su relaci�n con el personal m�dico, lo que ser�a �ptimo para con la interacci�n del departamento de seguridad industrial alertar al trabajador que se expone a condiciones de trabajo peligrosas, de controlar que los mismos hagan uso de los equipos de protecci�n personal o si fuese el caso de controlar que las actividades a desarrollarse sea puestas en marcha por personal capacitado logrando as� precautelar la salud de los operadores o personas inexpertas dentro de �reas de las cuales desconocen [40]. Por lo tanto, la finalidad de la implementaci�n de estos equipos se desarrolla con el prop�sito de mejorar los mismos, encaminadas a la interacci�n inteligente tanto con el entorno de trabajo, as� como con el usuario. En la implementaci�n se pretende a�adir caracter�sticas que ayuden a maximizar la integridad y seguridad de los trabajadores en el sector de la miner�a y la industria [41].

Un casco de este tipo cuenta con m�ltiples sensores, entre los que se destacan tres sensores de proximidad que dependiendo de su uso se instalan en lugares espec�ficos, estos sensores cumplen la funci�n de emitir se�ales a menos de 50 cm de distancia. La se�al que se emite es receptada por un sistema arduino, el cual cumple la funci�n de procesar las se�ales y ordena a actuar a un motor vibratorio ocasionando la inmediata actuaci�n del operario, cabe destacar que la frecuencia de vibraci�n aumenta cuando la distancia entre el sensor y el objeto se reduce lo que permitir� al trabajador desarrollar de manera eficiente en sus actividades.

Tambi�n el caso tiene la particularidad de realizar un an�lisis de la c�lida atmosf�rica de entre los cuales resalta el gas metano y di�xido de carbono, que luego de un procesamiento da a conocer en tiempo real las concentraciones las que est� expuesta un trabajador dentro del �rea minera. Cuenta con sensores de h�medas, misma que controla la temperatura y humedad a la cual el trabajador est� trabajando con la finalidad de prevenir enfermedades ocupacionales.

El sistema es dotado de energ�a desde una bater�a externa de ion litio la cual est� conectada al Arduino y al motor. Las conexiones entre el Arduino, sensores, motores y alimentaci�n convergen en una placa PCB, ubicada junto al Arduino y la bater�a en una caja en la zona posterior del casco [42].

 

 

Red industrial de sensores inal�mbricos

En relaci�n con el internet de las cosas, los dispositivos se ven muy aventajados esto debido a que la integraci�n y agregaci�n de datos cr�ticos entre las disposiciones geogr�ficas de los sensores mejora mucho la recolecci�n de informaci�n siendo est� mucho m�s precisa. Sin embargo, existen muchas estrategias para la interconexi�n de estos dispositivos, por ello es importante conocer cu�l es la m�s adecuada considerando los requisitos de implementaci�n que se desea realizar y poner en marcha [43].

 

Figura 5. Edificaciones SCADA para el escalamiento de aplicaciones.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Avances en los protocolos y tecnolog�as de comunicaci�n

Como protocolos y tecnolog�as de comunicaci�n se incluyen tecnolog�as tales como Bluetooth, GSM, GPRS, WiMax, Wifi, ZigBee, Ultra-Wideband (UWB), microondas o WSNs. Dentro de este conjunto, la WSNs industrial (Red de sensores inal�mbricos). Dentro de estas tecnolog�as es importante resaltar la WSNs industrial y su interacci�n con los servicios que ofrecen servicios de controlar, monitorear, detectar, rastrear y alertar diversas condiciones por lo cual son empleados ampliamente a nivel industrial proporcionando as� un sistema de comunicaci�n eficiente y garantizando la seguridad. [43].

En lo referente a la infraestructura inteligente, es importante considerar la interconexi�n de los elementos f�sicos tales como pueden ser los contadores inteligentes, sensores, dispositivos electr�nicos inteligentes y sensores pole top, haciendo uso del internet como el medio m�s �ptimo para establecer la comunicaci�n, con lo que respecta a la seguridad industrial es importante que estos dispositivos brinden un rendimiento eficiente y adecuado referente a la obtenci�n de datos en tiempo real [43].

 

Wereables en la seguridad industrial

Los Wereables son un conjunto de dispositivos electr�nicos que al estar en contacto con el cuerpo humano hace posible la interacci�n de forma continua entre el usuario y el dispositivo con la finalidad de realizar una actividad espec�fica y concreta. Para comprender el significado se puede mencionar los relojes digitales o smartwatchs, zapatillas deportivas con GPS incorporado y pulseras que controlan el estado cardiaco de una persona en lo referente a la salud son pocos los ejemplos entre muchos dispositivos de car�cter tecnol�gico que se han adaptado en la actualidad a nuestra forma de vida [44].

Es importante considerar que los dispositivos industriales port�tiles tienen que ser de car�cter fiable en comparaci�n a los que se usan en distintas industrias y aquellos que son usados fuera del �rea industrial esto por el hecho de que en los entornos industriales sus valores referentes a temperatura son muy elevados y adem�s pueden estar expuestos a radiaci�n, por lo cual se requiere de mayor durabilidad f�sica del dispositivo port�til. Adem�s de ello, cabe mencionar que el lugar de trabajo en un �rea espec�fica requiere de una mayor precisi�n, alcance y un tiempo de respuesta mucho m�s eficiente que las tecnolog�as tradicionales en un �mbito laboral aplicado. Como es de conocimiento los avances tecnol�gicos, dentro los cuales se encuentras los Wereables, facilitan el desenvolvimiento laboral reduciendo las tareas de car�cter manual lo cual mejora de manera efectiva la seguridad en el trabajo [44].

Entre los principales Wereables usados en la seguridad industrial se tienen una serie de dispositivos que ayudan con la actividad de proteger la integridad f�sica del trabajador de entre los cuales resaltan los siguientes:

• Seguimiento y control de par�metros vitales de los trabajadores

La informaci�n obtenida acerca de par�metros vitales de un trabajador tales como la frecuencia cardiaca, presi�n arterial, temperatura corporal y actividad cerebral ayuda a que el departamento de seguridad apruebe si un operario est� en las condiciones de salud �ptimas para desarrollar las actividades planeadas, todo esto en base a un an�lisis de los par�metros vitales y desde un punto de vista f�sico [45].

• Seguimiento de par�metros ambientales en los lugares de trabajo

Tener un adecuado control de los par�metros ambientales como la temperaturas m�xima y m�nima, la presi�n atmosf�rica, los niveles de radiaci�n en caso de ser necesario, niveles de toxicidad entre otros par�metros, permiten a la organizaci�n actuar de manera preventiva ante posibles emergencias, controlar aspectos que pueden afectar al personal, dotarlos de equipos de protecci�n adecuados y la evacuaci�n de los trabajadores si la situaci�n lo amerita [47].

 

• Incrementar las capacidades f�sicas de los trabajadores

La variedad de industrias en la cuales los trabajadores ejercen su profesi�n y realizan actividades requieren de interacci�n f�sica y fuerza humana ya sea para levantar y trasferir objetos pesados, estas acciones en muchos casos ocasionas una serie de lesiones musculoesquel�ticas por ello como dispositivo de innovaci�n para estos procesos las empresas han optado por hacer necesario que sus operario usen art�culos port�tiles como los exoesqueletos, los cuales apoyan al sistema musculoesquel�tico para evitar da�os en los operarios [48].

• Facilitar la comunicaci�n entre los trabajadores

Entre las ventajas de usar Wereables como una manera de precautelar la seguridad en la industria, contar con dispositivos auriculares integrados con micr�fonos, son una opci�n m�s eficiente al momento de hacer necesaria la comunicaci�n en comparaci�n al uso del tel�fono, ya que por su tama�o, peso y comodidad estos dispositivos evitan que los trabajadores se distraigan a la hora de realizar sus actividades [49].

• Formaci�n de los trabajadores

Referente a la formaci�n de los trabajadores, algunos dispositivos port�tiles como el �UpRight Go� ayudan a corregir las malas posturas al momento de llevar a cabo unas actividades dentro del trabajo, este es uno de los dispositivos que ayuda a mantener una postura correcta mediante un an�lisis biomec�nico para con ello evitar que el trabajador tome posturas inadecuadas en la realizaci�n de sus actividades.

Adem�s, haciendo uso de artefactos tecnol�gicos de simulaci�n como cascos de realidad virtual (RV) y realidad aumentada (RA) hace posible la capacitaci�n de los operadores en actividades nuevas y uso de nuevas tecnolog�as, logrando as� reducir posibles lesiones al momento de interactuar de manera f�sica con dichas operaciones [31].

 

• Prevenci�n de golpes por m�quinas en movimiento

Las colisiones es uno de los accidentes que m�s ocasionan lesiones dentro de una industria, por ello es importante hacer uso de sensores de proximidad y tambi�n hacer eficiente el seguimiento de la ubicaci�n de los objetos con la finalidad de evitar este tipo de inconvenientes, fomentando as� la seguridad dentro de las industrias [50].

 

Discusi�n

Debido a la importancia que exige hoy en d�a la seguridad, se han analizado las caracter�sticas de los diferentes sistemas estrat�gicos utilizados y su idoneidad en entornos industriales.

Los sistemas de sensores de seguridad a nivel industrial son una parte clave dentro de las grandes organizaciones, los mismo que requieren una gesti�n adicional de la energ�a para trabajar eficazmente. �

La soluci�n TCP/IP garantiza que la WSN ubicada en las subestaciones remotas est�n totalmente integrados con internet, para proteger la WSN de cualquier tipo de intrusi�n.

La falta de maquinaria de seguridad en el campo de las industrias ha hecho posible la adopci�n e implementaci�n de m�todos de seguridad.

Los sistemas PLC y SCADA tambi�n requiere la participaci�n de expertos externos para identificar y corregir cambios de software en los controladores.

La principal desventaja de la gesti�n de claves m�todos en el cifrado h�brido y asim�trico es la posibilidad de un ataque exitoso para falsificar el clave p�blica o nodos, donde el par de claves para �l se generan cifrados asim�tricos, lo que lleva a un compromiso de toda la red de sensores.

 

Conclusiones

Con relaci�n a lo expuesto, los sensores industriales ofrecen innumerables oportunidades para mantener la seguridad laboral, los cuales ayudan a mejorar la calidad de vida de los seres humanos en diferentes �mbitos ya que en estos tiempos el entorno de trabajo est� cubierto de muchas fuentes de peligro.

Se identific� la cantidad de aspectos positivos que se tiene al hacer uso de los sensores industriales en la seguridad, sin embargo, tambi�n se debe tomar en consideraci�n el factor de los costos que conlleva dicha implementaci�n.

Con los ejemplos revisados acerca de las aplicaciones de los sensores en la seguridad industrial, se evidencia el potencial de innovaci�n que se puede generar, ya que se asocian correctamente los conceptos del funcionamiento de los tipos de sensores empleados, con las necesidades o requerimientos de quienes buscan implementarlos; tal es el caso del casco inteligente que, persiguiendo la idea de brindar seguridad y reducir �ndices de accidentabilidad, plantea una genuina opci�n de c�mo la tecnolog�a asiste a la industria ocup�ndose de incrementar las capacidades y desarrollo de las operaciones de cada uno de sus trabajadores. As�, caracter�sticas como �stas son las que hacen que las empresas resalten frente a la competencia, y logren posicionarse cada vez m�s alto en la industria.

Gracias a que existe la posibilidad de interconectar los sensores mediante redes inal�mbricas, se puede aprovechar de la manera m�s adecuada los beneficios que estos sistemas tecnol�gicos brindan en cuanto al monitoreo en tiempo real, al rastreo y detecci�n de se�ales, la facilitaci�n de los controles, etc., para agilizar los procesos de recolecci�n de datos y de procesamiento de informaci�n; es aqu� que el sistema SCADA muestra su peso de conveniencia al dar protecci�n a todo este conjunto de datos, salvaguardando al sistema de los ataques externos que fueron expuestos y desarrollados en este trabajo.

Adem�s, el conocer cada tipo de sensor, cada clase de programaci�n junto con sus softwares, cada clase de tecnolog�a de enrutamiento de datos, implica la demanda de profesionales capacitados que se requiere para est�s �reas, no solo actuando como� los principales responsables, sino tambi�n, involucrando directamente al personal de cada industria, pues qu� empresa no desea generar valor agregado en sus procesos de producci�n, qu� empresa no contempla la posibilidad o talvez la urgencia de implementar nuevos sistemas tecnol�gicos que las haga m�s competentes, y por supuesto, uno de los factores a considerar para alcanzar este prop�sito, es la reducci�n de riesgos para las personas, adecuando los ambientes de trabajo en las plantas mediante el uso de tecnolog�a, teniendo una organizaci�n m�s eficiente del espacio que ocupa la maquinaria, y monitoreando a la misma con los sensores que m�s se adec�en seg�n las operaciones que realicen.

La seguridad cada vez va adquiriendo mayor relevancia a nivel industrial y, es en la medida en que avanza el desarrollo tecnol�gico, que se constituye en un campo amplio de investigaci�n, an�lisis e implementaci�n de todos y cada uno de los elementos que fueron objeto de estudio en este trabajo. �

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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