¿Por qué se utiliza IoT en la monitorización de la calidad del agua en tiempo real?

Monitorear la calidad del agua en tiempo real mediante el Internet de las Cosas (IoT) puede ahorrarles a las corporaciones millones en retiradas de productos, daños a la reputación y sanciones. En Estados Unidos, infringir la Ley de Agua Limpia puede conllevar sanciones de entre 25 000 y 50 000 dólares diarios. Los dispositivos IoT permiten al personal de control químico recopilar y monitorear datos de la calidad del agua en tiempo real, evitando así consecuencias financieras negativas.

Las industrias asociadas a la fabricación de alimentos y bebidas, productos farmacéuticos y químicos están directamente vinculadas al consumo y la salud humana, lo que las convierte en los sectores más críticos desde la perspectiva del monitoreo de la calidad del agua .

La introducción del IoT en la monitorización de la calidad del agua supone un cambio radical, ya que permite aprovechar capacidades como la transmisión inalámbrica de datos y el almacenamiento en la nube. Estas características permiten reducir los costes operativos en emplazamientos remotos donde no es posible contar con personal disponible las 24 horas. Los empresarios y las organizaciones de monitorización ambiental pueden visualizar los datos en tiempo real para garantizar el cumplimiento normativo. En este artículo, exploraremos cómo la introducción de sensores basados ​​en el IoT mejora las capacidades de monitorización, su funcionamiento, sus beneficios, sus retos y las tendencias futuras.

Propósito del uso de IoT en el monitoreo de la calidad del agua

★ La necesidad de un seguimiento continuo

En un enfoque clásico, el control químico requiere tomar muestras del agua de forma intermitente y con cierta frecuencia. El intervalo entre cada lectura puede variar de una a varias horas. El cambio en la composición química del agua entre estos intervalos pasará desapercibido hasta que se obtengan los resultados de la muestra. Los reguladores están adoptando un monitoreo continuo del agua, lo que mejora el control regulatorio.

Estos sensores, combinados con el monitoreo en vivo y continuo, pueden desencadenar acciones en tiempo real, controlando los elementos que causan la degradación en la calidad del agua.

★ Toma de decisiones en tiempo real

Los sistemas de calidad del agua basados ​​en IoT permiten tomar medidas inmediatas en caso de contaminación. El deterioro de la calidad del agua se puede detectar rápidamente, identificando la fuente y cortándola. Los sensores de turbidez, pH, cloro y oxígeno disuelto proporcionan, en conjunto, una visión completa de la calidad del agua. Se pueden configurar valores de alarma para cada parámetro mediante sistemas de control que monitorizan los datos.

★ Gestión del agua basada en datos

Disponer de un amplio conjunto de datos para analizar, combinado con herramientas modernas de IA, facilita un análisis exhaustivo del sistema. Esto permite tomar medidas predictivas y preventivas antes de que se produzcan fallos en la calidad del agua. Cualquier degradación se detecta de forma inmediata. También permite realizar análisis a largo plazo, como la identificación de tendencias estacionales y fuentes recurrentes de contaminación.

Además de actuar con rapidez, también puede ayudar a detectar de inmediato el comportamiento de un sensor de suciedad. Además, puede predecir fallos en los equipos incluso antes de que ocurran.

¿Qué es un sistema de monitoreo de calidad del agua IoT?

1. Componentes de un sistema basado en IoT

La implementación práctica de un sistema basado en IoT para una aplicación específica requiere una combinación de componentes. Todos estos componentes trabajan juntos para formar un sistema funcional.

● Sensores (turbidez, pH, DO, conductividad, TDS)

El monitoreo de la calidad del agua implica el análisis de diversos parámetros físicos y químicos de la muestra. Estos sensores suelen instalarse en tanques y tuberías con agua en movimiento o estática. La turbidez, el pH, el oxígeno disuelto (OD), la conductividad y los sólidos disueltos totales (TDS) permiten analizar la calidad.

• • Turbidez: La presencia de material en suspensión en el agua puede hacer que se vuelva turbia o turbia. La cantidad de este material en suspensión se detecta mediante sensores de turbidez compatibles con sistemas IoT modernos. Por ejemplo, los sensores de turbidez Rika (serie RK500-07) pueden detectar variaciones mínimas de 0,01 NTU.
  • pH: Medir el pH permite conocer la acidez y alcalinidad del agua. Un pH bajo significa que el agua es ácida. El Rika RK500-12 ofrece una precisión de detección de 0,01 pH, ideal para la mayoría de los sistemas de monitoreo de calidad del agua.
  • DO:La actividad microbiana puede alterar los niveles de oxígeno disuelto (OD) en el agua. Además, la presencia de oxígeno en las centrales eléctricas puede dañar los metales. Por lo tanto, sensores ópticos como el RK500-04 pueden proporcionar valores en tiempo real de los niveles de OD en el agua para mantener una química adecuada según los requisitos de la aplicación.
  • Conductividad: La presencia de contenido iónico y la salinidad del agua se detectan mediante el conductímetro. Una conductividad de 0 a 2 mS/cm es adecuada para el agua potable. Por lo tanto, un detector de CE, como el RK500-13, con un rango de 0 a 200 mS/cm (±1-2 % de precisión), es crucial para el funcionamiento eficiente de los sistemas IoT.
  • TDS:Los sólidos disueltos totales (SDT) deben ser <500 mg/L (agua potable, según la guía de la OMS), hasta 2000 mg/L (riego) y >10 000 mg/L (salmuera/industrial). Su detección es crucial para garantizar el cumplimiento normativo. Normalmente, un sensor de CE como el sensor de CE/Salinidad RK500-13 también puede detectar TDS mediante conversión.

● Pasarelas y sistemas PLC/SCADA

Las señales de todos los sensores de calidad del agua se procesan y el controlador lógico programable (PLC) toma las medidas pertinentes. A continuación, estos PLC recopilan datos y los envían a un sistema de monitoreo centralizado, conocido como SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos), que permite la intervención del operador cuando sea necesario.

● Módulos de comunicación (LoRaWAN, celular, Wi-Fi)

El sistema de monitoreo centralizado puede estar cerca del campo desde donde se recopilan los datos o a una distancia considerable que requiera transmisión inalámbrica. Para ello, el dispositivo IoT (V-box) cuenta con tarjetas SIM 4G para enviar los datos recopilados por el PLC a la nube mediante MODBUS TCP/IP. Otras opciones de comunicación incluyen:

• • Corto Alcance: En el caso de corto alcance, el WiFi es el mejor método que permite la transmisión de datos dentro de una planta sin necesidad de cables.
  • Largo alcance: para el monitoreo remoto, LoRaWAN proporciona comunicación de largo alcance y bajo consumo, lo que lo hace ideal para fuentes de agua rurales y puntos de monitoreo distribuidos.

● Plataforma de análisis y almacenamiento en la nube

Todos los datos de los sensores, tras pasar por el módulo de comunicación, se almacenan y analizan. Esto permite una monitorización mejorada con estudios predictivos. En esta etapa se abordan aspectos como el mantenimiento preventivo, el estado de los sensores, los efectos estacionales y los obstáculos relacionados.

2. Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento, cuando juntamos todos estos componentes, se puede resumir convenientemente en un flujo paso a paso:

• Paso 1: Recopilación de datos
• Paso 2: Transmisión
• Paso 3: Almacenamiento
• Paso 4: Visualización
• Paso 5: Alertas

Beneficios del IoT en el monitoreo de la calidad del agua en tiempo real

✔ Recopilación de datos continua y automatizada

La combinación del IoT con un sistema de monitoreo de la calidad del agua en tiempo real proporciona vigilancia 24/7. Mediante la transmisión inalámbrica de datos, un sitio de monitoreo remoto con sistemas SCADA puede recibir alertas y datos en tiempo real de múltiples sitios. También permite a los empresarios recibir alertas en tiempo real sobre las condiciones a través de sus paneles móviles o web. Los sensores de RIKA pueden proporcionar un tiempo de respuesta de 1 segundo para una medición casi continua.

✔ Toma de decisiones más rápida y precisa

Disponer de sensores de calidad del agua que recopilan datos cada segundo permite un análisis de tendencias preciso. Este análisis permite tomar decisiones antes de que cualquier parámetro del agua alcance el umbral. Esto puede reducir el tiempo de inactividad y permitir una toma de decisiones oportuna. Por ejemplo, una configuración de PLC y puerta de enlace IoT permite generar alarmas en tiempo real si algún parámetro supera un umbral, como una turbidez superior a...5 NTU (OMS).  

✔ Ahorro de costes y eficiencia de recursos

El muestreo manual puede requerir mucho tiempo, lo que reduce las posibilidades de detectar anomalías a tiempo. Según el Journal of Soft Computing Exploration , los sensores de TDS y turbidez redujeron la carga de trabajo de las pruebas manuales y proporcionaron resultados precisos con un error promedio de tan solo el 1,53 %. Esto permite optimizar la dosificación de productos químicos y reduce el consumo de energía al optimizar los requisitos de retrolavado de los filtros en el proceso de tratamiento de agua.

✔ Integración con sistemas de control

La incorporación de dispositivos IoT que envían datos continuamente y realizan acciones basadas en los datos recibidos de los centros de control permite automatizar las acciones de control. Estas acciones pueden incluir ciclos de retrolavado, operaciones de válvulas, dosificación de productos químicos y cambios de membranas, entre otras. El uso de SCADA/PLC permite la automatización de procesos.

✔ Cumplimiento normativo y presentación de informes

Cumplir con los requisitos regulatorios de los gobiernos locales o las normas internacionales requiere el uso de monitoreo de la calidad del agua en tiempo real. Para evitar multas masivas, graves consecuencias corporativas y problemas financieros, es fundamental contar con un sistema que proporcione registros históricos en la nube SCADA. Este sistema permite la disponibilidad de registros de auditoría y la exportación de datos para los reguladores.

Desafíos y consideraciones

Los dispositivos IoT son excepcionales para la monitorización y el control, pero presentan algunos desafíos. A continuación, se presentan algunos desafíos y consideraciones a tener en cuenta antes de adaptarse a la forma moderna de monitorizar la calidad del agua:

A. Fuente de alimentación para ubicaciones remotas

En caso de que los sensores se instalen en una ubicación remota, sus equipos asociados, incluyendo un PLC y un módulo de comunicación, necesitarán energía. En situaciones aisladas de la red eléctrica, es posible que se requiera el uso de energía solar con baterías. Esto puede incrementar la inversión inicial, pero a la larga se amortiza.

B. Preocupaciones sobre la seguridad y privacidad de los datos

La transmisión de datos por internet o de forma inalámbrica los hace vulnerables al robo. En casos donde la seguridad de los datos es fundamental, como el cifrado y el uso de las últimas señales de red wifi y celular (5G), puede resultar beneficiosa.

C. Limitaciones de conectividad en zonas rurales e industriales

Siempre habrá lugares donde no haya conexión a internet móvil ni por cable. En esos casos, la única solución es usar servicios de internet satelital, cuya instalación y mantenimiento pueden ser costosos.

D. Costo de implementación para pequeñas empresas de servicios públicos

Para las pequeñas empresas de servicios públicos, utilizar sensores y microcontroladores de bajo costo, evitar servidores locales costosos, implementar en fases y aprovechar la infraestructura compartida (por ejemplo, centros SCADA regionales) puede hacer que la IoT sea viable incluso para operadores pequeños.

Tendencias futuras en la monitorización de la calidad del agua mediante IoT

El rápido crecimiento del mundo digital permite a las empresas mejorar la eficiencia y la productividad. Para mantenerse a la vanguardia del crecimiento, considere estos aspectos clave y adáptelos con anticipación para seguir siendo relevante.

● Análisis predictivo basado en IA/ML

La inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML) son técnicas modernas para el análisis predictivo y los estudios de comportamiento. Estos algoritmos pueden analizar la enorme base de datos en la nube e identificar patrones en la desviación de los sensores o en los datos de la corriente de bombeo, lo que permite programar el mantenimiento antes de las averías y, por lo tanto, reducir las paradas no planificadas.

● Integración con ciudades inteligentes y gemelos digitales

Para las ciudades que ya utilizan dispositivos IoT para controlar y monitorear diversas instalaciones urbanas, como farolas, detectores acústicos y cámaras, pueden integrar el monitoreo de la calidad del agua en tiempo real para mejorar el cumplimiento normativo de las industrias.

● Sostenibilidad y computación de borde para un procesamiento más rápido

Estos sistemas se inclinan por utilizar una configuración IoT de bajo consumo (29 W) diseñada para un funcionamiento continuo con un consumo energético mínimo, en consonancia con los objetivos de sostenibilidad. Los sistemas fiables basados ​​en PLC requieren menos intervención manual, lo que reduce los desplazamientos a sitios remotos (lo que reduce la huella de carbono). Además, los PLC y las puertas de enlace IoT locales pueden procesar alarmas in situ, lo que permite tomar decisiones sin esperar el procesamiento en la nube; esto se conoce como edge computing. También puede garantizar que se tomen acciones críticas (como cerrar una válvula) incluso si se pierde la conexión a internet.

Conclusión

La transición hacia el uso del IoT en la monitorización de la calidad del agua es inevitable. Ya lo han adoptado las Redes de Monitoreo de Lagos y Ríos (Europa y EE. UU.), las Ciudades Inteligentes del Agua (Singapur) y la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Pagla de la WASA de Dhaka. Su objetivo es lograr una monitorización eficiente y sostenible. La incorporación de funciones como la IA y el aprendizaje automático (ML) para datos en la nube puede proporcionar información detallada que, de otro modo, sería difícil de obtener mediante intervención humana.

Los sensores y dispositivos IoT ya posibilitan el mantenimiento preventivo, el control preciso, la vigilancia mejorada y la gestión remota. Marcas como RIKA ofrecen servicios integrales para una solución integral de monitoreo de la calidad del agua en tiempo real. Sus sensores son de calidad superior, con una de las mayores precisiones y resoluciones del sector, según los estándares del sector.

Preguntas frecuentes

P1: ¿Qué parámetros puede medir el monitoreo de la calidad del agua mediante IoT?

El monitoreo de la calidad del agua mediante IoT consiste principalmente en la monitorización de parámetros como turbidez, pH, oxígeno disuelto (OD), conductividad y sólidos disueltos totales (TDS). Proporciona una visión completa de las condiciones de la calidad del agua. Las organizaciones internacionales suelen establecer límites para estos parámetros. Su monitoreo garantiza el cumplimiento normativo.

P2: ¿La monitorización de IoT es adecuada para los sistemas de agua potable?

El uso de IoT en la monitorización del sistema de agua potable es altamente recomendable. Es el método más avanzado para mantener las propiedades del agua potable. Incluso un pequeño cambio es detectado fácilmente por algoritmos de IA y ML. Esto permite la dosificación de productos químicos y la identificación de la fuente de contaminación en tiempo real y sin demora.

P3: ¿Puede la IoT reducir los costos del tratamiento del agua?

Sí, el uso de dispositivos IoT puede reducir costos al disminuir la necesidad de muestreos intermitentes. En zonas remotas, las visitas frecuentes se reducen drásticamente. También pueden reducir el consumo de productos químicos y facilitar el mantenimiento predictivo. En general, puede reducir los costos de mano de obra, operación y mantenimiento en la industria del tratamiento de agua.

P4: ¿Cuál es el alcance típico de un sensor de calidad del agua de IoT?

Normalmente, un sensor de calidad del agua IoT como los de Rika ofrece sensores de turbidez (RK500-07) que miden de 0 a 4000 NTU; los sensores de pH (RK500-12) miden típicamente de 0 a 14 pH con una resolución de 0,01 pH; los sensores de oxígeno disuelto (OD) (RK500-13) admiten un rango de medición de 0 a 20 mg/L; y los sensores de conductividad (RK500-23) cubren de 0 a 20 mS/cm con múltiples opciones de rango (personalizables para aguas de baja o alta salinidad). Los sensores de TDS se utilizan generalmente hasta 1000 ppm o más para la clasificación del agua.

Q5: ¿Qué tan segura es la transmisión de datos de IoT?

Los sistemas modernos utilizan protocolos de comunicación cifrados (p. ej., TLS, HTTPS, VPN o MODBUS sobre TCP/IP seguro) y redes celulares con autenticación SIM. Esto dificulta el robo de datos. Además, los firewalls, los sistemas de detección de intrusos y las actualizaciones periódicas de firmware mantienen los sistemas a la vanguardia contra las amenazas modernas. El sistema avanzado utilizará agentes de IA para detectar ataques.