Revista Politécnica 19 - Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

Transcripción

Revista Politécnica
Julio-Diciembre de 2014 · Volumen 10 · Año 10 · Número 19 · ISSN 1900-2351(Impreso) · ISSN 2256-5353 (En línea)
Medellín - Colombia
La revista Politécnica es una publicación académica semestral de ciencia, tecnología e innovación del Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Medellín, Colombia. Tiene como objetivo esencial publicar resultados originales de
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relacionados con ciencias básicas e ingeniería. La revista Politécnica se dirige a la comunidad académica y científica
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y descargarse gratuitamente en la página web de la revista Politécnica. Información general sobre la presentación de
artículos puede consultarse en las páginas finales de este número y más detalladamente en la página web de la revista.
2
CONTENIDO
7
EDITORIAL
ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
9
PROCESAMIENTO, CARACTERIZACIÓN Y ENSAYOS BIOLÓGICOS DE SCAFFOLDS
POLIMÉRICOS NATURALES Y SINTÉTICOS PARA INGENIERÍA DE TEJIDO ÓSEO Y
CARTILAGINOSO
Juan José Pavón Palacio
Alice Pesquet
Mónica Echeverry Rendón
Sara María Robledo Restrepo
21
MODELO DE CALIDAD PARA PYMES DESARROLLADORAS DE SOFTWARE UBICADAS EN EL
ÁREA METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRÁ
María Nelcy González Ramírez
Adriana Xiomara Reyes Gamboa
Julián Andrés Henao M.
35
SISTEMA DE MONITOREO REMOTO VÍA INTERNET CON GENERACIÓN DE INDICADORES DE
PRODUCCIÓN PARA PROCESOS AUTOMATIZADOS
Santiago Escudero Restrepo
Mauricio Merino Pérez
Rubén Darío Vásquez Salazar
47
ANÁLISIS ESTÁTICO PARA OPTIMIZAR UN CHASÍS DE PATÍN DE CARRERAS SOBRE RUEDAS
Junes Abdul Villarraga Ossa
Liliana Marcela Bustamante Goez
Juan Gustavo Diosa Peña
55
MODELADO GEOMÉTRICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO EN ESPIRAL
HELICOIDAL TORSIONADO
Juan Gonzalo Ardila Marín
Diego Andrés Hincapié Zuluaga
65
DISEÑO DE CONTROLADORES PI Y PID FRACCIONARIOS PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE
UN MOTOR DC UTILIZADO PARA MANEJAR UN GENERADOR DE ENERGÍA
Luis Eduardo García Jaimes
Carlos Andrés Velásquez Ospina
Héctor Wilson López Espinosa
77
EVALUACIÓN DE COMPENSADORES ESTÁTICOS EN LA ESTABILIDAD TRANSITORIA DE
SISTEMAS EÓLICOS CON GENERADORES DE INDUCCIÓN EN REDES DE DISTRIBUCIÓN
Luis Zapata
Esteban Velilla
Jesús María López Lezama
3
85
EL SESGO TECNOLÓGICO EN PAÍSES EN DESARROLLO. LA INVERSIÓN EXTRANJERA DIRECTA
UNA ESTRATEGIA INSUFICIENTE: EL CASO MEXICANO
Jorge Feregrino Feregrino
Gisela Janeth Espinosa Martínez
Verónica Velázquez Romero
95
IMPLEMENTACIÓN Y AUTOMATIZACIÓN DE UN REACTOR SECUENCIADO POR LOTES CON
CONTROLADOR PROGRAMABLE DE BAJO COSTO
Yudy Andrea Londoño
Milena Muriel
Nelson Londoño
Gustavo Peñuela
105
EFECTO DE LA CONFIGURACIÓN AFFINE EN EL ALGORITMO ACELERADOR REGRESIVO:
VERSIÓN γ (AR γ)
María Fernanda Rivera Sanclemente
Pablo Emilio Jojoa Gómez
115
CUESTIONARIO HONEY ALONSO DE ESTILOS DE APRENDIZAJE UNA HERRAMIENTA QUE
FOMENTA EL MEJORAMIENTO DEL PROCESO ENSEÑANZA- APRENDIZAJE EN LA
INFORMÁTICA
Tania Catalina Amaya Rincón
Andrea Catherine Alarcón Aldana
Mauro Callejas Cuervo
125
DESARROLLO DE UN ROBOT EXPLORADOR OPERADO MEDIANTE NEUROSEÑALES
Marco A. Soler V.
Harold A. Rodríguez A.
César A. Peña C
ARTICULOS DE REVISION
135
FUSIÓN DE DATOS EN REDES DE SENSORES: UNA REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
Wendy Janett Guzmán González
José Rivera Mejía
147
INDICACIONES PARA LOS AUTORES
151
INDICE DE AUTORES, VOLUMENES 1 al 10
4
CONTENT
7
EDITORIAL
RESEARCH AND INNOVATION PAPERS
9
PROCESSING, BIOLOGICAL CHARACTERIZATION AND TESTS TO NATURAL AND SYNTHETIC
POLYMER SCAFFOLDS FOR BONE AND CARTILAGINOUS TISSUE ENGINEERING
Juan José Pavón Palacio
Alice Pesquet
Mónica Echeverry Rendón
Sara María Robledo Restrepo
21
QUALITY MODEL FOR SOFTWARE DEVELOPMENT PYMES LOCATED IN THE VALLE DE
ABURRÁ METROPOLITAN AREA
María Nelcy González Ramírez
Adriana Xiomara Reyes Gamboa
Julián Andrés Henao M.
35
INTERNET REMOTE MONITORING SYSTEM
AUTOMATED PRODUCTION PROCESSES
Santiago Escudero Restrepo
Mauricio Merino Pérez
Rubén Darío Vásquez Salazar
47
STATIC ANALYSIS TO OPTIMIZE A SKATES’ FRAME OF INLINE SPEED SKATING
Junes Abdul Villarraga Ossa
Liliana Marcela Bustamante Goez
Juan Gustavo Diosa Peña
55
GEOMETRIC MODELING OF COILED TWISTED TUBE HEAT EXCHANGER
Juan Gonzalo Ardila Marín
Diego Andrés Hincapié Zuluaga
65
DESIGN OF A FRACTIONAL PID CONTROLLER FOR A DC MOTOR USED FOR DRIVING A
POWER GENERATOR
Luis Eduardo Garcia Jaimes
Carlos Andrés Velásquez Ospina
Héctor Wilson López Espinosa
77
STATIC COMPENSATORS ASSESSMENT IN THE WIND POWER SYSTEMS TRANSIENT
STABILITY WITH INDUCTION GENERATORS IN DISTRIBUTION NETWORKS
Luis Zapata
Esteban Velilla
Jesús María López Lezama
5
WITH
INDICATOR
GENERATION
FOR
85
THE TECHNOLOGICAL BIAS IN DEVELOPING COUNTRIES. THE FOREIGN DIRECT INVESTMENT
AN INSUFFICIENT STRATEGY: THE MEXICAN CASE
Jorge Feregrino Feregrino
Gisela Janeth Espinosa Martínez
Verónica Velázquez Romero
95
IMPLEMENTATION AND AUTOMATION OF A SEQUENCING BATCH REACTOR WITH A LOGOOBA6 PROGRAMMABLE LOW-COST CONTROLLER
Yudy Andrea Londoño
Milena Muriel
Nelson Londoño
Gustavo Peñuela
105
THE EFFECT OF THE AFFINE CONFIGURATION IN THE ALGORITHM ACCELERATOR
REGRESSIVE VERSION γ (AR γ)
María Fernanda Rivera Sanclemente
Pablo Emilio Jojoa Gómez
115
IDENTIFICATION OF LEARNING STYLES USING CHAEA, A TOOL THAT PROMOTES THE
IMPROVEMENT OF THE PROCESS TEACHING- LEARNING
Tania Catalina Amaya Rincón
Andrea Catherine Alarcón Aldana
Mauro Callejas Cuervo
125
DEVELOPMENT OF A ROBOT EXPLORER OPERATED BY NEURAL-SIGNALS
Marco A. Soler V.
Harold A. Rodríguez A.
César A. Peña C
REVIEWS
135
DATA FUSION IN SENSOR NETWORKS: A REVIEW OF THE STATE OF THE ART
Wendy Janett Guzmán González
José Rivera Mejía
148
DIRECTIONS FOR THE AUTHORS
151
AUTHORS INDEX, VOLUMES 1 to 10
6
EDITORIAL
Estimado lector, con la presente edición la revista Politécnica cumple diez años de labores, periodo durante
el cual se ha convertido en un importante órgano de difusión del Politécnico Colombiano Jaime Isaza
Cadavid. Politécnica publica principalmente artículos derivados de proyectos de investigación, provenientes
de la comunidad científica local, nacional e internacional.
Con motivo de este aniversario, hemos elaborado un índice por autores, el cual cubre las entregas de los 10
primeros volúmenes de la revista, es decir, desde su inicio hace 10 años con el Vol.1 No. 1 de octubre de
2005 hasta la presente edición Vol. 10 No. 19 de diciembre de 2014.
Este índice se constituye en una importante herramienta bibliográfica para la consulta de los artículos
publicados en la revista Politécnica, razón por la cual pretendemos publicarlo anualmente.
Otra grata noticia, es la puesta en funcionamiento del portal web institucional de revistas académicas y
científicas del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Dicho portal está basado en la plataforma Open
Journal Systems (OJS), ampliamente conocida a nivel mundial. En el portal se publica el contenido de las
revistas Politécnica, Teuken Bidikay, Luciérnaga e Intersección. De esta manera, se podrá brindar un mejor
servicio de divulgación a los artículos publicados en cada edición de estas revistas, y además, se logra un
manejo más ágil y oportuno de todos los procesos que intervienen en la edición de un nuevo número de
cada revista. Este portal web puede ser consultado desde el siguiente link http://162.248.55.71/ojs/
En este sitio se pueden consultar los resúmenes, palabras clave y textos completos de los artículos en
formato pdf, desde la publicación número 1. También están disponibles las instrucciones para la
presentación de artículos.
Lo invitamos a leer esta edición que contiene 13 artículos derivados de investigaciones desarrolladas en
reconocidas instituciones académicas. Las fotografías ilustrativas al interior de la revista fueron
seleccionadas con motivo de los 50 años de labores del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, y la
caratula hace alusión a los 10 años de producción de la revista Politécnica.
Cordialmente,
Prof. Nelson David Muñoz Ceballos, M.Sc.
Editor Revista Politécnica.
7
8
Revista Politécnica ISSN 1900-2351(Impreso), ISSN 2256-5353 (En línea), Volumen 10, Año 10, Número 19, páginas 9-19, Julio-Diciembre 2014
PROCESAMIENTO, CARACTERIZACIÓN Y ENSAYOS
BIOLÓGICOS DE SCAFFOLDS POLIMÉRICOS NATURALES Y
SINTÉTICOS PARA INGENIERÍA DE TEJIDO ÓSEO Y
CARTILAGINOSO
1
2
3
Juan José Pavón Palacio, Ph.D. , Alice Pesquet, Ing. , Mónica Echeverry Rendón, MSc. , Sara María
3
Robledo Restrepo, Ph.D.
1
Grupo de Biomateriales Avanzados y Medicina Regenerativa, Programa de Bioingeniería, Universidad de
Antioquia, Medellín, Colombia.
2
Escuela de Ingeniería Biomédica, ISIFC, Besançon, Francia
3
Grupo de Investigación PECET, Sede de Investigación Universitaria, Universidad de Antioquia, Medellín,
Colombia.
Universidad de Antioquia, calle 67, No. 53-108. E-mail: [email protected]
RESUMEN
La ingeniería de tejidos (IT) requiere estructuras de soporte (scaffolds) que son fabricadas con materiales
que favorecen la migración, adhesión, proliferación e incluso la diferenciación celular y además poseen
ciertas propiedades mecánicas, morfológicas y de biodegradabilidad. Se describe la fabricación de scaffolds
basados en polímeros biodegradables sintéticos y naturales, ácido poli L-láctico (PLLA) y quitosano,
optimizando las condiciones de secado por congelación (liofilización). Después de la evaluación de varias
rutas de procesamiento, los resultados obtenidos muestran que la técnica es adecuada para la obtención de
materiales con características apropiadas para su aplicación en IT, debido a su gran similitud morfológica
con la matriz sólida del cartílago y el hueso trabecular. La evaluación de citotoxicidad e interacción
células/scaffolds, mostró una alta biocompatibilidad y aceptable biofuncionalidad de los scaffolds fabricados.
Los scaffolds de PLLA presentan mayor resistencia mecánica, mientras los de quitosano son más flexibles
con una mayor biocompatibilidad.
Palabras clave: Acido poli L- láctico, Quitosano, Andamio Polimérico.
Recibido: 19 de abril de 2014.
th
Received: April 19 , 2014.
Aceptado: 16 de noviembre de 2014.
th
Accepted: November 16 , 2014.
PROCESSING, BIOLOGICAL CHARACTERIZATION AND TESTS TO NATURAL AND SYNTHETIC
POLYMER SCAFFOLDS FOR BONE AND CARTILAGINOUS TISSUE ENGINEERING
ABSTRACT
Tissue engineering (TE) practice requires supporting structures (scaffolds), which are made of materials that must
help cells to improve their migration, adhesion, proliferation and even differentiation, besides having very specific
mechanical, morphological and biodegradable properties. It is described how the scaffolds were fabricated using
synthetic and natural biodegradable polymers, poly L-lactic acid (PLLA) and chitosan, as well as hybrids of these
components, through optimization of freeze-drying (lyophilization) technique. After evaluation of several processing
routes, the results have shown that freeze-drying technique is suitable for obtaining materials with appropriate
chemical and morphological characteristics for TE applications. This technique allowed obtaining scaffolds for
cartilage and bone TE thanks to their similitude to tissues solid matrix. Citotoxicity assays and cells/scaffolds
interactions indicated that obtained scaffolds are highly biocompatible with a suitable biofunctionality. PLLA
scaffolds exhibited a higher mechanical strength, whilst chitosan ones were more compliant with a higher
biocompatibility.
Keywords: Poly L-lactic acid, Chitosan, Polymeric Scaffolds.
9
1.
El éxito de un tejido obtenido a partir de la IT
depende, en gran parte, de las propiedades de los
materiales utilizados para la fabricación del scaffold
y de sus características morfológicas. Además de
las características físico-químicas del material, el
comportamiento mecánico de la estructura y el área
superficial al que tendrán acceso las células,
también son factores importantes. Idealmente, un
scaffold debe tener las características siguientes [13]: a) Tridimensional, altamente poroso y con una
red de poros interconectados para favorecer el
comportamiento y colonización de las células, al
igual que el transporte de nutrientes; b)
Biocompatible y biodegradable con una velocidad
de degradación controlable para sincronizar el
crecimiento del tejido con la resistencia mecánica;
c) Tener una superficie químicamente apta para el
acceso, migración, la adhesión, proliferación e
incluso diferenciación de las células; y d) Poseer
propiedades mecánicas similares a las del tejido
huésped en el sitio de la implantación.
INTRODUCCIÓN
La perdida de las propiedades de los tejidos
asociadas a traumas y enfermedades, relacionadas
o no con el envejecimiento, hace necesario el uso
de materiales biomédicos para reparar o
reemplazar dichos tejidos. La ingeniería de tejidos
(IT) se ha convertido en los últimos años en una
importante alternativa para superar las dificultades
con las que se enfrentan los ortopedistas para
tratar satisfactoriamente las enfermedades que
afectan el hueso y el cartílago articular.
Estas enfermedades, degenerativas o traumáticas,
son causa de discapacidad severa y afectan la
calidad de vida de los pacientes, generando altos
costos económicos y sociales. La alternativa de
solución a través de IT surge en la década de los
70’s como un área científica interdisciplinaria; su
fundamento es el uso de células, manipulación del
entorno extracelular y creación de sustitutos
biológicos como matrices de estimulación y soporte
(scaffolds), para su posterior implantación en el
cuerpo reemplazando un tejido. En este orden de
ideas, la IT se considera una solución potencial
para reparar, reemplazar, mantener o mejorar la
función particular de un órgano o tejido [1,2]. La IT
y la medicina regenerativa (MR) son dos conceptos
que están actualmente claramente relacionados.
Mientras la IT está más relacionada con la
implementación de métodos de ingeniería para la
producción de nuevos tejidos, In vitro e In Vivo, a
partir de diferentes fuentes celulares, la MR se
aproxima un poco más al desarrollo de materiales
destinados a estar en contacto con tejidos y
órganos, con el propósito de producir su
crecimiento y regeneración [3].
Una gran variedad de materiales han sido utilizados
para la fabricación de scaffolds: cerámicos,
polímeros (naturales y sintéticos) y sus
combinaciones, e incluso espumas metálicas. En lo
referente a la ingeniería de tejido cartilaginoso, los
materiales más utilizados han sido de tipo
polimérico,
debido
a
su
balance
entre
degradabilidad,
resistencia
mecánica
y
biocompatibilidad. Es así como el colágeno, ácido
poliglicólico (PGA), ácido poliláctico (PLLA, PDLA),
policaprolactonas (PCL), son materiales que
cumplen con los requisitos necesarios para ser
empleados en la reparación de tejido cartilaginoso
[6-9]. En lo referente a la IT óseo, la utilización de
biocerámicos
biodegradables,
bioactivos
y
biodegradables/bioactivos, se considera una
alternativa importante para la fabricación de
scaffolds [10]. Para esta aplicación, los materiales
tradicionalmente más utilizados para el desarrollo
de estructuras porosas tridimensionales han sido la
hidroxiapatita, los vidrios bioactivos tipo Bioglass®
[11] y los biodegradables [12], los poli (hidróxiácidos) y algunos polímeros de origen natural como
el colágeno I y el quitosano. En muchos casos, las
superficies de los materiales son modificadas con
diferentes proteínas y factores de crecimientos
óseo, biofuncionalización, que estimulan la
respuesta celular y activan los genes responsables
de la diferenciación celular y mineralización del
tejido [13-15]. En cuanto a los polímeros que han
sido empleados como scaffolds para reemplazo de
hueso, dos de los más estudiados han sido el ácido
Los Institutos Nacionales Americanos de Salud,
The American National Institutes of Health (NIH),
definen MR como un campo multidisciplinario de
rápido crecimiento que involucra ciencias de la
vida, físicas y de ingeniería, para desarrollar
estructuras celulares funcionales, tejidos y órganos
substitutos, para reparar, reemplazar o mejorar la
función biológica que se ha perdido debido a
problemas congénitos, heridas, enfermedades o
envejecimiento [4]. Simultáneamente, conceptos
como diseños biomiméticos y bioinspirados han
emergido
recientemente
basados
en
la
construcción de materiales parcial o totalmente
artificiales que imitan en una máxima extensión los
tejidos que están reemplazando, interactuando
activa y positivamente con sus células [5].
10
poliglicólico (PGA) y el ácido poliláctico (PLA). Las
técnicas de fabricación para scaffolds dependen
casi exclusivamente de las propiedades másicas y
de superficie del material buscado, al igual que de
la función propuesta para dicha aplicación. Sin
embargo, el costo y el tiempo de fabricación
deberán ser considerados para la viabilidad del
tratamiento para el paciente. Algunas de las
técnicas más utilizadas son: liofilización (secado
por congelación), separación de fases inducida
térmicamente,
laminación
por
membranas,
disolución y colada con lixiviación de partículas,
tecnología de fluido supercrítico, moldeo por fusión,
entre otras [16]. La técnica de secado por
congelación (Freeze-Drying, liofilización) ha sido
ampliamente utilizada tanto para eliminación del
solvente, obteniendo una porosidad deseada para
su aplicación en IT, como para la retención de
dicha estructura. Esto a pesar de las limitaciones
que presenta esta técnica, tales como el consumo
de tiempo y energía, y el fenómeno de "piel
superficial" consecuencia de la falta de control a
temperaturas suficientemente bajas para evitar que
la estructura porosa colapse por efecto de la
tensión interfacial, debido a su baja rigidez,
presentándose el fenómeno antes mencionado [16].
es en forma de polvo blanco granulado. Para la
disolución previa del polímero se utilizó un solvente
orgánico no polar, cloruro de metileno (Panreac,
USA). El otro polímero utilizado fue el quitosano
(Sigma Chemical Co., St. Louis, MI, USA) el cual se
obtiene a partir de la caparazón de crustáceos y
tiene una presentación en polvo de color blancuzco.
Para su disolución, se utilizó ácido acético glacial
(Panreac, USA) y como emulsificantes se utilizaron
agua desionizada y una solución de ácido acético
glacial 2%. Los scaffolds, PLLA, quitosano e
híbridos entre los dos, se fabricaron mediante la
técnica de liofilización (freeze-drying) [17]. Las
condiciones de procesamiento se describen
brevemente a continuación.
2.2. Fabricación de los scaffolds.
Liofilización 1
La Tabla 1 resume las condiciones de las diferentes
rutas de liofilización. En la Liofilización 1, para llevar
a cabo el secado por congelación de las diluciones
de PLLA (5 % p/v en cloruro de metileno,
diclorometano, DCM), la temperatura de la solución
debe estar por encima de la correspondiente al
nitrógeno líquido, para poder utilizarlo como medio
efectivo de congelación. Teniendo en cuenta la baja
temperatura de congelación del solvente utilizado,
fue necesario fabricar una emulsión con agua,
homogenizar lo mejor posible y congelar en el
menor tiempo posible, para evitar la separación de
fases.
El objetivo fundamental de este trabajo es el
procesamiento y la caracterización de scaffolds
candidatos a ser aplicados en IT para cartílago y
hueso articular, mediante diferentes rutas de
fabricación,
implementando
la
técnica
de
liofilización (freeze-drying) a partir del polímero
sintético ácido poli l-láctico (PLLA) y de polímero
natural de quitosano. Esta comunicación se
presenta con la siguiente estructura: inicialmente se
hace la descripción del material polimérico utilizado,
de las técnicas de fabricación y de caracterización
fisicoquímica,
microestructural,
mecánica
y
biológica con células óseas. Los resultados más
relevantes relacionados con el procesamiento y las
caracterizaciones de los scaffolds se presentan
seguidamente y, finalmente, se exponen las
conclusiones más destacables del trabajo.
2.
Tabla 1.Resumen de las condiciones de liofilización
para las diferentes rutas de obtención de los
scaffolds de PLLA y de Quitosano.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales.
Uno de los polímeros utilizado para la fabricación
de los scaffolds fue el ácido poli L-láctico (PLLA,
polysciences, Warrington, PA, USA) de alto peso
molecular (~80,000-100,000 Da), cuya presentación
11
En este orden de ideas, se prepararon varias
emulsiones de 25 ml, agregando agua y
homogenizando con la ayuda de un ultrasonido con
40 kHz, durante 10 minutos (Fisher Scientific
Sonicator, FSH30H); posteriormente, se utilizó el
nitrógeno líquido por 2 minutos, manteniendo las
muestras a -40°C, para garantizar la estabilidad de
la congelación.
Finalmente, las muestras liofilizadas fueron
secadas en estufa a 60°C durante 72 h.
Posteriormente, utilizando las mismas etapas de
esta ruta de fabricación, se implementaron algunas
modificaciones para obtener nuevas muestras de
scaffolds de PLLA: se disminuyó la amplitud y
tiempo de sonicación (20%, 5 min); estos cambios
se deben a las tendencias en los resultados
observado. Luego, se pasó directamente de
nitrógeno líquido a liofilización. En una siguiente
fase, teniendo en cuenta los resultados previos de
esta ruta de Liofilización 3, se llevaron a cabo
algunas adaptaciones del protocolo: minimizar la
evaporación del solvente disolviendo directamente
en tubo Falcon, emulsificación directa en los
recipientes pequeños con sonicación inmediata en
baño de maría (10% amplitud, 10 min); algunas
muestras
sometidas
a
nitrógeno
líquido,
congelación, liofilización, mientras otras pasaron
del nitrógeno directamente al liofilizador.
Finalmente, se llevó a cabo el proceso de
liofilización utilizando el equipo LABCONCO- Lyphlock 6L modelo 77535, durante 2 días, tiempo en el
cual las muestras permanecieron totalmente
congeladas, a temperaturas variables desde -40°C
a -12°C.
Liofilización 2
Con el propósito de tener parámetros de
comparación con otro equipo de liofilización, se
decidió llevar a cabo el secado de las muestras de
PLLA (misma concentración del proceso anterior)
utilizando un equipo en el cual las condiciones eran
más flexibles. Para ello, se practicó la misma
secuencia de preparación de muestras como se
indicó en el proceso anterior, para luego realizar el
proceso de liofilización utilizando esta vez el equipo
LABCONCO-FreeZone 4.5, durante 1 día, tiempo
en el cual las muestras permanecieron totalmente
congeladas, a una temperatura de -40°C.
Para la fabricación de los scaffolds de quitosano,
éste se disolvió al 1% (p/v) en una solución de
ácido acético (2%), utilizando agitador magnético
durante 2 h, en ambiente de laboratorio; las
disoluciones fueron conservadas en tubos Falcón,
durante 24 h a 5°C. Para la homogenización de las
disoluciones, éstas fueron sonicadas con 40%
amplitud, 10 min. La congelación de las muestras
se llevó a cabo de la misma manera antes descrita
para el PLLA: nitrógeno líquido a -120°C, durante 2
min, para luego llevarlas en un congelador a -80°C,
24 h. La liofilización de las muestras de quitosano
fue la misma descrita para el PLLA: equipo
LABCONCO-FreeZone con 4 frascos individuales,
durante 24 h a una temperatura de -40°C.
Finalmente, las muestras liofilizadas fueron
secadas en estufa a 60°C durante 72 h.
Liofilización 3
Se desarrollaron 5 etapas, similares a las anteriores
pero optimizadas, para fabricar de manera aislada
scaffolds de PLLA y de quitosano: disolución del
polímero, emulsificación, congelación, liofilización y
secado. El PLLA se disolvió en cloruro de metileno
(diclorometano, DCM) en una concentración 10 %
(p/v). Esta disolución se lleva a cabo con un
agitador magnético, la cual luego se conserva
refrigerada durante 24 h. Es importante que el
recipiente permanezca bien cerrado para evitar la
volatilización
del
DCM.
Para
lograr
la
emulsificación, la disolución del PLLA en DCM se
mezcla con agua (40% de solución de PLLA y 60%
de agua destilada) y dicha mezcla se somete a
sonicación 40% amplitud, 10 min, para lograr la
emulsión (Ultrasonic Processor, Cole Parmer). La
congelación de las muestras se realizó inicialmente
en nitrógeno líquido a -120°C, durante 2 min, para
luego llevarlas en un congelador a -80°C, 24 h. La
liofilización de las muestras se realizó en un equipo
LABCONCO-FreeZone con 4 frascos individuales,
durante 24 h a una temperatura de -40°C.
La fabricación de los scaffold de quitosano también
fue sometida a ciertas variaciones sobre la base de
la misma ruta antes descrita: para una primera
variante se cambió la concentración inicial de
quitosano (1 % p/v a 2 % p/v) en una solución de
ácido acético (1% de concentración); en la segunda
variante se mantuvo el 2 % (p/v) de quitosano, se
omitió la sonicación y la congelación en nitrógeno
líquido, manteniendo el resto de condiciones de
liofilización y secado.
2.3. Caracterización microestructural de los
scaffolds.
Antes del análisis, tanto por microscopía electrónica
de barrido (SEM), como por espectrometría de
12
energía dispersa (EDS), las muestras de los
diferentes scaffolds fueron cortadas a las
dimensiones adecuadas para el equipo y
posteriormente metalizadas con una capa delgada
de oro depositada al vacío en un metalizador DESK
II. El equipo para el análisis SEM-EDS utilizado fue
un JEOL JSM 5910 LV con un voltaje de 15 kV. En
ambos análisis, SEM y EDS, se realizaron
evaluaciones, tanto en la zona superficial, como en
un corte transversal, para observar la composición
química y estructura de las muestras obtenidas.
Las mediciones de porosidad de los scaffold se
realizaron a través de un protocolo de análisis de
imágenes usando el software Image J 1.47 Version
(National
Institutes
of
Health,
USA).
Posteriormente, la herramienta binaria del software
se utilizó para procesar las imágenes a una escala
de colores negro y blanco. Finalmente, la medición
de porosidad se obtuvo a través de la opción
“Analizar Partículas”, con la cual los espacios en
blanco fueron cuantificados.
adicionó MTT a cada pozo de cultivo, 20 µl a los
pozos con células U2OS y 40µl a los pozos
cultivados con los macrófagos; se incubó por 4
horas a 37 °C para permitir la formación de cristales
de formazán. Se adicionó luego, una solución de
parada, 10 % de dodecil sulfato de sodio (Fisher) y
50% de isopropanol, y se dejaron en reposo los
cultivos a temperatura ambiente hasta que los
cristales de formazán se disolvieron por
aproximadamente 30 min. Posteriormente se
realizó la lectura de densidad óptica (DO) con un
espectrofotómetro (Benchmark, Biorad) a una
longitud de onda de 570 nm. En una segunda
sesión de ensayos, se empleó la línea celular
osteoblástica humana SAOS-2 (ATCC, EE.UU) y
una línea de macrófagos humanos U937 (ATCC,
EE.UU). Las células de la línea SAOS-2 fueron
cultivadas en botellas de cultivo y puestas a crecer
72 h antes del ensayo, en incubadora a 37ºC y 5%
de CO2. El medio de cultivo fue preparado con 10%
de suero fetal bovino (SFB) y 90% de medio McCoy
(Sigma-Aldrich).
2.4. Ensayos mecánicos de compresión.
Las propiedades elasto-plásticas de los scaffolds
fabricados fueron evaluadas mediante ensayos
uniaxiales de compresión sobre las muestras
cilíndricas. Para ello, se empleó una máquina
electro-mecánica universal de ensayos (DIGIMESS,
USA), con una velocidad de la deformación de
5mm/min, límite en el desplazamiento de 50% y
carga máxima de 500 N.
Las células de la línea celular U937 fueron
cultivadas en medio RPMI en una botella de cultivo,
centrifugadas a 1.300 rpm durante 10min; luego se
recuperó el precipitado y se contaron las células,
adicionando una suspensión celular de 50.000
cel/ml, e incubando a 37ºC por 72 h. Las pruebas
de citotoxicidad y de morfología celular, se basaron
en el mismo protocolo antes descrito. Cada
muestra volumétrica de los scaffolds se sembró en
una suspensión celular de 500.000 células/ml, que
se incubaron 37ºC por 72 h. La viabilidad celular se
determinó mediante el método MTT, siguiendo el
mismo procedimiento antes expuesto. Las
muestras sembradas se llevaron a la incubadora a
37ºC por 72 h. Cumplido este tiempo, los
osteoblastos se fijaron sobre el material usando
glutaraldehido al 2 % y dejándolo actuar durante 12
h a una temperatura de 4ºC. Se prepararon
concentraciones de etanol en Buffer Phosphate
Saline, BPS, del 30%, 50%, 70%, 80%, 90% y
100%, para la deshidratación celular. Finalmente,
se llevó al secado a punto crítico, se metalizaron
con oro y fueron observadas por medio de un
microscopio electrónico de barrido (Jeol JSM6490LV).
2.3. Ensayos biológicos in vitro.
Para los ensayos de citotoxicidad y morfología
celular, se emplearon diferentes líneas celulares,
debido la potencial de los materiales utilizados para
diferentes aplicaciones de I.T. Dichas líneas se
utilizaron con el protocolo conocido como MTT para
la citocompatibilidad, descrito por Denizot y col. [18]
y adaptado por Echeverry y col. [19]. En una
primera sesión de ensayos, las muestras de
scaffolds obtenidos fueron cortadas y esterilizadas
en autoclave a 120°C. Para los ensayos de
citotoxicidad, en los pozos de cultivo se sembraron
células U2OS en monocapa, línea celular de
osteoblastos proveniente de sarcoma de hueso y
que crecen en medio de cultivo DMEM
suplementado con 10 % de SFB. También se
sembraron Macrófagos Peritoneales de Hámster
que crecen en medio RPMI suplementado con 10
% de SFB. Después se adicionaron 20 µl del medio
de cultivo a cada pozo y se incubaron los cultivos a
37°C. Pasadas las 72 horas de cultivo, se le
13
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Scaffolds de Quitosano, liofilización 3
Las variantes implementadas a esta ruta de
liofilización para quitosano arrojaron importantes
mejoras en el aspecto de los residuos secos. La
variación de concentración de quitosano (1% a
2%), pasando directamente del nitrógeno líquido al
liofilizador, permitieron eliminar casi totalmente los
problemas de división bifásica observada
inicialmente (Fig. 2a). Esto se convierte en otro
aporte metodológico importante, el cual no aparece
en los trabajos anteriores sobre scaffolds de
quitosano obtenidos por liofilización [20].
3.1. Procesamiento de las muestras.
Scaffolds de PLLA, liofilización 1
Inicialmente, se buscaba determinar la viabilidad
técnica y estructural de la ruta liofilización 1. Los
residuos sólidos obtenidos después del proceso de
liofilización 1 presentaron una división en dos
estructuras diferentes (Fig. 1): en la parte superior
se aprecia un residuo tipo lámina, mientras en el
fondo se observa una especie de espuma delgada,
por falta de emulsificación. Estos resultados son
consistentes con las dificultades reportadas en
trabajos previos [2].
Nuevamente, con esta sesión se buscaba
determinar la viabilidad técnica y estructural de la
ruta liofilización 2. En la Fig. 1 se presenta el
aspecto macroscópico de las muestras obtenidas a
partir del proceso de liofilización 2: el aspecto de
los residuos secos obtenidos es muy similar a los
observados a partir de la evaporación del solvente
en placas Petri. Estos resultados parecen indicar
que el secado se aproxima parcialmente al proceso
de evaporación del solvente.
Fig.1. Muestras de 5% p/v de PLLA sometidas al
proceso de liofilización 1 (b) y liofilización 2 (a).
Una vez observadas las limitaciones de las rutas 1
y 2, se buscaba implementar y validar nuevas
variantes. Los scaffolds de PLLA obtenidos a partir
de la sesión 1, por esta ruta de liofilización 3,
presentaron problemas de homogeneidad debido a
una mala sonicación reflejada en una evaporación
parcial del DCM, y en la estratificación de las fases.
Estos inconvenientes permitieron que las muestras
poco homogéneas se tradujeran en residuos secos
poco densos e irregulares, mientras que las
muestras más densas permitieron obtener residuos
secos cilíndricos y homogéneos similares a los
reportados en la literatura [17]. Para la sesión 2,
liofilización 3, se apreciaron resultados similares a
los de la sesión 1, con algunas mejoras poco
relevantes. De esta manera sólo los residuos secos
de mayor concentración presentan una tendencia a
liofilizar con una geometría cilíndrica y con cierta
homogeneidad; este es un hallazgo inicial
importante, no reportado hasta ahora en la
literatura. En la sesión 3, liofilización 3, la variación
en la sonicación consistió en llevarla a cabo
directamente al interior de los recipientes pequeños
que posteriormente serían congelados y liofilizados.
Fig.2. Muestras de quitosano obtenidas del proceso
de liofilización 3: a) Concentración de 1%,
congelación previa a -80°C; b) Concentración de
1%, sin congelación previa a -80°C (nitrógeno a
liofilizador, directamente); c) Concentración de 2%
(nitrógeno a liofilizador, directamente).
Fig.3. Muestras de quitosano obtenidas del proceso
de liofilización 3: Concentración de 1%, sin
congelación previa a -80°C (nitrógeno a liofilizador,
directamente).
La última variante implementada para la fabricación
de estos scaffolds de quitosano por liofilización,
consistió en mantener la mínima concentración,
14
pero esta vez con una sola muestra por recipiente
del liofilizador. Con esto último se buscaba hacer
más eficiente la eliminación del solvente durante la
liofilización, sin la existencia de obstáculos
asociados a la presencia de un excesivo número de
muestras por recipiente del liofilizador.
observadas a partir del análisis macroscópico. En la
Fig. 5 se confirma como estos scaffolds de
quitosano, que corresponden a las variables en la
Tabla 1, presentan una porosidad de diámetro
medio adecuado (93.8% de porosidad; diámetro de
poros: 254 ± 4.1 µm), uniformemente distribuida,
altamente
interconectada
y
con
la
tridimensionalidad requerida, según lo que se
acepta de trabajos anteriores [21-24].
3.2. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
de los scaffolds.
3.3. Ensayos mecánicos de compresión
uniaxial.
Scaffolds de PLLA vs. Scaffolds de quitosano
A pesar de la baja estabilidad estructural de los
scaffolds de PLLA a escala macro, en la Fig. 6 se
aprecia como los de mayor concentración (10% p/v)
presentan claramente una mayor rigidez y
resistencia mecánica. En el mismo sentido, dicha
tendencia se ve penalizada por su elevada
fragilidad. Este comportamiento mecánico permite
esperar que, en principio, el PLLA obtenido por
liofilización en este trabajo sea mejor candidato
para scaffolds de IT óseo, aunque su baja
ductilidad lo compromete para dicha aplicación.
Scaffolds de PLLA
El residuo seco obtenido en el fondo del recipiente
sometido a liofilización 1 (Figs. 1 y 4) ha presentado
interesantes características como candidato a
scaffold para IT de cartílago articular, ya que posee
una estructura flexible con una elevada porosidad
altamente interconectada. Sin embargo, es
evidente la necesidad de mejorar propiedades
mecánicas como rigidez y resistencia, sólo a partir
de la inspección visual. Para ello, se requiere la
optimización del proceso de liofilización y
evaluación del efecto de otros polímeros, sintéticos
y naturales, que permitan mejorar las propiedades
mecánicas antes mencionadas. También se deben
considerar otros emulsificantes más eficientes a
través de los cuales se logre un residuo seco
homogéneo. Cabe destacar la gran similitud que
presenta la Fig. 4 con scaffolds poliméricos para
cartílago obtenidos en trabajos anteriores, con
excelentes resultados de comportamiento celular
[21-24]. La estructura del scaffold obtenido a partir
de las condiciones de liofilización 2 está asociada a
un sólido poroso de alta rigidez con poros muy
grandes de poca interconectividad, como ya se ha
reportado en la literatura [21-24].
Fig. 4. Micrografía SEM del residuo seco obtenido a
partir del proceso de liofilización 1 de la muestra con 5%
p/v de PLLA (a, escala de 200 µm) y a partir del proceso
de liofilización 3 (b y c) de la muestra con alto contenido
de PLLA (mayor a 10 % p/v).
En la Fig. 4 se puede apreciar la morfología interna
de los scaffolds obtenidos por esta vía, ruta de
liofilización 3. En ella se ve que la estructura porosa
3D e interconectada es muy similar a la obtenida en
el proceso de liofilización 1, con una diferencia
fundamental en la estabilidad estructural como se
evidenció a partir del análisis macroscópico. El
mejoramiento en las características de los scaffolds
obtenidos por esta ruta es una consecuencia
directa de la mejor homogenización debida a una
mejor emulsificación; a pesar de esto, la persistente
separación de fases y baja estabilidad estructural
sugieren
la
necesidad
de
implementar
mejoramientos en la técnica. Los resultados
obtenidos con el protocolo de liofilización 3,
adaptado para los scaffolds de quitosano y
analizados por SEM, confirmaron las ventajas
Fig.5. Micrografía SEM de scaffolds de quitosano
obtenidos mediante la liofilización 3 (Tabla 1):
concentración de 2 % p/v, en diferentes zonas del
scaffold (a y b vistas superiores; c y d vistas internas).
15
Fig.6. Ensayos de compresión sobre los scaffolds de PLLA y de quitosano. Las curvas designadas con la
letra Q, denotan la realización de 5 ensayos de compresión al mismo tipo de muestras de quitosano.
Donde % CV es el porcentaje de células vivas, AC
es la absorbancia de control y AM es la
absorbancia de la muestra. Los resultados fueron
expresados como el porcentaje de células muertas
en el ensayo (Tabla 2) para las muestras de PLLA
obtenidas con los procesos de liofilización 1 y 2. El
promedio de las longitudes de onda emitidas por lo
pozos, sólo con presencia de células y del medio es
1,06 nm; el promedio de las longitudes de onda
emitidas por lo pozos, sólo con el medio es 0,69 nm
(longitud de onda del medio).
Por otro lado, la respuesta mecánica de las
muestras de scaffolds de quitosano presentan
regímenes de deformación bastante cercanos a la
idealidad para la IT de cartílago [20]: gran
flexibilidad y ductilidad; inicialmente elástico no
lineal y luego elástico lineal. Al comparar estos
scaffolds con la respuesta mecánica de un cartílago
nativo [6], es evidente la coherencia de este con la
respuesta a compresión de las muestras de
quitosano. Por tanto, desde el punto de vista de la
teoría de compuestos, estos resultados de
compresión sugieren la fabricación de scaffolds
híbridos, PLLA + quitosano, para equilibrar
propiedades de cara a la IT óseo como ya lo han
demostrado diversos autores [25], y que hace parte
de otra publicación de los autores [26].
Tabla 2. Resultados de la viabilidad y mortalidad de
las células U2OS* y las células macrófagos
peritoneales de Hámster en los scaffolds de
PLLA**.
3.4. Ensayos biológicos in vitro.
Citotoxicidad de los scaffolds
El porcentaje de citotoxicidad de las distintas
muestras fue calculado de acuerdo a la expresión
matemática:
(1)
16
Tabla 3. Resultados de citotoxicidad presentando el
porcentaje de células vivas de Saos-2 y U937. El
control corresponde a las células cultivadas en
pozo de cultivo. El blanco corresponde al medio
citotóxico, preparado según lo descrito en la
metodología.
quitosano, superiores a 100%, pueden ser la
consecuencia de una degradación parcial del
material.
Interacción células/scaffolds
En la Fig. 7 se observan osteoblastos de la línea
SaOS-2 con diferentes niveles de actividad y
adhesión. Se evidencia el diferente comportamiento
celular con respecto a los scaffolds fabricados con
cada biopolímero: sobre el PLLA se aprecia que las
células no forman una monocapa compacta y
poseen morfologías aplanadas, con escasos
filipodios (prolongaciones citoplasmáticas de
pequeño diámetro) y poca actividad dorsal. Aunque
estas muestras son biocompatibles, su estímulo al
comportamiento biológico es suficiente para una
buena adhesión de los osteoblastos sobre el PLLA
[21-24]. La poca adhesión celular sobre el PLLA
observada en la Fig. 7 es una primera validación de
la importancia del material en el comportamiento
celular en contacto con los scaffolds.
Para calcular el % de viabilidad de cada pozo de la
placa de cultivo, se aplica la ecuación (1). Los
datos de las longitudes de onda que se alejan
mucho del valor 1,06 nm no se tienen en cuenta, ya
que demuestran que en ese pozo hay un mayor
crecimiento celular.
En la Fig. 7 se aprecian las morfologías celulares
de osteoblastos cultivados sobre los scaffolds de
quitosano. Las imágenes evidencian la diferencia
en la formación de una compacta monocapa de
células, contrario a lo observado sobre los scaffolds
de PLLA. Aunque en algunas zonas se distingue
una morfología similar a los osteoblastos sobre el
PLLA, las células exhiben un íntimo contacto con el
material, a pesar de presentar poca actividad
dorsal.
Analizando los resultados de los porcentajes de
viabilidad (ver Tabla 2) se infiere que entre el 70% y
el 80 % de los macrófagos sobreviven en los
materiales analizados. La diferente viabilidad
observada entre las células de osteosarcoma y los
macrófagos puede estar asociada a que cada una
de estas líneas puede responder de manera
diferente a un solido poroso biocompatible y
polimérico [19]. Esto debe ser verificado en un
estudio futuro. Adicionalmente, se debe tener
presente que estos materiales son para uso en IT y
que la citotoxicidad que deben presentar debe ser
nula, correspondiente a un porcentaje de viabilidad
cercano al 95 % ó mayor. Para explicar estos
resultados de aparente citotoxicidad se debe tener
en cuenta que estos polímeros (PLLA) son
materiales de biocompatibilidad garantizada por las
casas proveedoras.
Otro
factor
importante
es
la
elevada
interconectividad de los poros la cual permite que
las células sedimenten en el fondo del recipiente..
En lo que respecta a la citotoxicidad de los
scaffolds de PLLA procedentes de la liofilización 3,
en la Tabla 3 se resumen los resultados en
porcentaje de células vivas. Como puede
apreciarse, hay una dificultad de interpretación
evidente por las diferencias entre ensayo y replica.
Los valores correspondientes a los scaffolds de
Fig. 7. Comportamiento de los osteoblastos (SaOS2) en contacto con scaffolds de PLLA (a y b) y en
contacto con scaffolds de quitosano (c y d).
17
5. AGRADECIMIENTOS
Para la muestra con mayor concentración de
quitosano, es posible observar morfologías más
compactas, algunas de ellas con pocos filipodios y
una actividad dorsal limitada, en íntimo contacto
con el scaffold; otras presentan algunas
extensiones
citoplasmáticas
(filipodios
y
lamelipodios), en contacto con células vecinas.
Los autores quieren expresar sus agradecimientos
al CODI de la Universidad de Antioquia por la
financiación de este trabajo según código MC-0701.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
4. CONCLUSIONES
[1] Park, J. B., Biomaterials: principles and
applications, Bronzino, J. (Ed.), CRC Press,
Estados Unidos, 2003.
1. La evaluación morfológica, mecánica y biológica
de los scaffolds de PLLA y de quitosano, ha
permitido destacar los siguientes aspectos
relevantes:
Las iteraciones del proceso de liofilización para la
fabricación de scaffolds de PLLA y quitosano para
IT de cartílago y hueso nos permitieron optimizar
las condiciones de procesamiento para garantizar
la
reproducibilidad
de
sólidos
cilíndricos
tridimensionales, con buena distribución de
porosidad, interconectada, de diámetros adecuados
para IT, con la estabilidad estructural requerida.
Una vez optimizadas las condiciones de
procesamiento asociadas a la liofilización, el
quitosano ha mostrado las mejores características
para la aplicación en IT.
[2] Dietmar, W. Scaffold design and fabrication
technologies for engineering tissues — state of the
art and future perspectives, Journal of Biomaterials
Science, Polymer Edition, 12,107–124, 2001.
[3] Planell, J.A., Navarro, M., Altankov, G., Aparicio,
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[4] Biggs, J.P., Geoff R., R., Dalby, M.J.,
Nanotopographical modification: a regulator of
cellular
function
through
focal
adhesions,
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and
Medicine, 6, 619–633, 2010.
2. El estudio de las propiedades mecánicas elastoplásticas a compresión uniaxial de ambos tipos de
scaffolds poliméricos ha mostrado dos tendencias
claramente opuestas, pero que pueden ser
complementarias de cara a la fabricación de
scaffolds híbridos; los productos cilíndricos
obtenidos de PLLA muestran mayor rigidez y
resistencia mecánica, con mayor fragilidad
asociada, siendo más adecuado para reemplazo de
hueso. Por otro lado, las muestras de quitosano
presentaron una respuesta más de tipo elástico-no
lineal, con baja resistencia mecánica e hiperelasticidad.
[5] Deligianni, D. D., Katsala, N. D., Koutsoukos, P.
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N., Tateishi, T., Tanaka, J. Evaluation of PLLAcollagen hybrid sponge as a scaffold for cartilage
tissue engineering, Materials Science and
Engineering: C, 24, 365 – 372, 2004.
3. El comportamiento biológico de ambos scaffolds
poliméricos, en cuanto a citocompatibilidad e
interacción célula/material, muestran el potencial
que ambos tienen para ser utilizados en IT, como
se ha reportado ampliamente en la literatura. Sin
embargo, es destacable el mayor estímulo que
produce el scaffold de quitosano, expresado en el
mayor contacto íntimo células/scaffolds, adhesión,
e interacción global a través de un mayor número
de filipodios y lamelipodios, con los diferentes tipos
de líneas celulares humanas estudiadas.
[8] Cui, L., Wu, Y., Cen, L., Zhou, H., Yin, S., Liu,
G., Liu, W., Cao, Y. Repair of articular cartilage
defect in non-weight bearing areas using adipose
derived stem cells loaded polyglycolic acid mesh.
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synthetic biodegradable polymers, J Biomed Mater
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reinforced with PLLA micro and nanoparticles by
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tissue engineering. Elsevier Academic Press. 2007.
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mediante ensayos biológicos de Ti c.p. y Ti6Al4V
anodizados [MSc Thesis]. Medellin: Universidad de
Antioquia, 2012.
19
20
QUALITY MODEL FOR SOFTWARE DEVELOPMENT PYMES
LOCATED IN THE VALLE DE ABURRÁ METROPOLITAN AREA
1
2
3
María Nelcy González Ramírez , Adriana Xiomara Reyes Gamboa , Julián Andrés Henao M.
1
Informatics Engineer, Professor in Tecnológico de Antioquia, Cll 78B No 72A-220, Medellín, Colombia.
Email: [email protected]
2
M.Sc, Ph.D(c), Professor in Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, carrera 48 No 7-153, Medellín,
Colombia. Email: [email protected]
3
Informatics Engineer, Tata consultancy services, Carrera 52 # 14-30 Of. 331. Medellin- Colombia, Email:
[email protected]
ABSTRACT
The purpose of this article is to showcase a research project (Quality Model for Software Development
Pymes Located in the Aburrá Valley Metropolitan Area), and to present the resulting Quality Model, intended
to support PYMES that develop software and are located in the Aburrá Valley Metropolitan Area. Many
important models were analyzed for its development, such as MoProSoft, TST/PSP, Mosca, CMI, CMMI,
from which the best practices were extracted. Additionally, important concepts were taken into account, such
as Quality Models, Process Management, Development Processes, and Project Management. This quality
model aims serve as a basis for small companies by supporting their software development teams, improving
their performance and effectiveness in project elaboration.
Key Words: Software, Software Development Process, Quality Models, Software Quality
Received: April 15th, 2014.
Accepted: November 13th, 2014.
Aceptado: noviembre 13 de 2014.
ABSTRACT
MODELO DE CALIDAD PARA PYMES DESARROLLADORAS DE SOFTWARE UBICADAS EN EL ÁREA
METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRÁ
Mediante este artículo se desea mostrar el proyecto de investigación (Modelo de Calidad para PYMES
Desarrolladoras de Software ubicadas en el Área Metropolitana del Valle de Aburra) se presenta un Modelo
de Calidad que busca servir de apoyo a las Pymes desarrolladoras de software del Área Metropolitana del
Valle de Aburra. Para su creación se realizó un análisis de modelos importantes como: MoProSoft,
TST/PSP, Mosca, CMI, CMMI, de los cuales se toman como base las mejores prácticas. De igual manera se
analiza conceptos importantes como Modelos de Calidad, Gestión de Procesos, Metodologías de Desarrollo,
Gestión de proyectos. Este modelo de calidad busca servir de base a las pequeñas empresas, creando
apoyo a los equipos desarrolladores de software mejorando su rendimiento y efectividad en la elaboración de
los proyectos.
Palabras clave: Software, Metodologías de desarrollo, modelos de calidad, calidad de software.
21
1. INTRODUCTION
Project management
Project management [2] is in charge of all Integrated
Project Direction techniques, of the need and
importance of applying these techniques both for
priority programs and projects, and for business
development. A good Project management requires
an initial investment of time and effort, the
company’s disposition to give them support in a
disciplined manner, and the determination to break
any disorganized working pattern to adhere to a
new project methodology responsibly.
Software Engineering, alongside many different
communication technologies, has become a very
influential factor, not just for business, but for
communication between people and companies.
Currently, software development PYMES (Small
and Medium Companies), have become an
important economic factor for the state of Antioquia.
The software development market has quickly
positioned itself as a part of our cultural
development. The majority of the small companies
have been based on development processes, but
they have not adopted quality models because of
the cost that this represents, thus creating the need
to define a quality model for small companies based
on the best practices of successful models for large
companies, but with fewer costs and a due
contextualization for our region.
When you solve problems with a project-centered
approach, a new work culture arises that differs
from the traditional culture the company is used to,
and a new figure emerges to lead in the solution of
the denoted problem: the project manager. In other
words, the project becomes an autonomous entity,
governed by its own design and dependent on its
own budget.
The objective is to implement the right quality
model, which can be adapted to the company’s
processes and needs, allowing them to deliver high
quality software products to their current customers
and fan out towards more potential customers.
Project management guarantees that problems will
be solved quickly, that resources will not be wasted
and that they will avoid the chaos that results from
working in areas outside the project’s reach.
It also focuses on escaping future risks before
problems arise. It strives to handle the expectations
and
communications
between
customers,
collaborator, and interest groups in a more effective
way. Finally, it seeks to create products of the
highest quality from the start and to finish projects in
time.
It is necessary to structure all the elements that
comprise the Quality Framework in a way that can
be controlled, and that insures all the processes
related to quality, by validating a prototype in an
existing Pyme and taking samples of the results.
Software Development Processes
Development Processes [3] teach us that software
development is not an easy feat. Many
methodologies that influence different dimensions of
the development process can be found nowadays.
We have more traditional options that center on
process control by rigorously establishing activities,
artifacts, tools and notations that will be used.
These options have proven to be effective and
necessary for many projects, but they have also
had problems in other projects.
2. MATERIALS AND METHODS
Process Management in Software Development
Companies
As for process management [1], every company
that develops software has to remember that are in
the field of software, and that the model that they
choose to apply for development and maintenance
processes has relevant implications in the business’
general efficiency.
The people who are in charge of implementing
more efficient methods may encounter issues if they
become disoriented with the excessive supply of
current quality models, process models and working
techniques, or if they implement the first model they
come across without an adequate preliminary
investigation of the company’s needs and
requirements.
One possible improvement would be to include
more activities, artifacts and restrictions in the
processes, based on the weak points they have
detected. However, the final result would be an
even more complex development process that
could limit the team’s ability to carry out the project.
Another approximation is to focus on other
elements, such as the human factor or the software
product. This is the core of agile development
22
processes, which give more importance to the
people involved, to the collaboration with the
customer and to the incrementing development of
the software through short iterations. This approach
has had been very effective in projects with
changing requirements and when you need to cut
back development time drastically while maintaining
a high quality perspective.
• Software metrics for project control
• Software verification and validation throughout
its lifecycle
• Inclusion of tests and process revisions and
inspections
• Software configuration management
Software Product Quality
Producing high quality software products [5] should
be the main concern of the software development
team, as you can observe in Figure 2.
However, a few points should be taken into
account:
Agile Development Processes have revolutionized
the way that software is created, and have launched
a wide debate between its adepts and its skeptics,
because many don’t consider them a real
alternative to traditional Development Processes.
Software Quality
Software Quality [4] states that the quality of the
software results from planned and systematic
activities that make the (software) product reliable,
and that it satisfies the quality requisites observed
in Figure 1.
Fig. 2. Quality Regulations in the TIC (Information
and Communication Technologies) Industry
• Software products are created by people, for
people. As such, developers must take into account
that people who make mistakes constantly are the
ones who are going to be using their product. This
is why software development assistants aren’t
reliable enough to replace a human hand in the
development process. Software development is
subject to many factors that can make it unreliable.
• Many people consider that quality is exclusive to
the product, and that it can only begin to be
considered when you begin to program. However,
the concept of “Quality” includes many factors that
come before this stage, and attention must be paid
to them as well.
Fig.1. Software Quality System
The assurance of software quality lies in:
• Tools and methods for analysis, design,
programming and testing
• Formal technical inspections through every step
of the software development process
• Multiple-scale strategies
• Controlling software documentation and any
changes that have been made
• Procedures that focus on adjusting to standards
(and determining when the product is not adjusted
to them)
• Mechanisms for metrics
• Registering audits and writing reports
• Activities that insure the software’s quality
Accordingly, the quality that a software product can
have is directly related to how each of the stages in
the product lifecycle is carried out, starting from the
definition of the idea all the way to the delivery and
maintenance. Therefore, delivering a high quality
product requires activities such as the following:
• Quality Management, making sure the
differences between the designated budget and the
budget that is actually used in the different stages.
23
These resources cover staffing, equipment and
development times.
• The efficient use of Software Engineering, and
development tools and processes.
• The use of formal techniques throughout the
entire process.
• The reduction of variations between products by
diminishing the differences and defects between
versions.
• Rigorous testing in the different stages of the
development process.
• Controlling both the support documentation and
the documentation presented to the customer
during every stage and verifying the possible
changes.
• Providing the proper maintenance and post-sale
services.
However, we do encounter a change in paradigms,
such as when agile development processes started
to take off in the early 90’s, as opposed to its
sisters, the traditional “heavier” processes that
prevailed.
This radical change in approaches was brought on
by the endemic problems (recurrent problems) in
software development:
• The requirements are never clearly defined
before the project begins.
• Users only understand what they want after
seeing an initial version of the product.
• Requirements change frequently during the
project’s development phase.
• The use of new tools and technologies (that
have not been used before) make an a priori
definition of the best work strategies very difficult.
Development Processes
Different development processes [6] have many
things in common. These elements have a common
basis, but they are presented in different ways and
under different names, which is why they seem to
be referring to different things when, in reality, they
only change the way they represent information and
have different emphases on different elements, as
can be observed in Figure 3.
This is the main difference between both
development processes:
• Traditional processes highly emphasize the
project planning phase, in having everything well
specified before the start, following the plan
precisely and documenting everything rigorously.
• Agile processes place their emphasis on
delivering good coding to the customer, and on
delivering results that satisfy them, by constantly
adapting to their changing needs.
Fig. 3. Software development processes
24
Dynamic
Systems
Development
Method
(DSDM): Defines the framework for the
development of a software production cycle.
In the words of the creator of agile methodologies:
(extracted
from
their
manifesto
“Agile
Development”):
• People and interactions vs. processes and tools.
• Software
that
works
vs.
exhaustive
documentation.
• Customer help vs. contract negotiation.
• Response to changes vs. following the plan.
Adaptive Software Development (ASD): Its main
characteristics are: iterative, software-componentoriented (not task-oriented), and tolerant to
changes. The lifecycle has 3 main phases:
speculation, collaboration, and learning. During the
first phase, the project begins and the software
features are planned; during the second phase, the
features are developed, and during the third phase,
the quality is revised and it is delivered to the
customer.
However,
this
doesn’t
mean
that
agile
methodologies completely abandon established
tools and procedures, or that they abandon
discipline. It only means that they use them in a
more flexible way, as tools that bring “a little order
to the chaos they face”. The main point is to obtain
good results, not in doing things perfectly.
Feature-Driven Development (FDD): An iterative,
5-step process. The iterations are short (up to 2
weeks long). Its focus is on the design and
implementation of the system based on a list of
features that the software must have.
Agile development processes:
Agile development processes [7] are adaptive, not
predictable. On the other hand, traditional
development processes enable the planning of the
entire long-term development process in a detailed
manner. However, when something changes,
everything the team planned can crumble;
meanwhile, agile development create processes
that adapt to circumstances and evolve with
changes, even changing the team because agile
development is more human-centered than
process-centered. They work with the nature of the
people assigned to the project instead of against it,
allowing software development tasks to become
fulfilling and interesting. Some of these agile
development processes have been successfully
used, but they lacked diffusion and recognition.
Lean Development (LD): Defined by Bob
Charette’s
experience
with
the
Japanese
automotive industry during the 80’s and used by
many telecommunication projects in Europe.
Comparison between Agile and Traditional
Processes
In Chart 1, the main differences between agile and
traditional processes (regrettably called not-agile or
heavy) can be observed [9].
The Software Industry in Colombia
The Colombian software industry [10] has
acknowledged that, although high-quality software
was needed, they never made an effort to insure
that our industry generates products that allow us to
compete in international markets. In the past
decade, the Colombian Software Industry has
improved its position internationally. “Despite these
efforts, this area barely contributes between 1.5%
and 2% of the Gross domestic Product. In 2009, the
industry grew 7.7% in comparison to Latin
America’s growth of 8.9%, and though these figures
can be improved, it is necessary for companies to
invest in the TIC (Information and Communication
Technologies) area. Using the software industry
diagnosis carried out by Vive Digital, Colombia
could develop its IT and BPO&O (Business Process
Outsourcing & Offshoring) sectors by committing to
a long-term program that allows significant barriers
to be removed in different sectors. On a global
Process Revision
Every process has [8] special characteristics that
highlight certain specific elements:
Scrum: A project management framework that has
been used successfully for the past 10 years. It is
especially appropriate for projects with fastchanging requirements. Its main features are: 30day sprints of iterative software development;
Meetings throughout the entire project, including a
daily 15 minute meeting with the development team
for coordination and integration.
Crystal Methodologies: A set of development
processes characterized by being based on the
people who make up the team (the success of the
project depends on them) and on the reduction of
produced artifacts.
25
scale, the TI Industry is about US$900,000, and
grows at an approximate yearly rate of 7%.
institutions, manufacturing industry and finally,
PYMEs, which have shown great dynamism in the
increase of software-oriented expenses.
Chart 1, Differences between agile and traditional
Development Processes.
Agile Processes
Traditional
Processes
Few artifacts.
Modeling is
expendable, models
are disposable.
Fewer, more generic,
flexible roles.
There isn’t a
traditional contract,
it’s very flexible.
The customer is part
of the development
team, in situ.
Mostly used for
smaller projects.
Short (or with
frequent deliveries),
small teams (< 10
members) working in
the same place.
Architecture is
defined and improved
throughout the entire
project.
Emphasizes human
aspects: the
individuals and
teamwork.
Based on codeproduction heuristics.
More artifacts.
Modeling is essential,
models are preserved.
Changes are expected
during the process.
Agile development
process
Few artifacts.
Modeling is
expendable, models
are disposable.
Correspondingly, you can observe an increase in
companies that are certified in the CMMI
International Standard, supported in this process by
SENA, COLCIENCIAS and Proexport, among
others.
Likewise, reports that in April 2011, there were a
total of 37 companies certified in the IT Mark Model.
To strengthen the CMMI Certification Program, on
April 18th 2011, FEDESOFT and SENA had an
open call for their TSP/PSP Certification Program
for development companies that were part of the
FEDESOFT Federation. Actions like these
contribute to promote the use of high-quality
Software development processes.
More, highly specific
roles.
There is a fixed
contract.
The customer interacts
with the development
team during meetings.
Used in projects of any
size, but most effective
for bigger projects with
a more disperse team.
The Colombian case
In Colombia [11], ParqueSoft is one of the main
Latin American information technology service
providers. It has worked with around 300
companies, which means more than 1000
specialized professionals in the information
industry. Its greatest potential lies in research, and
software development and business innovation.
It suggests that the
architecture be defined
early in the project.
Another successful Colombian case in the software
sector is PSL Software Producer, which received
the IEEE/SEI Software Procesos Achievement
Award in May 2006. As such, there are other
companies that stand out because of the quality of
their services, such as Ofimática and Compuredes,
both located in Medellín.
Emphasizes process
definition: roles,
activities, artifacts.
Based on
development
environment
standards.
No high-impact
changes are expected
during the project.
Traditional
development process
More artifacts.
Modeling is essential,
models are preserved.
However, things could improve significantly for the
Colombian Software Industry, which remains
imperceptible in National and International
Contexts.
• While Oil has a participation 26% greater than
Software, and carbon has a participation 12%
greater than Software. According to a report by the
Spanish Embassy’s Economic and Commercial
Office, the 188 software companies in Colombia
can be allotted into one of these 4 categories:
a)
b)
c)
d)
In order of importance, these are the sectors where
the Colombian market has found niches:
telecommunications, financial areas, government
26
Software Developers
Information Product distributors and retailers
Internet service and Access providers
Hardware producers
3. RESULTS
Level 4: Arranged
In the 4th level of maturity, you have companies
that have perfected their analysis of the projects
they have carried out, and have institutionalized
them as processes that measure their development
ability quantitatively, so that they can predict results
and evaluate improvements in an objective,
measurable way.
Quality Models
Seven quality models currently used in other
countries were analyzed.
CMI: Maturity Model for software development
capacity, as you can observe in Figure 4.
The model [12] is phased according to the concept
of maturity, which defines 5 levels or steps to qualify
an organization’s maturity.
Level 5: Optimized
Organizations in Level 5 have continual
improvement processes that have been thoroughly
defined and applied, and these processes are
continually nurtured with the information the
organization receives in the processes described in
Level 4.
Level 1: Initial
Companies that don’t base their development on
defined processes and don’t apply project
management techniques. It refers to chaotic
environments with heroic programming, whose
results are unpredictable and depend exclusively on
the people.
This model is both a guide to improve the institution
and a set of criteria to evaluate its current level.
While CMI centers these two dimensions of maturity
on organization, CMMI introduces another
dimension: process capacity, which can be used to
guide improvement activities and to evaluate
organizations.
Level 2: Repeatable
Defines
organizations
that
apply
project
management techniques, even if they don’t have
defined processes.
CMMI:
CMMI
(Capability
Maturity
Model
Integration) Product Suite [13] seeks to continually
improve the process and product quality of an
organization, and it leads the organization towards
this goal by establishing maturity levels: Initial,
Arranged, Defined, Quantitatively Arranged &
Optimized.
Level 3: Defined
Organizations that have precise, defined processes
they execute regularly. Companies at this level
examine the experience they have in the projects
they carry out and apply the lessons they have
learned to improve their processes.
Fig. 4. CMI System
27
Level 4.
Arranged:
Process
execution
has
been
institutionalized in the company, and has an
objective, quantitative system for measuring its
capacity.
Level 5.
Optimized: Organizations with a Level 5 maturity
have defined, continual improvement processes
that they nurture with the quantitative information
described in Level 4.
MoProSoft
MoProSoft [14] states that the Mexican software
industry intended to apply this norm to its Software
Industry, which is mostly comprised of small and
medium companies. It is a model based on the best
practices observed internationally. It intended to be
simple and easy to apply, and to be adopted without
major costs. It was also conceived to help
companies achieve good evaluations in other
quality models such as CMMI (Capability Maturity
Model Integration).
Fig. 5. Analysis of the application of the CMMI
Software Quality Model.
The MoProSoft Model is directed towards software
development and maintenance areas, as you can
observe in Figure 6.
These levels allow the organization to describe a
path of evolution, which is ideal for companies that
wish to improve its development and maintenance
processes for its services and products. As you can
observe in Figure 5, the levels can also be the
result of evaluation activities. These evaluation
activities can be applied to small companies or to
groups within a bigger company (such as a group of
projects or an area of the company.
Superior Direction Category (DIR)
A process category concerned with Superior
Direction
practices,
related
to
business
management.
It
provides
guidelines
for
Management levels and its feedback is the
information generated by them.
CMMI has two improvement methods. One allows
the company to increasingly improve the individual
processes from the area the company selected. The
other method allows the company to improve a set
of related processes by treating the increasing
successive levels of the process.
Management Category (GER)
A process category that covers process
management practices, projects and resources,
according to the guidelines of the Superior Direction
Category. It provides the necessary elements for
the Operations Category, receives and shares the
results with the Superior Direction Category.
Level 1.
Initial: The process is carried out, and some
previously identified aspects of the products are
transformed.
Level 2.
Repeatable: The process is executed in the same
controlled way.
Level 3.
Defined: The process is defined and always
executed in the company.
28
Level 3
Established: A process is carried out and managed
using a defined process based on the best practices
for Software Engineering. In this level, the basic
elements of a standardized process are determined,
including
adjustment
guides,
determining
sequences and the interaction of the standardized
process with other processes. There is also a
quantitative understanding of process capacity and
the improved ability to predict and manage
performance.
Level 4
Predictable: It has defined processes that are
implemented within the control limits established to
attain previously defined process goals.
There is also a quantitative understanding of
process capacity and the improved ability to predict
and manage performance. In this level, the process’
information needs are established according to
applicable business aims (the quantitative aims of
the project).
Fig. 6. General structure of the MoProSoft Model
Operations Category (OPE)
A software development and maintenance process
category. It carries out activities according to the
elements provided by the Management Category
and turns information in to them. The MoProSoft
Capacity Levels are taken from the ISO-IEC 15504
norm.
Level 5
Optimized: The process is optimized according to
the business’ current and future needs. Quantitative
performance and efficiency goals are established
according to the organization’s objectives.
Optimization is carried out by studying and adopting
new, innovative ideas or with new technological
products that enhance the defined process.
Level 0
Incomplete: The process is not implemented, or it
doesn’t achieve its purpose. Products or process
results are not easily identified.
IT_MARK
Level 1
Completed: The purpose of the process is achieved
on general terms, though it is not rigorously planned
or carried out. There are some identifiable products
that evidence the achievement of the project’s
goals. The process is managed the deliverables are
the result of specific, planned, continuous
procedures, with quality, time, and resource
requirements.
Level 2
Arranged: The process is arranged and the
deliverables are the result of specific, planned,
continuous procedures, with quality, time, and
resource requirements.
The goals of the process are easily identified,
process performance is planned and supervised,
and the responsibilities and authorities for each
process are assigned and communicated.
Fig. 7. IT_MARK Quality Model
The main objective of the IT_MARK Quality Model
[15] is to provide a quality seal to small and medium
software companies. It also seeks to improve the
29
organizational effectiveness and the organization’s
market success through the improvement of its
processes, as can be observed in Figure 7. The
service identifies strengths and weaknesses, and
discovers what areas may be improved according to
business objectives. It is the first International
Quality Model designed specifically for small and
medium companies. It is a scalable model that
applies to small and micro companies in the
Information and Communication Technology sector.
It has three perspectives:
contextual aspects, such as the model’s partial
quality, and Callaos’ System Quality. This model
integrates the above models to guarantee guality.
Its levels are the following:
Level 0
Dimensions: The internal aspects of the process,
the contextual aspects of the process, the internal
aspects of the product, and the contextual aspects
of the product, are the four dimensions of the model
prototype. Only a good, balanced interrelation
between them guarantees the global systemic
quality of a company.
A. General Management of the company, according
to the 10-squared model, which studies 10 process
areas such as strategy, commercial, financial,
product
and
service
definition,
market
understanding, marketing, etc. to obtain an
exhaustive vision of the company.
Each of these categories takes into account 10
aspects (some of them critical) that have something
to do with the company’s state of development:
Seed, Start-up, Development or Expansion.
Level 1
Categories: Eleven (11) categories are taken into
account: six (6) relate to the product and the
remaining five (5) relate to the development
process. This division does not mean that these
aspects are not related; it is only used to identify
what area or sub-model they belong to.
Level 2
Characteristics: Each category has an associated
set of qualities which define the key areas that need
fulfillment to achieve, insure, and control the quality
of the product and the process. The characteristics
for each product category include a series of
process characteristics.
B. IT_MARK’s Information Security, based on norm
ISO/IEC-17799:2005, defines several levels: the
organization’s security, responsibilities, legal
requirements (such as the protection of personal
data, etc.), and the necessary security controls that
are required, has made it necessary that security
management become a standardized process
within the organization. Continuing improvement of
the Information Security Management System.
Level 3
Metrics: A series of metrics are proposed for each
characteristic,
and
they
measure
quality
systematically.
C. Software and System Development Processes
and the core of the model are based on CMMI.
Characteristics of the software development
process have a direct impact on product categories.
The quality of the finished product is greatly
influenced by the quality of its development
process. However, each category in the product
model
depends
specifically
on
certain
characteristics of the process model, which would
mean that if all these characteristics were
completely fulfilled during the product development,
the product will fulfill at least a some of the quality
levels.
IT_MARK
is a Quality Model based on the CMMI. Its levels
are either Elite, Premium or Unused. It is the first
International Quality Model designed specifically for
small and medium companies. It is a scalable
model that applies to small and micro companies in
the Information and Communication Technology
sector.
Systemic Model for Quality (MOSCA)
This model [16] is based on:
 Quality Model for a software product with a
Systemic focus.
 Quality Model for a software process with a
Systemic focus.
Process characteristics influence:
1) Software Product Functionality.
2) Software Product Reliability.
3) Software Usability.
4) Software Sustainability.
5) Software Product portability.
Some of the characteristics that this model takes
from other Quality Models are: internal and
30
PSP (Personal Software
Software Process)
Process) TSP (Team
Characterization of current quality models
through the analysis and selection of the best
practices that can be applied to the proposed
model.
The following chart shows a comparison between
the processes used by some current models, the
type of processes they are used in, and the types of
processes they are not used in.
The CMMI Quality Model specifically takes into
account the maturity of the organizations in their
software production processes. On the other hand,
PSP is a series of organized and disciplined
practices for time management and the personal
productivity improvement of the programmers or
software engineers in development tasks and
system maintenance. It is aligned and designed to
be used by organizations with CMMI or ISO 15504
process models.
Fig. 8. PSP (Personal Software Process)/TSP
(Team Software Process)
TSP/PSP [17] is a model designed to help software
engineers do their job better. It shows how to apply
advanced engineering methods to their daily tasks,
offering them detailed planning and estimation
methods, teaching them how to optimize their time
and increase their performance, as you can observe
in Figure 8.
Similarly,
TSP
integrates
high-performance
software development teams by following a set of
structured processes that indicate what to do in
every stage of the development process to
construct an organized finished product. The
MOSCA quality model focuses on internal and
contextual product aspects and internal process
aspects.
Level 1
Personal measures: It includes stages PSP 0 and
PSP0 1. In stage PSP 1, the development
personnel take elementary measures concerning
current processes. They estimate the development
time and the number of defects in the programming.
Task PSP0 1 standardizes the coding and coding
evaluation processes.
Finally, the IT_MARK model studies the technical
and business processes and it is specifically
designed for PYMES in the IT sector to measure
their Excellence in Information Technologies. We
can also say that it is a key service designed for
PYMES which helps position them through a
continuing, sustainable improvement.
Level 2
Personal Quality: It incorporates stages PSP1 and
PSP1.1. PSP 1 makes reference to personal
planning. It introduces the estimation of resources
and software size. In stage PSP1.1, the schedule is
defined and the tasks are planned.
A comparison between the characteristics of
PYMES’ Processes and the Quality Models that
were analyzed is shown in Table 1.
Level 3
Cyclic personal process: it refers to stages PSP2
and PSP2.1. PSP2 consists of personal quality.
During this phase, the coding is revised to correct
mistakes. Stage PSP2.1 introduces techniques for
design specification and verification.
Level 4
Continuing improvement [18]: it refers to stage
PSP3, which combines multiple processes from
PSP2.1 in a cyclic way, to uphold larger scale
development projects. (Hayes 1997).
31
Process
Characteristics
Measurement and Analysis
Cause Analysis and Solution
Configuration Arrangement
Analysis Decision and Solution
Integrated Management Project
Measurement and Analysis
Organization Innovation and Deployment
Organization Process Definition
Focus on Organization Processes
Organization Process Performance
Organization Training
Project Monitoring and Control
Project Planning
Product process and Quality Assurance
Product Integration
Quantitative Project Management
Requirements Management
Development Requirements
Risk Management
Provider Management
Solution, Validation and Verification
Defect Prevention
Change Management Technology
Change Management Process
Qualitative Software Management
Training Program
Product Engineering Software
Group Integration Coordination
Paired Revision
Quality Control Software
CMMI
PSP
TSP
MOSCA
IT MARK
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4. DISCUSSION
Operations Category
• Revision
• Group coordination and integration
• Solution, validation, verification
• Finished product
The selected processes for the creation of the
Quality Model were taken from other models after
analyzing the activities and characteristics of the
PYMES from which they were selected:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
The model was elaborated with these processes,
seeking to become a new resource that can be
applied and used for a better use of time and
resources, creating more profitable products.
Management Category
Resource management
Process monitoring and control
Project management
Organizational training
Software development and training
Organizational process approach
Requirement management
Changes management
PYME Software Project
The implemented model is shown in Figure 9.
32
5. CONCLUSIONS
6. ACKNOWLEDGEMENTS
Through
this
research
project,
several
characteristics and relevant aspects of PYMES
have been identified, which will help make decisions
that favor the service provision ability of a PYME.
This article is the result of a research project named
“Quality Model for software developing PYMES
located in the Metropolitan Area of the Aburrá
Valley”. The authors thank the institution and
Politécnico Jaime Isaza Cadavid Project Evaluation
Committee for their valuable contributions, which
helped to continuously improve this project.
Every small company must take certain guidelines
into account to improve personal, economic and
business performance.
A research project is a long, arduous process that
helps reinforce what was learned during the
university course.
Fig. 9. Implemented model.
7. BIBLIOGRAPHY
[1] BECK, Katia. "Extreme Programming Explained.
Embrace
Change", Pearson Education, 1999.
Traducido al español como: "Una explicación de la
programación extrema. Aceptar el cambio", Addison
Wesley, 2000.
[3] CÁCERES, P.Y. Marcos, E. Procesos agiles
para el desarrollo WEB. Departamento de Ciencias
Experimentales e Ingeniería
Universidad Rey Juan Carlos. Madrid. España.
2001.
[2] BOEHM, B. y TURNER,R. Balancing Agility and
Discipline, Addison Wesley, 2004.
[4] DÍAZ, José Ramón. Las metodologías ágiles
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33
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34
para
el
Revista Politécnica ISSN 1900-2351 (Impreso), ISSN 2256-5353 (En línea), Volumen 10, Año 10, Número 19, páginas 35-45, Julio-Diciembre de 2014
SISTEMA DE MONITOREO REMOTO VÍA INTERNET CON
GENERACIÓN DE INDICADORES DE PRODUCCIÓN PARA
PROCESOS AUTOMATIZADOS
1
2
3
Santiago Escudero Restrepo , Mauricio Merino Pérez , Rubén Darío Vásquez Salazar
1
Ing. en Instrumentación y Control, Fantasía del Agua S.A.S Cll 29C #55-108 Medellín- Colombia.
E-mail: [email protected]
2
Ing. en Instrumentación y Control, estudiante de maestría en sistema mecatrónicos de la universidad de
Brasilia, Brasil. E-mail: [email protected]
3
M.Sc. en Ingeniería – Automatización Industrial. Docente Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid,
carrera 48 No 7-153, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se presenta un sistema de monitoreo remoto vía internet para módulos de nivel y multivariable, por medio
de una interacción entre el PLC S7-1200 y un PC servidor con software LabVIEW®, con el objetivo de dar a
conocer una nueva forma para visualizar información sobre un proceso a distancia en tiempo real, que puede
ser aplicada a nivel industrial por pequeñas y medianas empresas (PYMES), siendo una solución
relativamente más económica que los existentes en el mercado. Se inicia con la selección de los indicadores
de producción más relevantes para los 2 procesos, además se hace la selección de las herramientas de
software y hardware necesarias para llevar a cabo el monitoreo remoto vía internet a través de un navegador
común. Se crea un archivo dinámico en línea con el histórico de los indicadores y finalmente se realizan
pruebas de comunicación desde la misma red y una red externa a la institucional para validar el
funcionamiento completo del sistema.
Palabras clave: Monitoreo, supervisión, protocolo de internet (IP), TIA PORTAL, LabVIEW.
Recibido: 19 de enero de 2014.
th
Received: January 19 , 2014.
Aceptado: 13 de agosto de 2014.
th
Accepted: August 13 , 2014.
INTERNET REMOTE MONITORING SYSTEM WITH INDICATOR GENERATION FOR AUTOMATED
PRODUCTION PROCESSES
ABSTRACT
A remote monitoring system via Internet for the Multivariable and Level modules, available in Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid, is presented. It is achieved through an interaction between the S7-1200
PLC and a PC server with LabVIEW® software. The main aim is to provide a new way to obtain information
about a remote process in real time that can be applied industrially for small and medium enterprises. This is
a solution relatively cheaper than those existing in the market. First, the selection of the most relevant
indicators for the 2 production processes is described, continuing with the selection of hardware and software
tools needed to perform the remote monitoring via the Internet through a web-browser. A dynamic online file
of historical indicators is created and finally communication tests from the same network and an external
network are implemented to validate the full operation of the system.
Keywords: Monitoring, supervision, Internet Protocol (IP), TIA PORTAL, LabVIEW.
35
1. INTRODUCCIÓN
posible repararla remotamente. Esta debe ser
restablecida directamente desde el lugar donde se
encuentra el proceso.
Con el transcurrir del tiempo se ha logrado un gran
avance en la
evolución de técnicas de
automatización y control, específicamente, en el
desarrollo de protocolos de comunicación e
implantación de software que facilitan el control de
un proceso de forma visual, haciendo uso de
herramientas como el internet que permite la
interacción de cualquier elemento con el mundo.
El siguiente artículo muestra cómo desarrollar una
plataforma de comunicación que permite generar y
monitorear el comportamiento de los indicadores de
los Módulos de Nivel y Multivariable desde una red
de Internet exterior a la del Politécnico Colombiano
Jaime Isaza Cadavid que, por su bajo costo, pueda
ser aplicado a PYMES. Así mismo que permitiera al
cliente remoto acceder a la información sin
necesidad de instalar software licenciado en sus
equipos, utilizando únicamente un navegador de
internet de licencia gratuita.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
En general en la supervisión y monitoreo de
procesos se deben seleccionar los indicadores que
se quieren reportar o transmitir a los niveles
superiores (administrativos). Ejemplos de sistemas
de supervisión se encuentran ampliamente en la
literatura, inclusive muchos de ellos diseñados bajo
LabVIEW. En [1] se realiza el monitoreo de un
sistema fotovoltaico, enfocándose en el desempeño
y comportamiento dinámico, integrando múltiples
instrumentos y permitiendo monitorear el sistema
en tiempo real, sin embargo no se realiza un
monitoreo basado en servidores web que permite
realizar una visualización por internet, o almacenar
los reportes en herramientas ofimáticas. En [2] se
realiza una interface para el control y adquisición de
datos de un motor de inducción trifásico, y su
controlador finalmente se implementa en un
sistema electrónico embebido, pero tampoco se
realiza la visualización web ni el almacenamiento
mencionado anteriormente. Finalmente, en [3] se
desarrolla un sistema de monitoreo web para
evaluar la calidad de la energía, pero esto requiere
el diseño de una tarjeta adicional y no es
almacenada en discos duros para su disponibilidad
en herramientas ofimáticas, aunque se reportan en
formato XML, adicionalmente, se desconoce la
plataforma bajo la cual fue diseñada la página web.
Los módulos son utilizados didácticamente para
prácticas que consisten en realizar una acción de
control de Nivel, Presión, Caudal y adicionalmente
para el Módulo Multivariable de Temperatura en
tanques. Este trabajo se llevó a cabo en 4 etapas:
Etapa 1. Selección de indicadores relevantes de
producción e ingeniería en los módulos de Nivel y
Multivariable para ser monitoreados remotamente.
Etapa 2. Evaluación de recursos de hardware que
permitieran enviar indicadores de producción
obtenidos por el PLC S7-1200 vía internet por
medio de la plataforma de LabVIEW®, permitiendo
ser leídos desde cualquier lugar con una conexión
a Internet.
Se seleccionaron indicadores que se consideren
relevantes para los procesos multivariable y de
nivel disponibles en el laboratorio de Controles
Automáticos del Politécnico Colombiano Jaime
Isaza Cadavid.
Etapa 3. Creación de un archivo dinámico en línea
con los reportes de indicadores de producción, que
sea compatible con Excel.
2.1. Descripción de indicador
“Un indicador es un aspecto cuantitativo o
cualitativo que permite describir el comportamiento,
características o fenómenos de una variable a
través de su cambio en el transcurso del proceso,
que puede ser comparada con periodos anteriores,
permitiendo evaluar el desempeño de la misma a
través del tiempo. Por lo general, un indicador es
de fácil recolección, siendo altamente relacionados
con otros datos y de los cuales se les puede extraer
rápidamente conclusiones útiles y confiables” [4].
Los indicadores de producción abren la posibilidad
Etapa 4 o etapa final. Realización de pruebas para
el sistema de monitoreo en los módulos de nivel y
multivariable, con un PC Servidor conectado a una
red distinta a la del Politécnico Colombiano Jaime
Isaza Cadavid.
Es de suma importancia tener en cuenta que no se
realiza un control sobre los módulos sino una
acción de visualización remota, por dicho motivo en
caso de presentarse una desconexión del sistema y
este no se restablezca automáticamente no es
36
de hacer mejoras continuas y hacer más eficiente el
proceso [5].
flujo total es la cantidad de fluido que pasa por un
punto determinado en un periodo de tiempo
específico [7].
Dentro del desarrollo de un proceso un indicador
debe cumplir con tres características básicamente:
Simplificación, medición y comunicación.
Tiempo. Es la magnitud orientada
acontecimientos sujetos a cambios.
•
Simplificación: la forma en la que se actúa es
multidimensional, esta puede tomar a consideración
alguna de tales dimensiones (política, económica,
social, cultural, etc.), pero jamás puede abarcarlas
a todas [4].
a
medir
Tiempo máximo de operación o de máquina.
Tiempo teórico durante el cual podrá funcionar el
proceso.
Tiempo utilizable. Tiempo en el que el proceso está
siendo usado.
•
Medición: es cuando permite comparaciones
entre un valor o situación actual de una variable o
indicador de estudio en el tiempo o con respecto a
otra variable o patrón establecido [4].
Tiempo inactivo. El proceso no funciona por falta de
materia prima, trabajo u obreros.
Tiempo de accesorio.
mantenimiento.
•
Comunicación: toda variable o indicador debe
transmitir información la cual es usada o
almacenada, para una
toma de decisiones,
cambios en el proceso o simplemente para llevar
un control de las mismas [4].
Tiempo
utilizado
al
Tiempo muerto. El proceso no funciona por
diferentes razones.
Tiempo de marcha. Tiempo en que la maquina
funciona efectivamente.
Tipología general de indicadores. Se entiende por
control de procesos, máquinas e instalaciones a los
procesos y medios para planificar y verificar el
correcto y buen funcionamiento de los diversos
componentes que intervienen en el proceso en
desarrollo. Para lograr optimizar los procesos
productivos y disminuir las pérdidas causadas por
una u otra razón, es necesario hacer uso de los
principales indicadores y variables de las cuales se
puede obtener información valiosa del proceso. Las
variables más comunes
son: presión, nivel,
temperatura, flujo, tiempo y los indicadores son:
eficacia (orientada al objetivo), eficiencia (utilización
adecuada de recursos), efectividad (la suma de las
anteriores).
Tiempo de marcha de norma. Tiempo que debería
tardar el proceso en producir determinada cantidad.
2.3. Muestreo de indicadores de trabajo de una
planta o máquina
Índice de Utilización de Maquina (IUM). Es el
tiempo de marcha sobre el tiempo utilizable, dando
la porción de jornada en que funcionó el proceso.
𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑎𝑎
(1)
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈
Índice de Eficiencia (IE). Es el tiempo de marcha de
norma sobre el tiempo de marcha y hace referencia
al cumplimiento de actividad.
2.2. Definiciones
Presión. Es la fuerza por unidad de área [6].
𝐼𝐼𝐼𝐼 =
Temperatura. Es el resultado de la fricción
ocasionada por el choque de partículas de un
elemento.
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁
(2)
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑎𝑎
Índice de Utilización Efectiva (IUE). Es el tiempo de
marcha de norma sobre el tiempo utilizable y da
razón de la relación de resultados logrados y los
propuestos.
Nivel. Es la altura máxima alcanzada por una
sustancia ya sea viscosa o no.
Flujo. Es la variable más importante en un proceso
esta se mide de forma total o con el caudal; el
caudal es la cantidad de fluido que pasa por un
punto determinado en cualquier momento dado y el
𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =
37
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈
(3)
2.3. Indicadores Escogidos
Indicadores de Tiempo: Tiempo de marcha, tiempo
de marcha de norma, tiempo muerto, el índice de
utilización, el índice de eficiencia, el índice de
utilización efectiva.
Indicadores de Ingeniería: Nivel, flujo y presión.
La anterior selección se debió a que los módulos de
nivel (Fig. 1) y multivariable (Fig. 2), no realizan
ninguna labor productiva y sólo este tipo de
indicadores tienen sentido. Sin embargo, su
obtención es muy útil para probar la metodología y
da a conocer estados importantes del proceso.
La obtención de los datos se debe hacer a través
de un protocolo de comunicación compatible con el
controlador y LabVIEW. Una vez adquiridos, se
deben realizar las operaciones matemáticas y
lógicas para convertir los datos en indicadores de
producción útiles. Una explicación detallada de este
proceso se muestra en [8].
2.4 Evaluación de recursos de hardware y
software
Fig. 2. Módulo Multivariable
Un proceso es óptimo si logra mejorar el costo, la
productividad, la calidad, la flexibilidad, la rapidez y
el servicio. Todo es alcanzable con unas
adecuadas técnicas de automatización moderna
que integren a su favor muchas tecnologías
aprovechables de forma eficaz para una compañía;
es el caso del internet cuya tecnología permite
obtener y manipular información de un proceso
desde una de sus plataformas o direcciones IP de
una forma transparente. El camino más corto para
lograr dicha propuesta de mejoramiento de un
proceso es hacer uso de estándares conocidos que
permitan acceder a la intranet o internet como lo
son buscadores web, la tecnología HTTP y las
extendidas como la HTML u otras.
En la actualidad las empresas se han visto en la
necesidad de mejorar y optimizar continuamente
sus procesos.
2.5 Protocolos de comunicación
El Internet es un estándar de comunicación a nivel
mundial de muy bajo costo por el cual es posible
distribuir cualquier tipo de información [9].
TCP/IP. Con este protocolo es posible interconectar
equipos que se encuentren fuera de una red local.
El funcionamiento se da de la siguiente forma Fig.
3, cuando se transfiere información de un
ordenador a otro, por ejemplo un fichero, un
mensaje de correo electrónico o cualquier otro tipo
Fig. 1. Módulo de Nivel
38
de datos, ésta no es transmitida de una sola vez,
sino que se divide en paquetes pequeños [10].
Esta técnica por paquetes, posibilita que los
recursos de la red no sean monopolizados por un
sólo usuario durante un intervalo de tiempo
excesivo, siendo usual que por la red viajen
paquetes de información provenientes de diferentes
ordenadores y con destinos también diferentes [11].
Ethernet.” La industria del PC ha estandarizado los
buses de comunicación, haciendo fácil diseñar un
sistema de medición y control distribuido. En cada
ocasión hay que elegir el bus de datos que más se
ajuste a las necesidades, ya sea el PCI, PXI, GPIB,
USB, FireWire, Ethernet, u otros buses de
comunicación futuros. Ethernet se ha convertido en
el estándar para sistemas altamente distribuidos
[9]”.
UDP. “El protocolo UDP (User Datagram Protocol),
al contrario que el TCP-IP, está más enfocado a
trabajar con redes de ámbito local. Su filosofía de
trabajo es similar a la de TCP/IP, por lo que se
desestimó también. La diferencia entre ellos es que
UDP no está orientado a conexión, la información
se envía a la red y los ordenadores destino se
encargan de recogerla [9]”.
Profinet.
Define
un
proveedor
estándar
independiente para la comunicación en redes
Ethernet convencionales de TI (tiempo de ejecución
de los mecanismos de comunicación). Se utiliza el
protocolo TCP / IP y COM / DCOM, los estándares
más comunes del mundo del PC. Proporciona
acceso directo desde la oficina hasta el nivel de
automatización y viceversa (integración vertical).
DataSocket. Tecnología de programación de marca
registrada de National Instruments. DataSocket, es
una nueva tecnología de programación basada en
el estándar TCP/IP, simplificando el intercambio de
datos entre distintas aplicaciones entre un mismo
ordenador o entre ordenadores conectados a la red
[9].
La CPU S7–1200 incorpora un puerto PROFINET
que soporta las normas Ethernet y de comunicación
basada en TCP/IP [11].
Para la aplicación se utilizó la comunicación TCP/IP
debido a su facilidad de configuración.
Recursos software utilizados para el desarrollo de
la aplicación
OPC Server. “Es un estándar de comunicación en
el campo del control y supervisión de procesos.
Este estándar permite que diferentes fuentes de
datos envíen datos a un mismo servidor OPC, al
que a su vez podrán conectarse diferentes
programas compatibles con dicho estándar. De
este modo se elimina la necesidad de que todos los
programas cuenten con drivers para dialogar con
múltiples fuentes de datos, basta que tengan un
driver OPC [9]”.
®
Software TIA PORTAL . El Totally Integrated
Automation Portal (TIA Portal) permitió integrar
diferentes productos SIMATIC utilizados para la
aplicación permitiendo la obtención de datos,
debido a su interacción entre sí y otros programas
®
como LabVIEW
Algunas ventajas que ofrece trabajar con el TIA
PORTAL [12]:
•
Gestión conjunta de los datos.
•
Manejo unitario de los programas, los datos de
configuración y de visualización.
•
Comodidad de carga de los datos en los
dispositivos.
•
Configuración y diagnóstico asistido por
gráfico.
Su principal desventaja se debe a que es un
software diseñado por SIEMENS exclusivo para
sus PLC serie S7 y sus gamas S7-1200, S7-300,
S7-400 y el más nuevo S7-1500 y un nuevo invento
que se llama ET200 PLC. Por lo tanto es un
software que no puede implementarse en alguna
empresa donde posean un PLC de marca distinta y
Fig. 3. Funcionamiento protocolo TCP/IP
Fuente: [9].
39
que quizá este represente un costo de inversión
importante.
Se utilizó un PLC S7-1200, un PC Hewlett-Packard
®
®
Pavilion dm1 , un Router TP-LINK de 150 Mbps,
un Swiche para conexiones TCP/IP y cable
Profinet.
La Fig. 4 ilustra la interface entre el PLC y los
equipos conectados a él por medio del TIA
®
PORTAL .
El PC contiene el software LabVIEW 2012 en el
cual se realiza la interface gráfica para el monitoreo
de los indicadores de cada módulo y que permite
por medio del Web Publishing Tool crear una
página web para ser visualizada desde internet.
También cuenta con el software TIA PORTAL V12,
el cual permite la interacción entre el PLC y el
LabVIEW.
Software LabVIEW. “Es un lenguaje de
programación gráfico para el diseño de sistemas de
adquisición de datos, instrumentación y control.
LabVIEW permite diseñar interfaces de usuario
mediante una consola interactiva basada en
software. LabVIEW es a la vez compatible con
herramientas de desarrollo similares y puede
trabajar con programas de otra área de aplicación,
como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que
permite una fácil integración con hardware,
específicamente con tarjetas de medición,
adquisición y procesamiento de datos (incluyendo
adquisición de imágenes)” [13].
LabVIEW se utilizó debido a que permite darle al
proyecto
las
siguientes
características
diferenciadoras frente a otros sistemas de
monitoreo:
- La creación de páginas web se hace a través de
una herramienta automática, por lo cual el panel
frontal diseñado es traducido a código que permitirá
visualizar la página. Así no se requiere
conocimiento en programación de páginas web
evitando la contratación de personal especializado
y reduciendo el tiempo de desarrollo.
- En un proceso controlador por PLC ya se cuenta
con las señales de la instrumentación, por lo cual
no es necesario instalar ningún hardware adicional.
El sistema de supervisión diseñado complementa al
sistema de control ya instalado previamente, sin
afectarlo.
- Aunque LabVIEW es una herramienta de
ingeniería considerada de alto costo para el
desarrollador, pero si éste cuenta con la licencia,
entonces puede generar archivos ejecutables que
no reflejarán un costo adicional para el usuario
final, haciéndolo económicamente accesible para
pequeñas y medianas empresas (PYMES).
- Permite el almacenamiento directamente en
archivos de Excel, facilitando a los administrativos
contar con información organizada en un formato
bien conocido por ellos. Además, si se desea, se
propone el almacenamiento de estos archivos en
un servicio de disco duro virtual para su fácil
acceso y trabajo colaborativo.
Recursos hardware para la aplicación de la web
Los dispositivos de hardware no fueron escogidos
puesto que eran elementos con los que se
contaban y solo se realizó una interacción entre
ellos.
El siguiente procedimiento describe la configuración
para lograr crear una página web haciendo uso del
LabVIEW y ser observados desde una red externa
a la del Politécnico Colombiano Jaime Isaza
Cadavid.
Configuración Web Server
En las herramientas de LabVIEW se configura el
Web Server por el puerto 8081 debido a que está
libre y no está siendo utilizado por otra aplicación.
Se habilitan las herramientas “visible VIs” y
“Browser acceslist” lo que permite a cualquier
dirección ver el contenido de la página siempre y
cuando en el campo de “Browser Access list” este
presente un asterisco (*). Si el objetivo es limitar la
observación del contenido, este debe ser cambiado
por las direcciones IP a las cuales se permitirá el
acceso a la información.
Fig. 4. Interface de comunicación del TIA PORTAL
con diferentes componentes
40
2.6 Creación de un archivo dinámico con
reportes de los indicadores
Lanzamiento de la página
Se realiza mediante el Web PublishingTool. Se
configura la opción de “Embedded” y “Request
Control” para poder integrar el VI dentro de la
página web y que, una vez sea abierto, el control
del VI sea transferido al cliente remoto. En el PC
servidor se configura la dirección IP como estática.
Un archivo electrónico dinámico en línea es aquel
que permite visualizar y modificar la información en
tiempo real, permite acceder a esta desde cualquier
PC por encontrarse ubicado en la nube o web.
Estos archivos pueden ser de carácter privado o
público privado: son los archivos en los cuales solo
la persona que los crea tiene acceso a estos.
En el PC cliente (remoto) se debe instalar el RunTime Engine de 32 bits versión 12, driver gratuito
proporcionado por National Instruments, para que
se pueda visualizar el VI a través del navegador.
Público: cualquier persona tiene acceso a los
archivos y puede realizar alguna modificación sobre
ellos. Estos archivos que son visibles por cualquier
persona representan una copia del original es decir
que si se hace una modificación esta se hace al
original pero no puede ser eliminado o cambiado
del sitio sin que sea el servidor quien desarrolle
esta acción.
Configuración del Router
Se solicitó al departamento de Informática del
Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid una
dirección IP Publica para permitir la salida de la red.
Para esto se proporcionó la dirección MAC del PC
Servidor y la dirección IP privada que tomaba este
al ser conectado directamente a un punto de
acceso a internet en donde se encuentran los
módulos de Nivel y Multivariable.
Los archivos dinámicos en línea de carácter público
pueden tener restricciones de acceso, es decir
controlar la cantidad de usuarios que pueden ver y
acceder a la información allí ubicada.
Para lograr esta aplicación de forma sencilla fue
necesario conocer algunos de los servicios que
permiten almacenar datos en la web como lo son
Dropbox, SkyDrive, Google Drive, Box y Mega.
Inicialmente se configura la WAN con la IP Privada
de entrada, luego se selecciona un rango de
direcciones que podía tomar el Router y se elige
una para el PC servidor, en este caso
192.168.0.11.
Se
configura
una
zona
desmilitarizada (DMZ) para habilitar el acceso
desde fuera de la red y se deshabilita el
cortafuegos (firewall) para evitar bloqueos.
Dropbox
Es una herramienta de almacenamiento y
sincronización dinámica de archivos ofimáticos en
línea, ofrece un almacenamiento gratuito de 2GB
expandible hasta 18GB a pesar de esto es posible
hacer expansión de la capacidad por la adición de
un costo mensual o anual dependiendo de la
necesidad del cliente, pero lastimosamente esta
herramienta presenta problemas al trabajar el
mismo archivo desde dos puntos al mismo tiempo,
lo cual genera conflicto o duplicación del archivo.
La Fig. 5. Ilustra las conexiones y direcciones
públicas y privadas empleadas, incluyendo la
dirección de acceso a cada página web.
Skydrive
Permite un almacenamiento gratuito de 7 GB
máximo, pero de acuerdo a la necesidad es posible
expandirla a 20GB haciendo un pago adicional. Es
altamente compatible con herramientas ofimáticas
como Excel debido a su aplicación de Web Apps;
su problema radica en que todo archivo allí puesto
caduca en un periodo determinado.
Box
Posee un editor de textos llamado Web Documents,
ofrece un almacenamiento gratuito en la nube de
Fig. 5. Conexiones y direcciones de la aplicación.
41
3.2. Conexión por enrutador desde la misma red
(intranet)
5GB expandible hasta 50GB por un pago adicional,
BOX al igual que Google Drive permite su
actualización desde el escritorio; pero siempre que
un archivo se trabaja desde dos puntos al mismo
tiempo crea conflictos.
Para esta prueba se utilizó la aplicación del led de
modo que el PC cliente ejerciera acciones de
control y se observó que el PC servidor debía tener
la interfaz en LabVIEW abierta y que este mostraba
un cuadro de información cuando el cliente tenía el
control del panel. Al igual que después de cierto
tiempo el panel del cliente se cerraba y había que
actualizar la página.
Mega
Permite un almacenamiento gratuito hasta de 50
GB dependiendo del tipo de cuenta creada, pero el
dimensionamiento de los servidores es mínimo,
generando que el acceso a los datos sea
complicado debido a la cantidad de cuentas allí
inscritas y nunca cerradas.
Esta observación permitió identificar que la página
tenía un tiempo de lanzamiento por defecto que
permite al cliente observar el funcionamiento del
panel solo por un instante pero puede ser
modificado por un tiempo que se considere como
suficiente.
Google Drive
Es un disco virtual que permite almacenamiento de
archivos en internet con la ayuda de una cuenta o
con la aplicación de escritorio, además presta el
servicio de almacenamiento gratuito de 5GB y
todos los archivos que trabaja son compatibles sin
importar su extensión, además los archivos
ofimáticos no cuentan en la capacidad de
almacenamiento.
3.3. Interface gráfica desde residencia (internet)
Esta prueba fue realizada desde la residencia de
uno de los autores para verificar el envío de datos y
observar el funcionamiento correcto del archivo de
Excel ubicado en una carpeta interactiva para ver la
sucesión de eventos durante cierto tiempo.
Debido a estas características se decidió trabajar
con la aplicación de Google Drive permitiendo
conseguir de forma sencilla el objetivo del trabajo.
Se solicitó al proveedor de servicios de internet de
la residencia una zona de desmilitarización para
una IP privada y poder observar la interfaz con la IP
pública del hogar.
Se crea entonces una hoja de cálculo en Excel,
almacenada en este servidor y, dado que se
encuentra sincronizada con el computador que
corre el algoritmo de LabVIEW, este programa
puede
escribir
en
él
y
actualizarse
permanentemente en su copia disponible en
internet.
3.4. Envío de datos PLC-LabVIEW y LabVIEWInternet
Se conectó el PLC S7-1200 del módulo de nivel al
®
Router TP-Link , por medio de un cable Ethernet y
El PC servidor de forma inalámbrica (Fig. 6) que
contiene el programa a cargar en el PLC con una
modificación respecto al original, para tener una
®
interacción con el software LabVIEW .
Las pruebas fueron realizadas desde un equipo
conectado a una red diferente a la del Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Se inició con
pruebas, desde sencillas hasta más complejas, de
modo que se pudiera probar por etapas.
Para esto la interfaz contiene la posibilidad de
enviar datos al PLC y recibir datos de este. Los
cuales son forzados ya que el módulo no se
energizó, es decir, solo se energizo el PLC pero no
instrumentos en el módulo como el variador.
3.1. Prueba página web de simulación de un
LED accionado por un pulsador
La página web se creó para proceder a la
verificación de supervisión desde un PC conectado
con una red diferente, en este caso una red creada
por un celular con conexión a la red de datos, lo
que garantiza la diferencia entre las redes del
servidor y el cliente.
Se implementó un algoritmo en LabVIEW que
consistió en encender y apagar un led por medio de
un interruptor. Esto permitió generar la página web
y visualizarla desde un equipo remoto con la opción
de ejercer control sobre la aplicación.
42
PC
PLC
Router
Fig. 6. PLC, PC servidor y Router en interacción
La visualización e interacción fueron correctas,
puesto que hubo envíos de datos y recepción sin
ningún problema.
Fig. 7. Visualización desde internet de aplicaciones
3.5. Prueba final
Se repite la conexión del ítem 5.4, pero añadiendo
todo el funcionamiento del módulo, es decir, las
válvulas, el variador y demás elementos estaban en
funcionamiento y no solo el PLC como en la prueba
anterior.
La página web se creó para proceder a la
verificación de supervisión desde un PC conectado
con una red diferente que fue suministrada por un
celular.
La visualización e interacción fueron correctas (Fig.
7), puesto que hubo envíos de datos y recepción
sin ningún problema.
Fig.8. Visualización pantalla HMI en el sistema
Si se comparan los valores visualizados en la
pantalla HMI que se encuentra en el sistema (Fig.8)
con los visualizados en la interfaz, se puede
observar la aproximación de estos al realizar su
debida conversión de unidades, puesto que en la
pantalla del sistema el nivel esta en pulgadas y el
flujo en l/m, mientras que en la interfaz estas
unidades
se
encuentran
en
cm
y l/s
respectivamente.
El protocolo utilizado fue Industrial Ethernet,
basado en TCP/IP. Es un método no determinístico
pero que, para pocos nodos, tiene un
comportamiento muy rápido, haciéndolo casi
determinístico (tiempo real). A nivel humano es
imperceptible y, al ser un sistema de monitoreo
remoto pasivo, no se requieren tiempo de muestreo
inferiores a 1s.
En la figura 9 se observan los indicadores
generados con su respectiva fecha y hora en que
se obtuvieron, al igual de su visualización desde
una página web. Y en la figura 10 se observan los
datos en una tabla de Excel de los indicadores con
fecha y hora de generación.
Todos los datos fueron enviados a una tabla de la
interface y adicionalmente a una tabla de Excel®
para permitir el monitoreo de cada indicador con
fecha y hora en la cual fue obtenido, con el fin de
evitar la compra de una nueva licencia del
LabVIEW® y utilizar un software de uso común
para verificación desde cualquier lugar.
43
Se abre una puerta para nuevos proyectos de
desarrollo tecnológico, innovación e investigación,
basados en el control vía internet de múltiples
procesos, puesto que se comprobó que se pueden
ejercer acciones como un paro de emergencia a
distancia. El uso de una herramienta como
LabVIEW
permite múltiples protocolos de
comunicación con una gran cantidad de equipos de
automatización, control y robótica.
La creación de un archivo dinámico en línea
permite que los indicadores de producción sean
almacenados allí y accedidos remotamente desde
cualquier lugar, aún cuando no se acceda al
sistema de monitoreo en vivo. Además se tiene un
histórico del comportamiento del sistema que es útil
en los procesos de certificación de calidad.
Fig. 9. Tabla indicadores vista desde internet
Las pruebas realizadas permitieron identificar fallas
relacionadas con tiempo de visualización y se pudo
establecer que el usuario que configura la página
es el que decide cuanto tiempo desea que la
observación se realice remotamente, al igual que
garantiza que el control pueda retornar al servidor
en un tiempo estipulado.
Fig. 10. Tabla de Excel con indicadores obtenidos
5. AGRADECIMIENTOS
Las pruebas realizadas por Intranet arrojaron
resultados
casi
inmediatos
con
retardos
imperceptibles para el ser humano. Cuando se
realizaron por internet, las actualizaciones en la
página web tuvieron un retardo máximo de 3s. Los
reportes se generaron automáticamente en el
equipo servidor, pero tomaron alrededor de 30s
para
sincronizarse
automáticamente
en
computadores remotos utilizando la aplicación de
Google Drive.
Este trabajo fue posible realizarse a cabalidad
gracias a la IP Pública prestada por el
Departamento de Informática del Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid, teniendo en
cuenta que sin esta no sería posible visualizar las
páginas de interfaz fuera de la red interna de la
institución
6. BIBLIOGRAFÍA
4. CONCLUSIONES
[1].
Chouder, A., Silvestre, S., Taghezouit, B.,
&Karatepe, E. Monitoring, modelling and simulation
of PV systemsusing LabVIEW. Solar Energy 91,
337–349. 2013.
Este trabajo ha permitido conocer una nueva forma
de monitorear datos deseados (indicadores), a bajo
costo desde un lugar remoto externo a una red
local.
[2].
Gonzalez, C., Rodriguez, J., Mota, G.,
Rivas, E., Mendiola, J., & Luna, R. A PCbasedarchitectureforparameteranalysis of vectorcontrolledinduction motor drive. Computers and
ElectricalEngineering37 , 858–868. 2011.
Las personas que pertenecen al área de
producción, el tiempo como un indicador es un
elemento importante. Este puede representar
pérdidas en una empresa, y pueden definir qué tan
productivo es un proceso.
[3].
V.,
44
González, J., Moreno, A., Gil, A., Pallarés,
&
Sánchez,
J.
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Programable S7 1200 manual del sistema. Bogotá.
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control del proceso de un módulo didáctico de
montaje festo utilizando PLC y una pantalla HMI,
caso práctico: en el laboratorio de automatización
de la FEI. Ecuador. 2011.
45
46
ANÁLISIS ESTÁTICO PARA OPTIMIZAR UN CHASÍS DE PATÍN
DE CARRERAS SOBRE RUEDAS
1
2
3
Junes Abdul Villarraga Ossa , Liliana Marcela Bustamante Goez , Juan Gustavo Diosa Peña
1
Magister en Ingeniería Mecánica, Candidato a Doctorado en Ingeniería y Ciencia de los Materiales, Profesor
Departamento de Ingeniería Mecánica; [email protected]
2
Magister en Ingeniería, Profesor Departamento de Ingeniería Mecánica; [email protected].
3
Ingeniero Mecánico, Estudiante de Maestría en Ingeniería Mecánica, Profesor Departamento de Ingeniería
Mecánica, [email protected].
Grupo Diseño Mecánico GDM, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Calle 70 No. 52-21, of. 20404, Medellín, Colombia.
RESUMEN
La forma de patinar de los deportistas ha ido evolucionando a través del tiempo debido a diversos factores tales
como: el cambio de patines convencionales a patines en línea, el tamaño de las ruedas y la intención de reducir
el esfuerzo físico del patinador para realizar la misma distancia con menos energía. En el patinaje de velocidad
se desarrolló la técnica de doble empuje para mejorar el rendimiento, esta técnica ha provocado fallas en el
chasís del patín debido a los esfuerzos a los que es sometido. A partir de una caracterización del material, de
un análisis de la cinemática del movimiento y el cálculo de las cargas estáticas generadas en el punto más
crítico del ciclo de la técnica, se elaboran modelos computacionales para dos tipos de chasís y mediante
simulación numérica se obtienen los esfuerzos y se realiza un análisis de falla, para posteriormente elaborar
una optimización geométrica
Palabras clave: Patinaje de velocidad; técnica doble empuje; elementos finitos; optimización geométrica;
análisis de esfuerzo.
Recibido: 11 de septiembre de 2014.
th
Received: September 11 , 2014.
Aceptado: 11 de diciembre de 2014.
th
Accepted: December 11 , 2014.
STATIC ANALYSIS TO OPTIMIZE A SKATES’ FRAME OF INLINE SPEED SKATING
ABSTRACT
The way how skate has evolved over time due to various factors such as the change of conventional skates
to inline skates, the size of the wheels and the intention to reduce the physical effort of the skater to perform
the same distance with less energy. In speed skating double push technique was developed to improve the
performance, this technique has led to failures in the skate chassis due to the stresses to which it is
subjected. Computational models for two types of chassis were made through a characterization of the
material, the analysis of the kinematics of motion and the calculation of static forces generated at the most
critical point in the cycle and the failure analysis was obtained by numerical simulation with the aim of
developing a geometrical optimization that guarantees a durable and reliable product, giving to athletes a
better device for this sport.
Keywords: Speed skating; double push technique; finite elements; geometrical optimization; stresses
analysis
47
1.
movimientos realizados por el patinador y no al
análisis de fuerzas generadas durante el
movimiento.
INTRODUCCIÓN
Los patines en línea son unos aparatos utilizados
para deslizarse sobre alguna superficie debido al
giro de sus ruedas acopladas a la estructura del
patín, su principal característica es que las ruedas
están ensambladas una tras otra formando una
línea recta; está compuesto por una bota o
zapatilla, la cual le permite acoplar y sujetar los
patines al deportista; un chasís elaborado en
aluminio o fibra de carbono que une las ruedas con
la
zapatilla,
las
ruedas
encargadas
del
desplazamiento en los patines, fabricadas en
materiales poliméricos y sus tamaños comprenden
desde los 80 a 110 mm de diámetro y por último,
los rodamientos para reducir la fricción que provoca
el ensamble de las ruedas desnudas con los
tornillos – ejes.
Por otra parte Lugea [10], analiza la técnica del
patinaje de velocidad en los tramos rectos y curvos,
elabora los diagramas de cuerpo libre para cada
posición y plantea ecuaciones para el análisis de
fuerza simplificando el modelo evaluando sólo la
posición de inclinación que se presenta en la
técnica de doble empuje. Un análisis más detallado
de las técnicas utilizadas en el patinaje fue
realizado por García y Bolívar [11] donde realizan
una comparación cinemática de los ciclos de
empuje en el patinaje de carreras, utilizando una
tabla deslizante y la recta de una pista, pero como
las investigaciones anteriores están enfocadas a el
mejoramiento del rendimiento deportivo y no a un
análisis de fuerzas sobre el chasis. Petrone [12],
Stidwild y colaboradores [13] realizaron el análisis
fuerzas en patines sobre ruedas y en patines de
hockey sobre hielo respectivamente, utilizando
sensores en los chasises para obtener las fuerzas a
las que es sometido en un recorrido, adquiriendo
datos importantes como la fuerza mínima y la
fuerza máxima, pero no se identifica en que
instante de la ejecución se presenta.
Debido a la evolución del patinaje a través del
tiempo y principalmente al cambio de patines
convencionales a patines en línea y el interés de
reducir el esfuerzo físico [1], surge la técnica de
doble empuje, la cual consiste en que el patinador
realiza
su
desplazamiento
hacia
delante
describiendo una trayectoria curvilínea [2] (similar a
lo que sucede con el Sprint en el ciclismo),
mediante la flexión de las rodillas y el tronco [3],
con el fin de ganar estabilidad al bajar el centro de
gravedad del cuerpo, de ésta forma, el impulso se
genera por las extremidades inferiores y por el peso
del cuerpo del deportista al desplazar el centro de
gravedad en función de tener una propulsión
continua en todo el desplazamiento. En la figura 1
se muestran las principales etapas de esta técnica.
Recientemente Olmi [14] estudió las fallas
presentadas en los chasis para patines de patinaje
artístico sobre ruedas, proponiendo un nuevo
modelo optimizado después de analizar los
impactos generados por los saltos y los
movimientos generados por los deportistas.
Utilizando el Método de los Elementos Finitos y
validando el modelo al recurrir a sensores y
metodologías similares a las utilizadas por Petrone
y Sidwild en sus investigaciones.
Se han realizado estudios biomecánicos del
rendimiento de un patinador de acuerdo a la técnica
utilizada y su eficiencia, koning y otros [4] en sus
modelos evalúan de manera más efectiva el
rendimiento del patinador que los métodos
empíricos. Acero [5 – 7], analiza la técnica de la
salida, el ciclo de empuje en recta y el rendimiento
de los patinadores, obteniendo datos importantes
de las distancias, velocidades y aceleraciones que
los deportistas pueden alcanzar durante la
realización del movimiento de empuje mediante
videográfia, cinegramas y ciclogramas que
describen el movimiento de los miembros. En los
estudios nombrados anteriormente como en los de
Boer [8] y otros, Boyd [9] y colaboradores; no se
hace una diferencia entre la técnica clásica y la de
doble empuje; todos ellos están orientados al
rendimiento físico del patinador y como detectar los
En este estudio se presenta un análisis estático de
la técnica de doble empuje, un análisis estructural
de dos chasises utilizados en patinaje de velocidad,
se caracterizan los materiales empleados en su
fabricación y se propone un modelo geométrico
optimizado basado en los esfuerzos generados
durante la ejecución de la técnica de doble empuje,
con el fin de aumentar la vida útil del patín.
48
se encuentra parado en un sólo patín Figura 1 (b),
(c) y (d) y utilizando una persona cuyo peso y altura
sea de 80 kg y 1.80 m respectivamente, se calculan
las fuerzas aplicadas por el patinador al patín
teniendo en cuenta la posición del centro de
gravedad con respecto al apoyo del patinador en
ese instante como se puede ver en el ejemplo de la
Figura 3. Para hallar las longitudes de todos los
segmentos del cuerpo, se emplearon las relaciones
antropométricas proporcionadas por Winter [17],
Los resultados obtenidos para cada una de estas
posiciones se muestran en la tabla 1.
(a)
De la tabla 1 se observa que los mayores
momentos se presentan en la posición dos, en ésta
el patinador se encuentra parado en un sólo pie e
inclinado (Ver figura 1.c).
(b)
Fig. 2. Secuencia de movimiento del patinador
analizada
(c)
(d)
Fig. 1. Etapas principales de la técnica de doble
empuje (a) Empuje hacia la derecha (b)
Recuperación ambos patines en el centro. (c)
Empuje hacia la izquierda.
(d) Recuperación
ambos patines en el centro empuje [15].
2.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para la realización del análisis estático y la
optimización del diseño del chasís para un patín en
línea utilizado en competencias de patinaje de
velocidad, la metodología empleada se describe a
continuación.
2.1
Análisis cinemático de la técnica.
Para la obtención de las cargas se analiza la
técnica de doble empuje en las principales etapas
de su ejecución. Mediante el software Kinovea®
0.8.15 [16] se determinan los ángulos y posiciones
de cada una de las etapas de videos de un
patinador Elite (Figura 2). Tomando como
posiciones críticas aquellas en las que el deportista
Fig. 3. Posición de análisis
49
Tabla 1. Fuerzas y momentos aplicados al patín
para diferentes posiciones críticas
Posición
1  (b)
2  (c)
3  (d)
Fuerzas (N)
784.8 i
784.8 i
784.8 i
Tabla 3 Resultado de ensayo de dureza para cinco
modelos de chasises de diferentes marcas
Momentos (N m)
83.2673 i - 114.4238 k
101.3962 i - 399.8556 k
88.2900 i + 240.3058 k
Modelo
1
2
3
4
5
2.2
Caracterización del material
Se determinó la composición química de los
chasises usando un Espectrómetro Shimadzu®
OES 5500, se analizaron cinco modelos de
chasises de diferentes marcas, los datos promedios
de la composición de tres pruebas diferentes se
muestran las tabla 2, para determinar si los
chasises tenían algún tratamiento térmico se realizó
un prueba de dureza en el durómetro universal
Gnehm Harteprufer Swiss Max 300, en la Tabla 3
se presenta el promedio de cinco pruebas para
cada chasis analizado. Las pruebas del ensayo de
dureza se realizaron a una temperatura de 23 °C y
53% de Humedad relativa y de acuerdo a la norma
ASTM E10 [18]. A partir de los resultados obtenidos
en los ensayos se pudo determinar que el material
de fabricación de los chasises es el aluminio serie
7000 (E= 71 GPa, v=0.33)[19]; En el ensayo de
dureza se observa que a los chasises no se les
realiza tratamiento térmico, puesto que se
encuentran en los rangos de dureza comunes del
aluminio de esta serie (20.0 - 210).
El modelado geométrico de los chasises se realizó
en el software Solid Edge® ST4 [20], los chasises
se muestran en la figura 4.
(a)
(b)
Fig. 4. a) Modelo CAD de chasís 1. b) Modelo CAD
de chasís 4.
2.4
Simulación por elementos finitos
Se elaboró un modelo de elementos finitos
utilizando el software ANSYS® 14 [21], al cual se le
aplicaron las cargas (Tabla 1) correspondientes a la
posición más crítica, éstas se aplicaron sobre las
superficies en donde el chasís hace contacto con la
bota del patinador y se restringieron todos los
grados de libertad de los agujeros donde se apoyan
los ejes de las ruedas, se le aplicó una precarga del
tornillo que ensambla la bota con el chasís de 3333
N, el tornillo es tipo Allen 5 y soporta un torque de 4
N m [22], usando la Ec.(1) [23] para un k
recomendado de 0.20, los elementos utilizados
fueron tetraedros con un tamaño mínimo de 0.07
mm y el modelo total constaba de 30191 nodos y
15534 elementos en promedio.
(1)
𝑇𝑇 = 𝐾𝐾𝐹𝐹𝑖𝑖 𝑑𝑑
Dónde:
T→ Torque (N m)
K→ Coeficiente par de torsión (Adimensional)
Fi→ Precarga (N)
d→ Diámetro del tornillo (m)
2.3
Modelos CAD de los chasises
Para el análisis numérico y geométrico de los
chasises, se seleccionaron los modelos uno y
cuatro por sus diferencias en la geometría.
Tabla 2. Principales aleantes de cinco modelos de
chasises de diferentes marcas en % de
componente.
1
2
3
4
5
Al
98.554
98.667
98.324
98.661
93.316
Si
0.0708
0.652
0.461
0.605
0
Fe
0.091
0.089
0.155
0.117
0.134
Cu
0.086
0.086
0.165
0.086
0.142
Mn
0.026
0.013
0.039
0.024
0.25
Mo
0.482
0.452
0.774
0.463
0.698
Cr
0.014
0.004
0.039
0.007
0.124
Zn
0
0
0
0
5.167
Dureza promedio [HB]
102
110
109
91.4
84.5
50
2.5
Proceso de optimización
Con base en los resultados obtenidos de las
simulaciones previas, se proponen cambios
geométricos que ayuden a aumentar la resistencia
de la estructura y distribuyan mejor los esfuerzos,
aumentando así el tiempo de vida útil esperado
para el chasís.
3.
galgas extensiométricas para validar los datos
obtenidos, debido a la presencia de cargas
dinámicas durante la utilización de la técnica de
doble empuje.
5.
CONCLUSIÓNES
Al analizar la cinética de la técnica de doble empuje
se puede realizar el cálculo estático y obtener las
fuerzas ejercidas sobre el chasís del patín, estas
cargas se aplicaron en un estudio numérico y se
obtuvieron los factores de seguridad para dos
modelos comerciales, evidenciando que están
diseñados con dimensiones no adecuadas para la
función que desempeñan, por lo cual se hace
pertinente un estudio de optimización.
RESULTADOS
Los resultados de las simulaciones para los
chasises de prueba 1 y 2 correspondientes al factor
de seguridad son mostrados en la figura 5 indican
que el chasís 1 y el chasís 2 tienen un factor de
seguridad 0.96 y de 1.26 respectivamente, lo cual
implica que presentan un bajo rendimiento para las
condiciones del estudio.
El modelo propuesto (figura 6a), se obtuvo
incrementando el espesor del chasís en las zonas
donde se ensambla este a la bota (zona dentro de
la línea punteada) y modificando los vaciados (zona
dentro de la línea continua). Con esta nueva
geometría el factor de seguridad alcanza un valor
de 2.1 Los resultados de la simulación para este
chasís se muestran en la figura 6 (b).
4.
DISCUSIÓN
El método de elementos finitos ya ha sido validado
por varios autores para la cuantificación de
esfuerzos y para la optimización geométrica de
chasises de patines en diferentes aplicaciones
deportivas, lo cual nos permite utilizar este método
garantizando la validez de las cargas calculadas.
Los resultados obtenidos para los factores de
seguridad de los chasises comerciales utilizados
como referencia presentan valores que pueden ser
considerados como bajos, teniendo en cuenta que,
el estudio realizado es de carácter estático, lo cual
implica que presentan un bajo rendimiento desde el
punto de vista de la vida del elemento y sabiendo
que la fatiga juega un papel importante [14]. Con
los cambios geométricos propuestos se logra
obtener un aumento del factor de seguridad en casi
el 40% con respecto al mejor de los chasises de
prueba, logrando un chasís más resistente que
brinda mayor seguridad al patinador. Se debe
recordar que un análisis de fatiga puede brindar
mayor información sobre el aumento real de la vida
útil del chasís, también es recomendable el uso de
(a)
(b)
Fig. 5. Resultados simulación a) chasís 1 y b).
chasís 2.
51
6.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Comité para el Desarrollo
de la Investigación CODI y Centro de
Investigaciones Ambientales y de Ingeniería de la
Universidad de Antioquia, quienes financiaron la
investigación, también a la Liga de Patinaje de
Antioquia, Al instructor Carlos Enrique Plata y al
Patinador Guillermo Cerén por su colaboración con
el proyecto.
(a)
7.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Lugea, C. Fundamentos de la técnica en el
patinaje de velocidad. Spagatta. Disponible en:
http://www.spagatta.com/pdf/articulos/tecnica/tecnic
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Walking. XXI ISB Congress, Julio de 2007.
(b)
Fig. 6. Chasis propuesto a) Modelo CAD y b)
Resultado simulación chasis propuesto
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para el patinaje de velocidad. EMDER/AMP, Curso
de Patín, EMDER y Asociación Marplatense de
Patín AMP, Mar del Plata, Argentina, Diciembre de
2010.
Otro de los factores que motiva la optimización, es
el hecho de que este estudio se realizó sólo
contemplando un modelo estático, con lo cual los
valores obtenidos para los esfuerzos durante la
utilización en la técnica deben cambiar, lo que
podría traducirse en una disminución de los
factores de seguridad hallados.
[4] Koning, J. J. de, Foster, C., Lampen, J.,
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skating. J. Appl. Physiol. 98, 227–233, 2005.
La optimización geométrica propuesta mejora los
factores de seguridad obtenidos en un 39 % y por
ende se espera incrementar la durabilidad del
chasís.
[5] Acero, J. & Palomino, A. Descripción motriz y
cinemática de la salida de 200 metros en
patinadores elite de Colombia. Instituto de
Investigaciones y Soluciones Biomecánicas, 2010.
Es recomendable realizar un análisis que tenga en
cuenta la dinámica del movimiento para la
generación y el cálculo de las cargas, así como el
cálculo más detallado de las contribuciones de
cada uno de los elementos del cuerpo del patinador
sobre las reacciones del piso con el patín, para
poder obtener resultados más acertados, también
se recomienda realizar un proceso de optimización
más riguroso que pueda vincular el diseño de
experimentos para el análisis de medidas continuas
o discretas dentro del modelo del chasís.
[6] Ramón, G. Biomecánica Deportiva Aplicada.
Universidad de Antioquia Funámbulos Editores,
2011.
[7] Acero, J., Palomino, A., Ibargüen, H.
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[12] Petrone, N. Acquisition and analysis of ground
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Supplement 2, S398, 2007.
[13] Stidwill, T. J., Turcotte, R. A., Dixon, P. &
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Eng. 12, 63–68, 2009.
[14] Olmi, G. Failure of the chassis of roller skates
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Anal. doi:10.1016/j.csefa.2014.08.002
[15] Plata C. y Ordoñez A., Video instruccional técnica patinaje de velocidad. Medellín: 2006.
[16]. Charmant J, Kinovea. 2011.
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[18] American Society for Testing and Materials
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[19] “Overview of materials for 7000 Series
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http://www.
matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=ab
9706916818406b80c22b7f39db0c78&ckck=1.
[Consultado el 4 de Septiembre de 2012].
53
54
MODELADO GEOMÉTRICO DE INTERCAMBIADORES DE
CALOR DE TUBO EN ESPIRAL HELICOIDAL TORSIONADO
1
2
Juan Gonzalo Ardila Marín , Diego Andrés Hincapié Zuluaga .
1
Ingeniero Mecánico, Magíster en Gestión Energética Industrial (candidato), Docente Ocasional, Instituto
Tecnológico Metropolitano, [email protected].
2
Ingeniero Mecánico, MSc en Física, PhD en Física (candidato), Docente de Carrera, Instituto Tecnológico
Metropolitano, [email protected].
Instituto Tecnológico Metropolitano, calle 75 #75-101, Medellín, Colombia.
RESUMEN
Se presenta el proceso de generación de las geometrías que se emplearon en el proyecto de desarrollo
numérico de correlaciones para intercambiadores de calor de tubo en espiral helicoidal torsionado; dichas
correlaciones se han predicho para tubos curvados lisos o torsionados, pero en este último caso se han
estudiado geometrías simplificadas que se alejan de la realidad de los dispositivos comerciales empleados en
la industria y el comercio, por lo tanto es necesario desarrollar geometrías más realísticas. Inicialmente se
evalúa el estado del arte en lo que se refiere al desarrollo geométrico CAD en este campo y posteriormente se
detalla la metodología seguida con el empleo de las herramientas CAD SolidEdge®, con sus comandos de
protrusión por barrido y operaciones booleanas, y DesignModeler® con sus utilidades para reparación de
geometrías. Al final se justifica la selección de los parámetros propios de las geometrías y se comparan con las
empleadas en otras investigaciones y con las geometrías comerciales Turbotec® disponibles en el mercado
para evidenciar el desarrollo de una geometría más realística obtenido como resultado de la presente
investigación.
Palabras clave: Diseño Asistido por Computador, CAD, Modelado, tubo torsionado, tubo en espiral
helicoidal.
th
Received: September 4 , 2014.
Aceptado: 28 de octubre de 2014.
th
Accepted: October 28 , 2014.
GEOMETRIC MODELING OF COILED TWISTED TUBE HEAT EXCHANGER
ABSTRACT
A geometries generation process used in correlations numerical development project to coiled twisted tube
heat exchangers is discussed. These correlations have been predicted for smooth curved or twisted tubes,
but in latter case have been studied simplified geometries that are far from commercial devices reality used in
industry and commerce, it is therefore necessary to develop more realistic geometries. Initially evaluated
geometric CAD development state of the art in this field, and subsequently detailed methodology with use of
CAD tools SolidEdge® with its swept protrusion and Boolean operations commands, and DesignModeler®
with geometries repair utilities. Finally, choice of specific geometries parameters is justified and compared
with those used in other studies and the commercial Turbotec® geometries available in market to
demonstrate a more realistic geometry development obtained because of this investigation.
Keywords: Computer Aided Design, CAD, modeling, twisted tube, coiled tube.
55
1. INTRODUCCIÓN
Workbench®). En este artículo se presenta, paso a
paso, el proceso de desarrollo de las geometrías
que se emplearon en el proyecto de desarrollo
numérico de correlaciones del Centro de
Investigaciones
del
Instituto
Tecnológico
Metropolitano en contrapartida con la empresa E.S.
Energía Solar Ltda., inicialmente se evalúa el
estado del arte en lo que se refiere al desarrollo
geométrico CAD en este campo y posteriormente
se detalla la metodología seguida con el empleo de
las
herramientas
CAD
SolidEdge®
y
DesignModeler®. Al final se justifica la selección de
los parámetros propios de las geometrías y se
comparan
con
las
empleadas
en
otras
investigaciones y con las geometrías comerciales
Turbotec® disponibles en el mercado.
La geometría es la información que un diseñador
utiliza para definir un producto físico en cualquier
aplicación de dibujo asistido por computador (CAD
– Computer Aided Drawing) [1]. CAD hace uso de
gráficos para la representación de los productos, su
uso no cambia el proceso de diseño, pero ayuda al
diseñador proporcionando: precisión en la
representación gráfica y fácil modificación, para
comunicación y diseño en grupos de trabajo,
además le permite realizar análisis de elementos
finitos: estática y dinámica, resistencia de
materiales, deformación plástica, análisis de
movimiento, tolerancia, transferencia de calor, flujo
de fluidos, e incluso, optimización de diseño; puede
registrar y recuperar la información para su
reutilización futura y actualización [2].
1.1. Estado del arte
Vimal Kumar, y otros, utilizaron Fluent® para
predecir el comportamiento térmico y fluido
dinámico en un intercambiador de calor de tubo en
espiral helicoidal concéntrico. El intercambiador de
calor modelado para Fluent® consistió en dos tubos
en espiral, colocados uno dentro del otro, se
presenta en la Figura 1 con las dimensiones
tabuladas; el flujo caliente es el interno, mientras
que el flujo frío se presenta en la región anular en
dirección opuesta, en dicha región hay placas
semicirculares para soportar el tubo interior y para
proporcionar turbulencia [4].
Existen diferentes tipos de programas CAD:
sistemas 2D de gama baja, Wireframe 3D o modelo
de alambre y representación de límites (B-rep –
Boundary Representation) (renderizado de líneas
solamente, sin propiedades de sólido), sólidos 3D
básicos (prismas, cilindros, esferas, etc.), y sólidos
3D paramétricos (los objetos y características
creadas son ajustables). El 3D surge en los 70´s,
limitado a la producción de dibujos similares a los
hechos a mano, pero los avances en programación
y hardware en los 80´s permitieron más versatilidad
en las actividades de diseño, en 1981 aparece
Romulus® (de ShapeData®) basado en PADL-2
(Part and Assembly Description Language) y
CATIA® (de Dassault Systemes®), en 1982
AutoCAD®
(de
Autodesk®),
en
1988
Pro/ENGINEER® (de
PTC® - Parametric
Technology Corporation) y el incremento del uso de
métodos paramétricos; fue importante el desarrollo
de los núcleos de modelado, que son motores para
la manipulación geométrica y topológica de objetos
3D
compatibles,
B-Rep®,
Parasolid®
(de
ShapeData®) y ACIS® (de Dassault Systemes®),
esto condujo a la liberación de los paquetes de
gama media como SolidWorks® (de Dassault
Systemes®) en 1995, SolidEdge® (actualmente de
UGS Corp®) en 1996 e Inventor® (de Autodesk®)
en 1999 [3].
Rennie & Raghavan estudiaron numéricamente la
transferencia de calor de un intercambiador de
calor de doble tubo helicoidal para determinar el
efecto de las propiedades térmicas de fluido en la
transferencia de calor. Las geometrías de los
intercambiadores de calor fueron modeladas en
AutoCAD 14® y se exportaron como archivo de
estereolitografía (.stl), la primera para región anular
con diámetros interior y exterior de 0,1 y 0,115m,
respectivamente, las otras dos para flujo interno
con diámetros exteriores de 0.04 y 0.06m, todas
con paso de 0,115m y cada una tenía una longitud
de una vuelta completa. Los archivos de geometría
se importaron al software CFD PHOENICS 3.3®
[5].
Huminic & Huminic replicaron el estudio de Rennie
&
Raghavan
utilizando
nanofluidos
bajo
condiciones de flujo laminar, manteniendo la tasa
de flujo del nanofluido al interior y variando la tasa
de flujo másico de agua en la región anular. El
modelo CAD usado se presenta en la Figura 2, la
creación de la geometría del modelo y su
El presente proyecto implica el desarrollo del
modelo geométrico de intercambiadores, el cual se
llevó a cabo empleando la herramienta CAD:
SolidEdge®, cuyos archivos se convierten al
formato genérico: .igs, para ser importados al
módulo CAD: DesignModeler® (de ANSYS
56
integración en un dominio físico, la generación de la
malla y la elección de un esquema de cálculo
numérico adecuado son factores importantes que
pueden determinar el nivel de éxito del proceso de
simulación; el CFD utilizado fue ANSYS CFX12.0®, integrado a la plataforma ANSYS
Workbench® que combina CAD (modelado
geométrico), soluciones de mallado complejas,
algoritmos de solución rápida y herramientas de
post-procesamiento [6].
es donde ni el flujo de calor, ni la temperatura de
pared, son constantes [5], pero la simulación sin la
presunción de condiciones constantes implica el
trabajo con los dos fluidos que intercambian calor,
lo cual incrementa la necesidad de memoria y
tiempo de cómputo, generalmente innecesaria al
ver el buen acercamiento a datos experimentales
que han tenido las simulaciones con el supuesto de
condiciones constantes. Por esto en el presente
proyecto de investigación se simularon solo flujos
internos o externos suponiendo temperaturas o flux
de calor constantes en la pared.
Rahul Kharat, y otros, desarrollaron una correlación
para el coeficiente de transferencia de calor para
intercambiadores concéntricos de tubo en espiral
helicoidal, empleando datos experimentales y
simulaciones CFD efectuadas con Fluent®. El
modelo tridimensional del dominio fluido utilizado
para el análisis se construyó en SolidEdge V20®, la
malla se generó en Gambit® y se exportó a Fluent®
[7].
El desarrollo CAD del volumen de control que es
atravesado por dichos flujos, se llevó a cabo con la
herramienta SolidEdge® de Siemens haciendo uso
de los comandos de protrusión por barrido para el
desarrollo de los volúmenes de control internos.
András Zachár estudió la mejora en la transferencia
de calor en intercambiadores de tubo en espiral
helicoidal con el torsionado mediante un nervio
corrugado helicoidal que induce movimiento de
remolino adicional al flujo secundario característico
de la curvatura; compara los resultados calculados
con CFX 11.0® contra fórmulas empíricas y
pruebas experimentales existentes para investigar
la validez de los resultados numéricos [8]. La Figura
3 muestra la configuración básica de las bobinas
con corrugación helicoidal usadas en el estudio con
las dimensiones tabuladas.
El presente año, Mokkapati & Lin investigaron un
intercambiador de tubos rectos concéntricos
mejorado con el uso de tubo corrugado anular y la
inserción de una cinta torsionada y evaluaron su
impacto en la recuperación de calor de los gases
de escape de un generador diésel; el rendimiento
de la transferencia de calor se investigó a través de
simulaciones utilizando SolidWorks CFD®, la
geometría estudiada puede apreciarse en la Figura
4 [9].
Fig.1. Modelo geométrico usado por Kumar [4].
2. METODOLOGÍA
En lo que respecta a las condiciones de frontera, la
mayoría
de
los
trabajos
que
implican
intercambiadores de calor han utilizado temperatura
de pared o flujo de calor constantes como
condiciones de contorno, sin embargo, una
condición de frontera realística que poco se explora
Fig.2. Modelo geométrico usado por Rennie &
Raghavan [5] y Huminic & Huminic [6]
57
Desarrollo de la trayectoria
El comando: curva según tabla, usa una hoja de
cálculo Excel® para definir una curva de
construcción, la hoja de cálculo incrustada en el
documento SolidEdge facilita la importación y
administración de curvas calculadas y se pueden
usar estas curvas como trayectoria para construir
protrusiones por barrido [10]. Para las simulaciones
del presente proyecto se calcularon curvas
helicoidales como trayectorias, excepto cuando se
compararon los resultados de intercambiadores
curvados contra intercambiadores de tubo recto,
para los cuales su uso una línea recta como
trayectoria de barrido; los parámetros de las hélices
empleadas son presentados en la Tabla 1.
Recordando que una hélice cilíndrica es una curva
que corta a las rectas paralelas al eje del cilindro
con un ángulo constante, tal que la distancia entre
dos puntos de corte consecutivos de la hélice con
cualquiera de las rectas es una constante llamada
paso helicoidal, se desarrollaron las diferentes
trayectorias teniendo en cuenta que, desde un
punto de vista analítico, una hélice queda definida
por las siguientes expresiones paramétricas [11]:
(1)
(2)
(3)
Dónde:
Fig.3. Modelo geométrico usado por Zachár [8]
: Coordenadas cartesianas de cada punto
que describe la trayectoria [mm]
Esto último implica definir la trayectoria por la que
se desea pasar la sección transversal para
construir la operación, y definir el perfil de dicha
sección transversal para mostrar el aspecto que
tendrá la operación y construirla, después permite
editarla [10].
: Ángulo barrido por la hélice [rad]
: Radio de hélice [mm]
: Paso helicoidal [mm]
Desarrollo de la sección transversal
Para las simulaciones del presente proyecto se
emplearon
cinco
secciones
transversales
principales, las más simples corresponden a los
casos de tubo liso que fueron estudiados con el fin
de hacer comparaciones, para flujos internos se
emplea un círculo y para flujos externos una corona
circular (área plana limitada por dos circunferencias
concéntricas); para simular los tubos torsionados se
emplearon las secciones transversales que se
presentan en la Figura 5, en (a) puede apreciarse la
sección que se usó para validar la herramienta de
Para el desarrollo de los volúmenes de control
externos se sigue el procedimiento anterior para
desarrollar la geometría que servirá de herramienta
de corte en la ejecución de una operación
booleana. Al finalizar, todas las geometrías fueron
convertidas al formato .igs para ser exportadas al
software designModeler® donde fueron reparadas
para el posterior proceso de discretización de
volúmenes.
58
simulación a partir de los resultados presentados
por András Zachár [8], en (b) y (c) se ilustran las
secciones empleadas para el estudio de flujos
interno y externo, respectivamente; éstas áreas son
caracterizadas por un parámetro conocido como
diámetro hidráulico, que se calcula como el
cociente de cuatro veces el área de la sección
transversal entre su perímetro húmedo; los
parámetros de las secciones transversales
empleadas son presentados en la Tabla 1.
Fig.4. Modelo geométrico usado por Mokkapati & Lin [9]
Tabla 1. Parámetros de las geometrías desarrolladas en el presente estudio
Radio
Paso
Diámetro
Número
Longitud
Consecutivo
Helicoidal
Helicoidal
Hidráulico
de vueltas
[mm]
simulación
[mm]
[mm]
[mm]
1
∞
N/A
N/A
500
25.00
2
∞
N/A
N/A
560
17.70
3
185
40.0
1
1163
20.00
4
185
40.0
1
1163
19.25
5
225
63.5
1
1438
16.12
6
∞
N/A
N/A
4314
31.20
7
225
63.5
3
4314
31.20
8
225
63.5
3
4314
29.44
9
225
63.5
3
4314
29.44
10
225
63.5
3
4314
29.44
11
225
63.5
3
4314
29.44
12
225
63.5
3
4314
29.44
59
Paso
Torsional
[mm]
N/A
15.95
N/A
46.52
86.26
N/A
N/A
431.32
215.66
143.77
107.83
86.26
construcción o un sólido de construcción como
herramienta [10], en el presente proyecto se usó el
comando operación booleana para crear una
cavidad en el volumen encerrado por el tubo
exterior, primero, se creó dicho volumen,
seguidamente, se usó el comando copiar parte para
insertar el modelo existente de flujo interno, y a
continuación se usó el comando operación
booleana para substraer el cuerpo de construcción
del sólido.
Fig.5. Secciones transversales empleadas en esta
investigación (a) empleada por Záchar, (b) estudio
flujo interno, y (c) estudio flujo externo.
Desarrollo de flujos internos: Torsión
La herramienta torsión construye la operación por
barrido retorciendo el perfil de la sección
transversal alrededor de la curva trayectoria, si se
especifica un número positivo la torsión se aplica
en sentido horario desde el punto inicial de la curva
de trayectoria, de lo contrario se aplica en sentido
anti-horario, si se especifica cero no se aplica
torsión. Puede definirse según el número de vueltas
que se retuerce la sección transversal a lo largo de
la curva de trayectoria completa, determinando el
número de vueltas por unidad longitud de
trayectoria, o de acuerdo al ángulo de torsión en los
puntos inicial y final de la trayectoria [10]. Las
geometrías que se emplearon para representar las
condiciones
en
intercambiadores
de
tubo
torsionado
en
espiral
helicoidal
fueron
desarrolladas empleando esta herramienta, sus
parámetros de torsión se aprecian en la Tabla 1.
Importación y reparación de geometrías
DesignModeler® es la puerta a la manipulación de
la geometría para la simulación, es completamente
paramétrico y tiene conexiones con los principales
sistemas CAD, proporciona potentes herramientas
para la construcción geométrica sobre un núcleo
Parasolid® con motor robusto que cumple con los
estándares de la industria, bocetos bidimensionales
pueden ser extruidos en sólidos y luego
modificados con operaciones booleanas, la historia
del desarrollo geométrico se registra permitiendo al
usuario hacer cambios y actualizar el diseño [12].
Con respecto a la extensión de archivo .igs que se
usa en este proyecto de investigación, resulta ser
un formato gráfico vectorial 2D/3D basado en la
Especificación de Intercambio Gráfico Inicial (IGES
– Initial Graphics Exchange Specification), utilizado
por muchos programas CAD como un formato
basado en texto según el Código Estándar
Estadounidense para el Intercambio de Información
(ASCII - American Standard Code for Information
Interchange) para guardar y exportar datos
vectoriales, puede almacenar modelos de alambre,
superficie o representaciones de objetos sólidos,
diagramas de circuito, y otros objetos; se introdujo
en 1979 y se convirtió en el estándar para la
transferencia de modelos tridimensionales entre los
programas CAD; en los últimos años, sin embargo,
ha sido reemplazado por el formato “.stp” más
reciente [13].
Desarrollo de flujos externos: Booleano
Siguiendo el procedimiento anterior se modela el
volumen al interior del tubo externo del montaje de
tubos concéntricos, posteriormente se inserta una
copia de la pieza que se sustraerá de dicho
volumen, ésta es alguna de las que fueron
desarrolladas como geometrías de flujo interno
aplicando la metodología ya descrita. SolidEdge®
permite construir nuevas piezas usando la copia de
una pieza o conjunto existente que puede ser la
operación de base de la nueva pieza o usarse
como geometría de construcción, puede ser
asociativa al original si la pieza se inserta en el
entorno ordenado, y también puede definir
opciones para escalar, aplicar simetría y desarrollar
la pieza copiada, o se puede añadir operaciones a
la copia con independencia de la pieza original y
conservar aún un vínculo asociativo con la pieza de
base con la que empezó [10].
DesignModeler® permite la limpieza y reparación
de geometrías problemáticas que son un cuello de
botella importante en la simulación, las
herramientas de limpieza y reparación detectan
automáticamente y corrigen problemas típicos,
como bordes pequeños, caras astilladas, agujeros,
costuras y ángulos agudos; esto permite que los
modelos que se prepararon para el análisis puedan
usarse apropiadamente [12].
El comando booleano lleva a cabo una operación
de unión, diferencia o intersección en una pieza con
un plano de referencia, una superficie de
60
ilustrado en la Figura 5 (a), en el tercero se
desarrolló el fluido interno en un intercambiador de
tubo en espiral helicoidal liso de una sola espira, en
el cuarto un tubo en espiral helicoidal torsionado
con una vena corrugada helicoidal con profundidad
de 2mm que se generó a partir de un perfil como el
ilustrado en la Figura 5 (a), y en el quinto se simuló
un tubo en espiral helicoidal torsionado que se
generó a partir de un perfil como el ilustrado en la
Figura 5 (b). Para mayor claridad obsérvese la
Figura 6.
El proyecto de desarrollo de correlaciones exigió la
construcción de 12 geometrías; la fase de
validación de la herramienta numérica consistió en
una serie de cinco proyectos de simulación de
flujos internos, en el primero se desarrolló el flujo
en un intercambiador de calor de tubo recto liso, en
el segundo se estudió un tubo recto torsionado
cuya vena corrugada tuvo una profundidad de
1.03mm que se generó a partir de un perfil como el
Fig.6. Geometrías de la fase de validación – flujos internos
61
Las 7 geometrías restantes representan flujos
externos, en la sexta se desarrolló el flujo en un
intercambiador de calor de tubo recto liso generada
a partir de una corona circular, en la séptima se
estudió un tubo recto torsionado que se generó a
partir de un perfil como el ilustrado en la Figura 5
(c) al igual que las demás, a partir de la octava se
desarrolló el fluido externo en un intercambiador de
tubo en espiral helicoidal torsionado de tres espiras
variando periódicamente el paso torsional (ver
Tabla 1). Las geometrías de esta fase del proyecto,
que corresponde al desarrollo numérico de
correlaciones, pueden apreciarse en la Figura 7.
temática de incrementar aún más la transferencia
de calor en tubos en hélice con técnicas pasivas
como el tallado de hélices alrededor del tubo, lo
hace de forma teórica sin validación experimental y
propone correlaciones, pero deben estudiarse
geometrías más complejas y los efectos que pueda
traer el incremento en la caída de presión. Al final
de su proyecto Zachár afirma que el intercambiador
de calor con las dos mejoras pasivas (tubo curvado
y torsionado) muestra 80-100% de aumento de la
velocidad de transferencia de calor del lado interior
debido al movimiento de remolino desarrollado,
mientras que el fabricante Turbotec® presenta
como ventajas, de sus tubos e intercambiadores de
calor con tubo en espiral helicoidal torsionado, un
incremento de 350% en la transferencia de calor
[15], razón por la cual la empresa E.S. Energía
Solar Ltda. en contrapartida con el Instituto
Tecnológico Metropolitano de la ciudad de
Medellín, han financiado el presente proyecto de
investigación. La Figura 8 permite comparar las
geometrías descritas, en (a) la geometría de
Zachár, en (b) la geometría desarrollada en el
presente estudio para la fase de desarrollo de
correlaciones, y en (c) la geometría comercial de
Turbotec®, el contraste podría explicar la diferencia
entre los resultados de investigación y la oferta
comercial industrial.
La selección de las geometrías anteriormente
presentadas obedeció a diferentes criterios, la fase
de validación, en los primeros cuatro proyectos de
simulación buscó alcanzar diferentes resultados
obtenidos por András Zachár [8], y en los casos
más simples comparó también el uso de las
correlaciones presentadas en [14], además se pudo
comprobar el efecto de la aplicación de técnicas de
mejora pasiva a intercambiadores al evidenciar el
incremento en la transferencia de calor cuando se
usa tubo curvado y cuando se agrega la vena
corrugada helicoidal. Pero ya en la propuesta del
presente proyecto de investigación se denota como
problema el hecho de que Zachár aborda la
Fig.7. Geometrías de la fase de desarrollo de correlaciones – flujos externos
62
Fig.8. Comparación entre geometrías de (a) Zachár [8], (b) presente estudio y (c) Turbotec® [15]
4. CONCLUSIONES Y TENDENCIAS
5. AGRADECIMIENTOS
Se han desarrollado geometrías que representan el
volumen de control de los flujos que circulan a
través de intercambiadores de calor de tubos
concéntricos, de tal manera que se ha presentado
la metodología detallada que permite crear los
volúmenes interno o externo del intercambiador
para llevar el archivo CAD al entorno CAE y
aplicando técnicas, como volúmenes finitos, poder
hacer análisis computacional de su dinámica.
Está investigación y las subsiguientes son
patrocinadas
por
el
Instituto
Tecnológico
Metropolitano con el aval del grupo de investigación
en Materiales Avanzados y Energía (MATyER) en
contrapartida con la empresa E.S. Energía Solar
Ltda.
[1] D. J. Kasik, W. Buxton y D. R. Ferguson, «Ten
CAD Challenges,» IEEE Computer Graphics and
Applications, nº 05, pp. 81-92, 2005.
Se han presentado, a modo de revisión, las
geometrías desarrolladas y las herramientas
empleadas por otros investigadores del tema, en
particular las geometrías empleadas por Zachár,
quien es el primero en estudiar numéricamente el
efecto de combinar dos técnicas pasivas de mejora
en intercambiadores: la curvatura y el torsionado
del tubo. Se concluye que la geometría
desarrollada en el presente estudio es más
realística si queremos estudiar la mejora propuesta
por la tecnología Turbotec® y su aplicación en
sistemas locales de calefacción.
[2] N. Bilalis, «COMPUTER AIDED DESIGN CAD,»
INNOREGIO: dissemination of innovation and
knowledge management techniques, january 2000.
[3] D. E. Weisberg, «http://www.cadhistory.net/,»
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«Pressure drop and heat transfer study in tube-intube
helical
heat
exchanger,»
Chemical
Engineering Science, vol. 61, pp. 4403-4416, 2006.
Posteriormente, se realizará el análisis CFD de los
intercambiadores y se desarrollarán correlaciones
numéricas que permitan predecir la transferencia
de calor y la caída de presión en estos dispositivos,
dichos
resultados
deberán
ser
validados
experimentalmente para su uso.
[5] T. J. Rennie y V. G. Raghavan, «Numerical
studies of a double-pipe helical heat exchanger,»
63
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odeler/Features. [Último acceso: 2014].
[13] FileInfo.com «FileInfo.com» FileInfo.com, 2014.
[En línea]. Available:
http://www.fileinfo.com/extension/igs.
[Último
acceso: 2014].
[14] J. G. Ardila Marín y D. A. Hincapié Zuluaga,
«Intercambiadores de Calor de Tubo en Espiral,»
UIS Ingenierías, vol. 11, nº 2, pp. 203-213, 2012.
[15] Turbotec Products,Inc. , «Pool-Safe,» Turbotec
Products,Inc. , 2010. [En línea]. Available:
64
DISEÑO DE CONTROLADORES PI Y PID FRACCIONARIOS
PARA REGULAR LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DC
UTILIZADO PARA MANEJAR UN GENERADOR DE ENERGÍA
1
2
3
Luis Eduardo García Jaimes , Carlos Andrés Velásquez Ospina , Héctor Wilson López Espinosa
1
Magister en Educación Universidad de Antioquia, Especialista en Automatización Industrial Universidad del
Valle. E-mail: [email protected]
2
Ing. en Instrumentación y Control. Estudiante de maestría en informática énfasis en automatización y
robótica de la universidad católica del norte, Antofagasta – Chile. E-mail: [email protected]
3
Ing. en Instrumentación y Control. Medellín - Colombia. E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se presenta el diseño de un controlador PID fraccionario para regular la velocidad de un motor de DC que
mueve un generador de energía eléctrica y su desempeño es comparado con el de un controlador PID
convencional sintonizado utilizando el método del lugar geométrico de las raíces. El trabajo se divide en tres
partes así: en la primera parte se establece el comportamiento dinámico del sistema de generación de
energía formado por dos motores de DC, uno funcionando como motor propiamente dicho y otro como
generador, en la segunda parte, se plantean las bases teóricas del cálculo fraccionario y del diseño de
controladores PID fraccionarios y, en la tercera parte, se diseñan e implementan los algoritmos de control
PID fraccionario y PID convencionales para el sistema motor-generador y se compara el desempeño de los
algoritmos diseñados. Los resultados obtenidos indican que el controlador PID fraccionario puede ser una
buena opción para realizar el control de procesos industriales.
Palabras clave: sistema de control, PID fraccionario, NINTEGER, identificación, motor-generador.
Recibido: 25 de octubre de 2014.
th
Received: October 25 , 2014.
th
DESIGN OF A FRACTIONAL PID CONTROLLER FOR A DC MOTOR USED FOR DRIVING A POWER
GENERATOR
ABSTRACT
The design of a fractional PID controller to regulate the speed of a DC motor driving an electric generator is
presented and its performance compared with that of a conventional PID controller tuned using the root locus
method. The work is divided into three parts as follows: in the first part the dynamic behavior of the system
power generation consists of two DC motors, one running as the engine itself and the other as a generator, in
the second part, states raised the theoretical basis of fractional calculus and fractional PID controller design
and in the third part, was designed and implemented fractional PID control algorithms and conventional PID
controller for motor-generator and performance system is compared. The results indicate that the fractional
PID controller can be a good option for control of industrial processes.
Keywords: control system, PID fractional, NINTEGER, identification, engine-generator.
65
1. INTRODUCCIÓN
referencia (MRAC). La implementación se realizó
en un controlador industrial NI compact Field Point
programado en ambiente LabView. Hernández
(2013), modela el
sistema de combustión de
un horno cementero rotatorio de proceso húmedo,
utilizando un balance de energía
y una
identificación de orden fraccionario y diseña un
controlador de orden fraccionario en combinación
con un método específico para hallar las
ganancias proporcionales usando LQR Linear
Quadratic Regulator.
Este artículo se ha estructurado desde los
fundamentos y definiciones básicas del control
fraccionario hasta las estrategias de implantación
de controladores, incluyendo la identificación del
sistema y el diseño de los controladores.
El cálculo fraccionario es la extensión del cálculo
que permite considerar la integración y la
derivación de cualquier orden, no necesariamente
entero. En el dominio del tiempo, los operadores
derivada e integral fraccionarios vienen definidos
por la operación de convolución, por lo que están
especialmente indicados para describir fenómenos
de memoria. En el dominio de Laplace, dichos
operadores se corresponden con el operador
𝑠𝑠 𝛼𝛼 , 𝛼𝛼 ∈ ℝ.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Descripción del sistema motor-generador
El sistema implementado cuenta con dos motores
de corriente continua de 24V. El primero se utiliza
propiamente como motor y el segundo, movido por
el primero, trabaja como generador, se desea
controlar el voltaje generado.
El uso de controladores del tipo PID fraccionarios
permite, frente al PID convencional, la aplicación de
hasta cinco especificaciones de diseño, ya que
cuentan con cinco parámetros a sintonizar. El
método de sintonía propuesto se basa en
especificaciones de frecuencia de cruce de
ganancia, margen de fase, robustez ante cambios
en la ganancia de la planta, restricción en la función
de sensibilidad y rechazo al ruido de alta
frecuencia.
El hardware para el sistema de monitoreo y control
del sistema está dispuesto como se indica en la
figura 1 y lo constituyen los siguientes elementos:
• Tarjeta de adquisición de datos: P-TAD S01
BASIC-USB DAQ Multifunción, 10 bits, 25kS/s con
8 entradas análogas de 0 a 5v dos salidas análogas
de 0 a 5V, 7 salidas digitales y 8 entradas digitales
• Sistema de acondicionamiento de la señal: toma
el voltaje de salida del generador de 12V y lo
convierte en señal de 0 a 5V
• Sistema de potencia: realiza la interfaz entre la
tarjeta de adquisición de datos y el motor. Recibe
señal de entrada de 0 a 5V y da una salida de 0 a
24V y 3A
• Computador.
• Generador: da una salida máxima de 24 VDC
• Motor de DC: alimentación de 24 VDC
El objetivo del trabajo es diseñar controladores PI y
PID fraccionarios para controlar la velocidad de un
motor de DC utilizado para manejar un generador
de energía y comparar su desempeño con el de
controladores PI y PID convencionales utilizando el
método del lugar geométrico de las raíces (LGR). El
empleo de los controladores fraccionarios en
aplicaciones industriales está en etapa de
desarrollo de ahí la importancia de este trabajo. En
Romero (2010), se presenta la aplicación de las
herramientas de cálculo fraccionario al control
predictivo basado en modelos, con la idea de
extender la metodología y generalizar su
formulación, de tal forma que se puedan conjugar
las ventajas de ambas disciplinas. Von Borries
(2012) analizó la estabilidad y realizó simulaciones
de un sistema adaptable basado en el Modelo de
Error, usando leyes de ajuste con la derivada
fraccionaria de Caputo de orden α ∈ (0 , 1],
estudiando primero el caso escalar y luego, el caso
vectorial. Johnson (2010) implementa y evalúa
comparativamente
tres estrategias de control:
Control PI Tradicional, Control PI Fraccionario
(FOPI) y Control adaptativo
por modelo de
PC
SISTEMA
DE POTENCIA
TAD
MOTOR
GENERADOR
ACONDICIONAMIENTO
DE LA SEÑAL
Fig. 1. Hardware para monitoreo y control del
sistema
66
2.2 Respuestas del sistema a la señal escalón.
La figura 2 muestra la respuesta del sistema
correspondiente al voltaje producido por el
generador, este voltaje es proporcional a la
velocidad de giro del motor y, por esta razón, es la
variable que permite realizar el control de la
velocidad. Para obtener la dinámica del sistema se
analiza la respuesta correspondiente a cada
escalón y se obtienen modelos de primer orden con
retardo. Los modelos obtenidos se validan y,
finalmente se promedian sus parámetros para
obtener el modelo definitivo.
La identificación del sistema a partir de este
escalón dio como modelo:
𝐺𝐺(𝑠𝑠) =
1.23𝑒𝑒 −0.0154𝑆𝑆
0.035𝑆𝑆 + 1
(2)
1.25𝑒𝑒 −0.016𝑆𝑆
(3)
0.034𝑆𝑆 + 1
El modelo correspondiente a este escalón es:
2.3 Identificación del sistema motor-generador.
A continuación se presentan las respuestas
individuales correspondientes a cada uno de los
escalones. A la respuesta de cada escalón se le
hizo una traslación de ejes con el fin de referenciar
a cero las señales y facilitar el proceso de
identificación. Esto se puede observar en las
figuras 3, 4, 5 y 6. Para la identificación se utilizó el
tolboox IDENT de MATLAB.
Planta de primer orden:
1.23𝑒𝑒 −0.0118𝑆𝑆
0.032𝑆𝑆 + 1
(4)
Con los modelos obtenidos se estima un modelo
promedio cuya discretización con un periodo de
muestreo 𝑇𝑇 = 0.01 𝑠𝑠 da como resultado:
𝐺𝐺(𝑧𝑧) =
1.22𝑒𝑒 −0.017𝑆𝑆
(1)
0.031𝑆𝑆 + 1
Fig. 2.
Respuesta del sistema ante los
estímulos
0.1732𝑧𝑧 + 0.1488
𝑧𝑧 3 − 0.7385𝑧𝑧 2
(5)
Fig. 3. Datos trasladados escalón del 20%-40%
en forma de escalón
en forma de escalón
67
Fig. 6.
100%.
2.5 Sintonía
de
los
controladores
PID
fraccionarios
• Ajuste mediante el Método de respuesta en
frecuencia: este método de sintonía propuesto para
estos controladores se basa en establecer
especificaciones de frecuencia de cruce por cero
𝜔𝜔𝑐𝑐 , margen de fase 𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 , robustez ante cambios en
la ganancia de la planta, restricción en la función de
sensibilidad y rechazo al ruido de alta frecuencia.
Este método calcula, mediante un algoritmo
iterativo, el valor de los parámetros del controlador
que minimiza estas cinco funciones. Este problema
de minimización no lineal se ha resuelto empleando
la función fmincon de Matlab (Matlab 2013) y
(Monje, 2004)
Datos trasladados escalón del 80% al
2.4 Controladores PID fraccionarios
En la actualidad, los controladores industriales sólo
permiten la ejecución de tres acciones básicas de
control, a saber: Proporcional (P), Integral (I) y
Derivativa (D) y con estas se pueden obtener
controladores P, PD, PI o PID. En este trabajo se
presenta la generalización de las anteriores
acciones básicas de control. Esta generalización se
logra utilizando operadores integro-diferenciales de
orden fraccionario para obtener las acciones
Derivativa e Integral de orden no entero. Al realizar
esta generalización, además de los tres parámetros
de ajuste de que disponen los controladores PID
clásicos (la ganancia proporcional 𝐾𝐾𝑝𝑝 , y las
ganancia integral y derivativa, 𝐾𝐾𝑖𝑖 y 𝐾𝐾𝑑𝑑 ), se añade la
posibilidad de ajustar el orden de integración (𝜆𝜆) y
de la derivada (𝜇𝜇), con lo que se incrementa en dos
el número de parámetros susceptibles de ajuste.
Los ajustes se realizan con el cumplimiento de las
siguientes especificaciones:
1. La ganancia a la frecuencia de cruce de
ganancia 𝜔𝜔𝑐𝑐 debe ser igual a 1 es decir 0 dB
|𝐹𝐹(𝑤𝑤𝑐𝑐 )| = �𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )� = 1
(7)
2. El Margen de fase 𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 debe ser constante con
valor:
𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎�𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )� = 𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 − 𝜋𝜋 (𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟)
3. Rechazo al ruido en alta frecuencia 𝜔𝜔ℎ en lazo
cerrado debe ser
𝐶𝐶(𝜔𝜔ℎ ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔ℎ )
|𝑇𝑇(𝜔𝜔ℎ )| = �
� < 𝐻𝐻
(8)
1 + 𝐶𝐶(𝜔𝜔ℎ ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔ℎ )
En donde T es la función de sensibilidad
complementaria y H es la atenuación del ruido
deseada para frecuencias mayores que 𝜔𝜔ℎ
El controlador 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 fraccionario se formula como:
𝐾𝐾𝑖𝑖
𝑀𝑀(𝑆𝑆)
= 𝐾𝐾𝑝𝑝 + 𝜆𝜆 + 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑆𝑆𝜇𝜇
(6)
𝐶𝐶(𝑆𝑆) =
𝐸𝐸(𝑆𝑆)
𝑆𝑆
En la figura 7 se muestra la región de trabajo de un
controlador 𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 fraccionario. Si 𝜆𝜆 = 1 y 𝜇𝜇 = 1 se
tendrá el controlador 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 convencional
4. Rechazo de perturbaciones de la salida en
lazo cerrado
1
|𝑆𝑆(𝜔𝜔𝑙𝑙 )| = �
� < 𝑁𝑁
(9)
1 + 𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑙𝑙 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑙𝑙 )
En donde 𝑁𝑁 es el valor deseado para la función de
sensibilidad 𝑆𝑆 para frecuencias menores que 𝜔𝜔𝑙𝑙
5. Robustez ante variaciones en la ganancia de
la planta
𝜕𝜕
𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎�𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )� = 0
(10)
𝜕𝜕𝜕𝜕
µ
µ =1
PD
P
0
PID
PI
λ =1
Fig. 7. Representación
fraccionario (sombreado).
En todas las expresiones anteriores 𝐶𝐶(𝑆𝑆)
representa la función de transferencia del
controlador y 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝑆𝑆) representa la de la planta.
λ
La función a minimizar es:
gráfica
de
un
PID
|𝐹𝐹(𝑤𝑤𝑐𝑐 )| = �𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )�
68
(11)
• Ajuste por tablas o Reglas de ajuste: existen
tablas con reglas de ajuste como las que se han
propuesto para los controladores 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 enteros.
Éstas han sido obtenidas previamente mediante
optimización fijando los valores de los parámetros
para plantas del primer orden con retardo (POR) y
obteniendo los cinco parámetros que definen al 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
fraccionario. En (Valério, 2005) se pueden
encontrar varias tablas resumen de estos valores
de ajuste para el 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 en función de sus
parámetros. La gran utilidad de estas tablas es que
pueden ser aplicadas incluso sin disponer del
modelo exacto de la planta a controlar.
•
Rechazo al ruido en alta frecuencia (𝜔𝜔ℎ =
10𝜔𝜔𝐶𝐶 ) menor de 20 dB (<0.01)
•
𝐶𝐶(𝜔𝜔ℎ ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔ℎ )
|𝑇𝑇(𝜔𝜔ℎ )| = �
� < 0.01 (16)
1 + 𝐶𝐶(𝜔𝜔ℎ ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔ℎ )
3 RESULTADOS
Haciendo 𝑆𝑆 = 𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 = 22 ∗ 𝑖𝑖 en la ecuación del
controlador y en la función de transferencia del
proceso y asumiendo 𝜇𝜇 = 0.6 se obtiene:
𝐾𝐾𝑖𝑖
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (22𝑖𝑖)𝜇𝜇
(18)
𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) = 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
(22𝑖𝑖)0.6
−0.33𝑖𝑖
1.23𝑒𝑒
𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) =
(19)
0.726𝑖𝑖 + 1
De la ecuación (19) se deduce qué: |𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 )| = 1 y
∠𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) = −36.3∘ = 0.633 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟.
Rechazo de perturbaciones de la salida (𝜔𝜔𝑙𝑙 =
0.1𝜔𝜔𝐶𝐶 ) menor de 20 dB (<0.01)
1
|𝑆𝑆(𝜔𝜔𝑙𝑙 )| = �
� < 0.01
(17)
1 + 𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑙𝑙 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑙𝑙 )
En todas las expresiones anteriores 𝐶𝐶(𝑆𝑆)
representa la función de transferencia del
controlador y 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝑆𝑆) representa la de la planta.
3.1 Diseño del controlador PID fraccionario
El modelo promedio de la planta dio como
resultado:
1.23𝑒𝑒 −0.015𝑆𝑆
(12)
𝐺𝐺(𝑆𝑆) =
0.033𝑆𝑆 + 1
La figura 8 corresponde al diagrama de bode del
sistema sin el controlador y de ella se obtiene que:
y
𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 = 10.5 𝑑𝑑𝑑𝑑, 𝑀𝑀𝑀𝑀 = 126𝑜𝑜 , 𝜔𝜔𝑐𝑐 = 22 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠
𝜔𝜔𝜋𝜋 = 120𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠.
Haciendo 𝑆𝑆 = 𝑖𝑖𝜔𝜔ℎ = 220 ∗ 𝑖𝑖 en la ecuación del
𝐾𝐾𝑖𝑖
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (220𝑖𝑖)𝜇𝜇 (20)
𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔ℎ ) = 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
(220𝑖𝑖)0.6
1.23𝑒𝑒 −3.3𝑖𝑖
𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔ℎ ) =
(21)
7.26𝑖𝑖 + 1
De la ecuación (21) resulta: |𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔ℎ )| = 0.167 y
∠𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔ℎ ) = −54.8∘ = −0.957 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
Condiciones de diseño: Para el cálculo del
controlador 𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 , se asumen las siguientes
condiciones:
• Función a minimizar:
|𝐹𝐹(𝑤𝑤𝑐𝑐 )| = �𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )�
(13)
• La ganancia a la frecuencia de cruce de
ganancia 𝜔𝜔𝑐𝑐 es igual a 1 (0 dB)
|𝐹𝐹(𝑤𝑤𝑐𝑐 )| = �𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )� = 1
(14)
• Margen de fase 𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 debe ser de 60º (1.047 rad)
𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎�𝐶𝐶(𝜔𝜔𝑐𝑐 ) ∗ 𝐺𝐺𝑝𝑝 (𝜔𝜔𝑐𝑐 )� = 1.047 − 𝜋𝜋 (𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) (15)
Haciendo 𝑆𝑆 = 𝑖𝑖𝜔𝜔𝑙𝑙 = 2.2 ∗ 𝑖𝑖 en la ecuación del
𝐾𝐾𝑖𝑖
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (2.2𝑖𝑖)𝜇𝜇
(22)
𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑙𝑙 ) = 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
(2.2𝑖𝑖)0.6
1.23𝑒𝑒 −0.033𝑖𝑖
𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑙𝑙 ) =
(23)
0.0726𝑖𝑖 + 1
De la ecuación (28) se obtiene: |𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑙𝑙 )| = 1.23 y
∠𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑙𝑙 ) = 6∘ = 0.105 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟.
Combinando adecuadamente las ecuaciones 13 a
23 se obtienen las expresiones que conforman la
función que se debe minimizar y las restricciones
impuestas para dicha minimización. Al resolver las
ecuaciones resultantes utilizando la función fmincon
se obtienen los parámetros del controlador 𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 .
Fig. 8.
Diagrama de bode del sistema sin
controlador
69
Función a minimizar:
[ancho de banda]: es el ancho de banda
especificado para el controlador.
n: El número de ceros y polos de la aproximación.
'fórmula’: es el tipo de aproximación utilizada. Por
ejemplo ‘crone’ para sistemas continuos ó ‘tustin’
para sistemas discretos.
𝐾𝐾𝑖𝑖
|𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 )| = �𝐾𝐾𝑝𝑝 +
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (22𝑖𝑖)𝜇𝜇 � (24)
(22𝑖𝑖)0.6
Restricciones:
• Ganancia a la frecuencia de cruce de ganancia
𝜔𝜔𝑐𝑐 :
𝐾𝐾𝑖𝑖
ℎ(1) = �𝐾𝐾𝑝𝑝 +
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (22𝑖𝑖)𝜇𝜇 � = 1 (25)
(22𝑖𝑖)0.6
• Margen de fase de 60º (1.047 rad) 𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝜋𝜋 +
∠𝐺𝐺(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) + ∠𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) de acá se deduce que
∠𝐶𝐶(𝑖𝑖𝜔𝜔𝑐𝑐 ) = −65.2∘ = −1.137 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
𝐾𝐾𝑖𝑖
ℎ(2) = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 �𝐾𝐾𝑝𝑝 +
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (22𝑖𝑖)𝜇𝜇 �
(22𝑖𝑖)0.6
= −1.137 (26)
• Rechazo al ruido en alta frecuencia (𝜔𝜔ℎ = 10𝜔𝜔𝐶𝐶 )
menor de 20 dB (<0.01)
𝐾𝐾𝑖𝑖
0.167 ∗ � 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
(220𝑖𝑖)0.6
�
𝑔𝑔(1) = �
𝐾𝐾𝑖𝑖
1 + 0.167 ∗ � 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
0.6
(220𝑖𝑖)
< 0.01 32
(27)
•
Rechazo de perturbaciones de la salida
(𝜔𝜔𝑙𝑙 = 0.1𝜔𝜔𝐶𝐶 ) menor de 20 dB (<0.01)
𝑔𝑔(2) = �
1 + 1.23 ∗ � 𝐾𝐾𝑝𝑝 +
El código que se da a continuación permite obtener
controladores continuos y/o discretos a partir de un
controlador 𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 fraccionario:
clc
% Aproximación entera del controlador PID
fraccionario
kp=-0.54202;
ki=1.1277;
kd=0.24801;
lan=0.6;
u=0.2;
cc=nipid(kp,kd,u,ki,lan,[2 200],2,'crone')% Continuo
cd=nipid(kp,kd,u,ki,lan,0.01,'tustin') %Discreto
Como resultado se obtienen
funciones de transferencia:
las
siguientes
Controlador PID continuo equivalente:
𝑈𝑈(𝑆𝑆)
𝐸𝐸(𝑆𝑆)
0.07932𝑆𝑆 3 + 1.706𝑆𝑆 2 − 189.2𝑆𝑆 + 1782
=
𝑆𝑆 3 + 81.94𝑆𝑆 2 + 1592𝑆𝑆
1
�
𝐾𝐾𝑖𝑖
+ 𝐾𝐾𝑑𝑑 (2.2𝑖𝑖)𝜇𝜇 �
0.6
(2.2𝑖𝑖)
< 0.01 (28)
Como puede verse, la definición del problema
consta de una función a minimizar, dos igualdades
y dos desigualdades, elementos suficientes para
estimar
los
cuatro
parámetros
del
𝜆𝜆
necesarios
para
controlador: 𝐾𝐾𝑝𝑝 , 𝐾𝐾𝑖𝑖 , 𝐾𝐾𝑑𝑑 y
minimizar la función de costo.
(30)
Controlador PID discreto equivalente con 𝑇𝑇 =
0.01 𝑠𝑠 :
𝑈𝑈(𝑧𝑧)
𝐶𝐶(𝑧𝑧) =
𝐸𝐸(𝑧𝑧)
0.2205 − 0.21017𝑧𝑧 −1 + 0.32095𝑧𝑧 −2 − 0.08445𝑧𝑧 −3
=
(31)
1 − 𝑧𝑧 −1
El controlador estimado en Matlab con la función
fmincon es:
1.1277
𝑈𝑈(𝑆𝑆)
= −0.54202 +
𝐺𝐺(𝑆𝑆) =
𝑆𝑆 0.6
𝐸𝐸(𝑆𝑆)
0.2
+ 0.24801𝑆𝑆 (29)
3.2 Controlador PI fraccionario con ajuste por
tablas.
Teniendo en cuenta los parámetros del proceso
𝐾𝐾 = 1.23, 𝜏𝜏 = 0.033 𝑠𝑠 y 𝜃𝜃 = 0.015 𝑠𝑠 , los ajustes del
controlador son:
En el toolbox de control fraccionario denominado
“NINTEGER” (Valerio 2011), se proporcionan las
herramientas necesarias para transformar el
controlador PID fraccionario en una función de
transferencia con potencias de S enteras utilizando
el comando nipid el cual tiene la siguiente sintaxis:
𝛿𝛿 =
0.015
𝜃𝜃
=
𝜃𝜃 + 𝜏𝜏 0.033 + 0.015
1.1
1.0
𝜆𝜆 = �
0.9
0.7
C=
nipid(kp,kd,u,ki,lan,[ancho
de
banda],n,
'fórmula')
En donde:
kp, kd, u ,ki, lan: son los parámetros del
controlador.
𝐾𝐾𝑝𝑝 =
70
𝛿𝛿 = 0.3125
𝑠𝑠𝑠𝑠 𝛿𝛿 ≥ 0.6
𝑠𝑠𝑠𝑠 0.4 ≤ 𝛿𝛿 < 0.6
𝑠𝑠𝑠𝑠 0.1 ≤ 𝛿𝛿 < 0.4
𝑠𝑠𝑠𝑠 𝛿𝛿 < 0.1
1
0.2978
�
�
𝐾𝐾 𝛿𝛿 + 0.00037
(32)
𝜆𝜆 = 0.9 (33)
𝐾𝐾𝑝𝑝 = 0.7738
(34)
El tiempo de establecimiento del sistema en lazo
abierto es 𝑡𝑡𝑠𝑠 = 0.132 𝑠𝑠. Para realizar el diseño del
controlador se asume que el tiempo de
establecimiento del sistema en lazo cerrado es
y
que
el
coeficiente
de
𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = 0.1025 𝑠𝑠
amortiguamiento es 𝜉𝜉 = 0.8
0.8578
𝑇𝑇𝑖𝑖 = 𝜏𝜏 � 2
� 𝑇𝑇𝑖𝑖 = 0.01965 (35)
𝛿𝛿 − 3.4002𝛿𝛿 + 2.405
𝐾𝐾𝑝𝑝
𝐾𝐾𝑖𝑖 =
𝐾𝐾𝑖𝑖 = 39.3791
(36)
𝑇𝑇𝑖𝑖
Por lo tanto, el controlador 𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 es:
Las condiciones de diseño establecidas ubican el
polo dominante de lazo cerrado deseado en
𝑧𝑧 = 0.6488 ± 𝑗𝑗0.1949. Este polo debe cumplir la
condición de módulo y la condición de ángulo, es
decir:
39.3791
(37)
𝐶𝐶(𝑆𝑆) = 0.7738 +
𝑆𝑆 0.9
El sistema se simuló con este controlador y se
obtuvo una respuesta rápida, estable pero con
sobreimpulso muy alto (>40%), por lo que se hace
uso de la sugerencia propuesta en (Chen 2007),
con lo cual el controlador definitivo queda así:
33.4722
(38)
𝐶𝐶(𝑆𝑆) = 0.6577 +
𝑆𝑆 0.9
Controlador PI continuo equivalente:
0.6577𝑆𝑆 2 + 69.55𝑆𝑆 + 841.8
(39)
𝑆𝑆 2 + 25.18𝑆𝑆
Controlador PI discreto equivalente con 𝑇𝑇 = 0.01 𝑠𝑠 :
𝑈𝑈(𝑧𝑧)
𝐶𝐶(𝑧𝑧) =
𝐸𝐸(𝑧𝑧)
0.942 − 0.4302𝑧𝑧 −1 − 0.0511𝑧𝑧 −2 + 0.0056𝑧𝑧 −3
=
(40)
1 − 𝑧𝑧 −1
|𝐹𝐹(𝑧𝑧)| = 6.6607�(𝑞𝑞1 + 0.6488𝑞𝑞0 )2 + 0.03798𝑞𝑞0 2
=1
(46)
arg�𝐹𝐹(𝑧𝑧)�
𝑞𝑞0 𝑧𝑧 + 𝑞𝑞1
= 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 �
𝑧𝑧 − 1
0.1732(𝑧𝑧 + 0.8591)
∗
��
𝑧𝑧 2 (𝑧𝑧 − 0.7385)
𝑧𝑧=0.6488+𝑗𝑗0.1949
= −180
(47)
Resolviendo simultáneamente las ecuaciones (46)
y (47) se obtiene: 𝑞𝑞0 = 0.7152 y 𝑞𝑞1 = −0.5198
3.3 Diseño del controlador PID convencional
Para diseñar controladores PI o PID utilizando el
Lugar Geométrico de la Raíces es necesario que el
polo asignado cumpla dos condiciones: la condición
de modulo y la condición de ángulo.
Condición de módulo:
|𝐷𝐷(𝑧𝑧)𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑧𝑧)|𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 1
(41)
Condición de ángulo:
arg(𝐷𝐷(𝑧𝑧)𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑧𝑧))|𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = −180
Así el controlador PI es:
𝑈𝑈(𝑧𝑧) 0.7152𝑧𝑧 − 0.5198
=
(48)
𝐷𝐷(𝑧𝑧) =
𝑧𝑧 − 1
𝐸𝐸(𝑧𝑧)
• Diseño del controlador PID convencional.
Utilizando el método del lugar geométrico de las
raíces y con polos ubicados en 𝑧𝑧 = 0.6488 ±
𝑗𝑗0.1949 se diseñó un controlador PID discreto de
modo que se cumplieran la condición de módulo y
la condición de ángulo. Como este controlador tiene
tres parámetros
• por ajustar, se adicionó una tercera condición
haciendo que: 𝑞𝑞2 = −0.25𝑞𝑞1 . El resultado del
diseño dio el siguiente controlador PID:
(42)
• Diseño del controlador PI convencional. Para un
controlador PI discreto la función de transferencia
se puede escribir como:
𝑞𝑞0 𝑧𝑧 + 𝑞𝑞1
(43)
𝑧𝑧 − 1
La función de transferencia discreta del sistema con
𝑇𝑇 = 0.01 es:
0.1732(𝑧𝑧 + 0.8591)
𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑧𝑧) =
(44)
𝑧𝑧 2 (𝑧𝑧 − 0.7385)
𝑈𝑈(𝑧𝑧) 0.9843𝑧𝑧 2 − 1.0851𝑧𝑧 + 0.2712
=
𝑧𝑧(𝑧𝑧 − 1)
𝐸𝐸(𝑧𝑧)
(49)
4 DISCUSIÓN
Implementación de los controladores PID
fraccionario y PID convencional en el sistema
real
Para implementar los controladores fraccionarios se
hizo uso del toolbox NINTEGER de Matlab
desarrollado por Valério (Valério 2011). La figura 9
La función de transferencia en lazo abierto del
proceso está dada por:
𝐹𝐹(𝑧𝑧) = 𝐷𝐷(𝑧𝑧)𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑧𝑧)
𝑞𝑞0 𝑧𝑧 + 𝑞𝑞1 0.1732(𝑧𝑧 + 0.8591)
∗
(45)
𝐹𝐹(𝑧𝑧) =
𝑧𝑧 − 1
𝑧𝑧 2 (𝑧𝑧 − 0.7385)
71
muestra el diagrama en bloques utilizado para
realizar el control con Simulink.
La figura 10 corresponde a la respuesta del sistema
con el controlador fraccionario implementado
directamente en simulink utilizando el toolbox
Ninteger.
El bloque nipid corresponde al controlador
fraccionario, el bloque Analog output es el bloque
para la escritura de datos, el bloque analog input es
el bloque de lectura de datos, éstos dos bloques se
utilizan para realizar la comunicación entre la planta
y el computador mediante la tarjeta de adquisición
de datos. El bloque PTAD INIT habilita la tarjeta
para su funcionamiento y, finalmente el bloque
PTAD-SCOPE permite visualizar las variables que
intervienen en el proceso.
Se observa que el sistema se estabiliza con error
promedio cero, sin sobreimpulso y la acción de la
ley de control sobre el elemento final de control es
suave y sin oscilaciones significativas.
En la figura 11 se presenta la respuesta del sistema
con el controlador PID fraccionario en su forma
equivalente de potencias en S enteras la cual se
obtuvo mediante el comando nipid y la opción
crone. Al igual que con el controlador PID
Fraccionario original, la respuesta del sistema es
estable, sin sobreimpulsos y con error promedio
cero, la diferencia radica en que este es más lento
presentando mayor tiempo de establecimiento.
Resultados obtenidos con el controlador PI y
PID fraccionarios
Se calculó un controlador PID fraccionario
utilizando la función fmincon de Matlab y un
controlador PI fraccionario utilizando ajuste por
tablas. El cálculo de estos controladores se
presentó en el apartado anterior.
Fig. 9. Diagrama en Simulink para realizar el control fraccionario
Figura 11. Respuesta con el controlador PID
fraccionario Continuo equivalente
Figura 10. Respuesta con el controlador PID
fraccionario
72
con el controlador PID fraccionario en su forma
equivalente de potencias en z enteras la cual se
tustin. La respuesta no presenta sobreimpulso tiene
error cero en estado estable, menor tiempo de
establecimiento que los casos anteriores y el
trabajo de la ley de control sobre el elemento final
de control es suave y sin oscilaciones
considerables.
Fig. 12.
Respuesta con el controlador PID
fraccionario Discreto equivalente
La figura 13 muestra el comportamiento del
controlador PI fraccionario diseñado mediante
ajuste por tablas. Se observa una respuesta sin
sobreimpulsos, con error de estado estable igual a
cero y tiempo de establecimiento pequeño. La
acción sobre el elemento final de control es suave.
La figura 14 corresponde a la respuesta con el
controlador PI fraccionario continuo equivalente.
Esta respuesta presenta características similares a
las del PI fraccionario original, aunque se observa
una mayor sensibilidad en la respuesta que se
traduce en pequeñas oscilaciones como se aprecia
en la figura.
Fig. 13. Respuesta
fraccionario
con
el
controlador
PI
Fig. 14.
Respuesta con el controlador
fraccionario Continuo Equivalente
PI
Fig. 15.
Respuesta con el controlador
fraccionario Discreto Equivalente
PI
con el controlador PI fraccionario en su forma
equivalente de potencias en z enteras la cual se
tustin. El sistema presenta muy buena velocidad de
respuesta, no presenta sobreimpulso tiene error
cero en estado estable, y el trabajo de la ley de
control sobre el elemento final de control es suave y
sin oscilaciones considerables.
Resultados obtenidos con el PI y PID
convencionales
La figura 16 muestra la respuesta del sistema con
el controlador PI discreto convencional estimado
utilizando el método del LGR y asignación de polos.
Se puede observar que el sistema tiene muy buena
velocidad de respuesta, sin sobreimpulso, con error
de estado estable igual a cero y la acción de la ley
de control sobre el elemento final es adecuada.
En la figura 17 se muestra la respuesta del sistema
con el controlador PID Discreto Convencional
estimado utilizando el método del LGR y asignación
de polos. Se puede observar que el sistema tiene
muy buena velocidad de respuesta, sin
sobreimpulso, con error de estado estable igual a
cero y la acción de la ley de control sobre el
elemento final es adecuada.
73
tener elementos cuantitativos y cualitativos para
realizar la comparación.
Se analizan criterios de respuesta temporal como el
tiempo de establecimiento, el máximo sobreimpulso
y el error de estado estable, criterios de la integral
del error como IAE, IAET, ICE e ICET y criterios de
respuesta en frecuencia como el margen de
ganancia y el margen de fase. En la tabla 1 se
muestran los valores obtenidos con los diferentes
criterios de comparación.
Los resultados indican que los controladores que
presentan el mejor desempeño en cuanto a las
métricas de respuesta temporal son el PIDE (PI
fraccionario en su forma equivalente de potencias
en z enteras) y el PI discreto diseñado mediante el
método del LGR, mientras que en este aspecto los
de peor desempeño son el PIDCE (PID fraccionario
en su forma equivalente de potencias en S enteras)
y el PICE (PI fraccionario en su forma equivalente
de potencias en S enteras).
Fig.16. Respuesta con el controlador PI Discreto
Convencional
En cuanto a los criterios de error los de mejor
desempeño son el PID y el PI discretos diseñados
con el método del LGR.
En términos generales, se observó que el
desempeño de los controladores discretos fue
mejor que el de los controladores continuos, esto
es un indicativo de la versatilidad de los
controladores digitales y de su eficiencia al
momento de regular un proceso.
Fig. 17. Respuesta con el controlador PID Discreto
Convencional
Comparación del desempeño en el proceso real
Para comparar el desempeño obtenido en la
simulación con los diferentes controladores
diseñados se utilizaron diferentes métricas con el
fin de establecer suficientes criterios de análisis y
Tabla 1. Comparación del desempeño de los controladores implementados
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼
0.8909
0.1659
0.7147
0.0479
0.0950
0.0873
0.0820
0.0469
𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼
0.6760
0.0343
0.3423
0.0013
0.0138
0.0082
0.0076
0.0011
𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼
0.4820
0.0806
0.4907
0.0336
0.0462
0.0459
0.0422
0.0347
𝐼𝐼𝐶𝐶𝐸𝐸𝐸𝐸
0.2518
0.0072
0.1441
0.0005
0.0020
0.0019
0.0015
0.0005
𝑡𝑡𝑠𝑠
2
0.5
2.5
0.2
0.2
0.5
0.3
0.2
𝑀𝑀𝑝𝑝 %
0
0
0
2
20
55
30
0
74
𝑒𝑒𝑠𝑠𝑠𝑠
0
0
0
0
0
0
0
0
𝑀𝑀𝑀𝑀
6.2
4.5
13.9
11.1
5.3
5.1
7.7
12
𝜙𝜙𝑃𝑃𝑃𝑃
62.2
22.2
73.6
62.0
54.0
23.6
36.7
71.0
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 : Controlador PID fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃: Equivalente discreto PID
fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃: Equivalente continuo PID
fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃: Controlador PID convencional
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 : Controlador PI fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃:
Equivalente
discreto
PI
fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃:
Equivalente
continuo
PI
fraccionario.
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 : Controlador PI convencional.
Algunos autores como Ortiz y Cardona (2009)
quienes diseñaron un control PID tipo fraccional para
la posición del cabezal de una unidad de CD utilizado
en el desarrollo de un microscopio óptico motorizado
y Barbosa (2011) que compara el desempeño de un
controlador PID adaptativo y de un controlador PID
fraccionario para controlar la posición del vástago de
un cilindro lograron un sistema de respuesta rápida,
sin sobreimpulso y con una precisión aceptable,
resultados comparables con los obtenidos en el
presente trabajo.
ambos controladores arrojaron un resultado
satisfactorio en control de la salida de generación de
energía. Al comparar el desempeño del controlador
fraccionario con el control PID convencional por el
método del lugar de las raíces se concluyo que
ambos presentan un buen desempeño.
6 AGRADECIMIENTOS
Nuestro agradecimiento al Politécnico Colombiano
Jaime Isaza Cadavid por el acompañamiento y
suministros de implementos que permitieron llevar a
cabo este trabajo.
5 CONCLUSIONES
• Se aplicaron las bases teóricas del cálculo
fraccionario y del diseño de controladores PID
fraccionarios y se demostró que estos controladores
son una buena opción en el control de procesos.
7 REFERENCIAS
[1] Barbosa, L. Control fraccionario y adaptativo de
un cilindro neumático. Proyecto fin de carrera.
Escuela Politécnica Superior de la Universidad
Carlos III de Madrid. 2011.
• Se implementaron los algoritmos para el control
PID fraccionario y PID convencional de acuerdo a la
metodología de estudio establecida, arrojando
resultados satisfactorios en el comportamiento del
sistema.
[2] Chen (2007). Practical Tuning Rule Development
for Fractional Order Proportional and Integral
Controllers. Journal of computational and nonlinear
dynamics. Las Vegas. 2007.
• Con cualquiera de las estrategias de control
aplicadas se obtiene un buen seguimiento de
referencia de la velocidad del motor, con un
comportamiento estable y operando de forma
adecuada para una condición
de
operación
particular. Con los controladores lineales PI
clásico y PI fraccionario resulta factible conseguir
respuestas muy buenas en términos de velocidad
de respuesta, tiempo de establecimiento y máximo
sobreimpulso.
[3] Franklin et al. Feedback Control of Dynamic
Systems. 4ª Edición, New Jersey. Ed. Prentice Hall.
2002.
[4] García. Control Digital. Teoría y práctica.
Politécnico Colombiano JIC. Medellín. Tercera
Edición. ISBN 978-958-44-8641-7. 2011.
[5] Hernández, O. Metodología para modelar y
controlar un sistema de combustión utilizando cálculo
fraccional. Tesis. Instituto Tecnológico Metropolitano.
Facultad de Ingenierías. Maestría en Automatización
y Control Industrial Medellín. 2013.
• El PI fraccionario presenta ventajas frente al PI
clásico, pues posee un grado de libertad más que el
primero, permitiendo así ajustar a voluntad aún más
características de la respuesta.
[6] Johnson, V. Diseño e implementación de
estrategias de control avanzado sobre plataforma
Labview para un sistema de calentamiento inductivo
de fluidos. Tesis de grado. Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Ingeniería Eléctrica. Santiago De
Chile. 2010.
• Se aplicaron métodos de sintonía generales en el
dominio de la frecuencia para los reguladores de
orden fraccionario que garantizan el cumplimiento de
las especificaciones de respuesta en frecuencia:
frecuencia de cruce de ganancia (velocidad del
sistema) y margen de fase (sobreimpulso).
• Se han tenido en cuenta en el diseño de
controladores fraccionarios otros parámetros que
mejoran el desempeño de los controladores como
son la sensibilidad ante ruidos y perturbaciones cosa
que no se puede hacer en la sintonía de los
controladores PID convencionales.
[7] Matlab.
The
MathWorks.
Documentation, 9 edition. 2010.
• Se implementaron los sistemas de control PID
fraccionario y PID convencional en el sistema real,
75
MATLAB
[8] Matlab. Optimization Toolbox™ User's Guide©
COPYRIGHT 2013 by The MathWorks, Inc. 2013.
[9] Monje, C.A., Vinagre, B.M., Chen, Y.Q., Feliu, V.,
Lanusse, P., Sabatier, J., “Proposals for fractional
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 tuning”, FDA’04. pp. 156-161, Bordeaux,
France. 2004.
[10] Oldham, K.B. y J. Spanier. The Fractional
Calculus. Academic Press, New York. 1974.
[11] Ortiz, P y Cardona, L. Control PID tipo
fraccional para la posición del cabezal de una unidad
de CD para aplicaciones en microscopia óptica.
ITECKNE Vol. 9 Número 2 • ISSN 1692 – 1798.
2012.
[12] Podlubny, I. Fractional-Order Systems and
𝑃𝑃𝐼𝐼 𝜆𝜆 𝐷𝐷𝜇𝜇 Controllers. IEEE Transactions on Automatic
Control 44 Nº 1 Pp 208-214. 1999.
[13] Romero, H.M. Control Predictivo de Orden
Fraccionario. Tesis Doctoral. Universidad Nacional
de Educación A Distancia. Madrid. 2010.
[14] Sauchelli, V. H, Laboret, S. Cálculo Fraccional
Aplicado
a
Control
Automático.
Mecánica
Computacional. Volúmen X XVI, pp3308-3327.
Córdoba, Argentina. 2007.
[15] Saxena, et al. "On Fractional Kinetic
Equations."
http://arxiv.org/abs/math.CA/0206240.
2002.
[16] Valério, D. Fractional robust system control.
PhD thesis. Instituto Superior Técnico, Lisboa
(Portugal). 2011.
[17] Valério. Ninteger v. 2.3 Fractional control
toolbox for MatLab.Universidad Técnica de Lisboa
Instituto Superior Técnico. 2011.
[18] Von Borries, M. Estudio y Simulación de
Sistemas Adaptables Fraccionarios. Tesis de
Maestría. Universidad de Chile Facultad de Ciencias
Físicas y Matemáticas. Departamento Ingeniería
Eléctrica. Santiago de Chile. 2012.
76
Revista Politécnica ISSN 1900-2351(Impreso), ISSN 2256-5353 (En línea), Volumen 10, Año 10, Número 19, páginas 77-84, Julio-Diciembre de 2014
STATIC COMPENSATORS ASSESSMENT IN THE WIND POWER
SYSTEMS TRANSIENT STABILITY WITH INDUCTION
GENERATORS IN DISTRIBUTION NETWORKS
1
2
Luis Zapata , Esteban Velilla , Jesús María López Lezama
3
1
Electrical Engineer, University of Antioquia. E-mail: [email protected]
Master in Electrical Engineering, GIMEL Group, Department of Electrical Engineering, University of
Antioquia, E-mail: [email protected]
3
Ph.D. in Electrical Engineering, GIMEL Group, Department of Electrical Engineering, University of
Antioquia, Calle 70 No 52-21, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]
2
ABSTRACT
Currently, most wind power plants use induction generators in their operation. Due to their nature, these
generators are usually equipped either with static or dynamic compensation devices. This paper presents an
assessment of the use of static compensators in the stability of wind induction generators. To perform the
study, a base case was used in which a three-phase fault that destabilizes the network is simulated. Then, to
stabilize the network and avoid an eventual disconnection or damage of the wind power farm, three
compensation alternatives were considered: capacitors, STATCOM and SVC. The effectiveness and
performance of each of these alternatives were evaluated. Simulations were carried out in Simulink of
MATLAB@, showing satisfactory results for the compensation alternatives under study. The performed
simulations identified the STATCOM with IGBT as the most effective compensation under eventual
contingencies. On the other hand, it was found that all the studied alternatives are equally effective for
voltage compensation in steady state conditions.
Keywords: stability, static compensators, induction generators, wind farms.
Received: September 12th, 2014.
Accepted: October 20th, 2014.
EVALUACIÓN DE COMPENSADORES ESTÁTICOS EN LA ESTABILIDAD TRANSITORIA DE SISTEMAS
EÓLICOS CON GENERADORES DE INDUCCIÓN EN REDES DE DISTRIBUCIÓN
ABSTRACT
En la actualidad la mayoría de los parques eólicos utilizan generadores de inducción para su operación. Debido
a su naturaleza, estos generadores normalmente son equipados con elementos de compensación que pueden
ser de naturaleza estática o dinámica. En este artículo se presenta una evaluación del uso de compensadores
estáticos en la estabilidad de sistemas eólicos equipados con generadores de inducción. Para el estudio se
utilizó un sistema base sobre el cual se simula una falla trifásica que desestabiliza la red. Posteriormente, para
estabilizar la red y evitar una eventual desconexión o daño del parque eólico, se consideraron tres alternativas
de compensación: condensadores, STATCOM y SVC. Las simulaciones fueron realizadas en la herramienta
Simulink de MATLAB@, mostrando resultados satisfactorios para las alternativas de compensación estudiadas
en cuanto a su desempeño y eficacia. Las simulaciones realizadas permitieron identificar al STATCOM con
IGBT como la compensación más efectiva frente a eventuales contingencias. Por otro lado, se encontró que
todas las opciones estudiadas son igualmente efectivas para la compensación de tensión en régimen de
estado estable.
Palabras clave: estabilidad, compensadores estáticos, generadores de inducción, parques eólicos.
77
1.
Another element in the FACTS family is the SVC
(Static Var Compensator). This device is a static
reactive power generator, whose output varies with
the intention of maintaining a specific control over
certain variables (tension, frequency, power factor)
of an electric power system. Reactive power
variation is carried out through the commutation of a
three-phase capacitor and inductor bank, connected
to the secondary coupling transformer [3].
INTRODUCTION
Wind turbines directly convert wind energy into
mechanic energy that triggers an electric generator.
Currently, wind generators have a capacity that
ranges from a few kW (such as the ones used for
households) to several MW. The generators that
have the latter capacity can be grouped in high
capacity wind power plants for a centralized
generation of power. The configuration of the wind
generators may vary according to the direction of
the rotating axis (horizontal or vertical), their
operation (fixed velocity or variable velocity), their
use of converters and the type of electric generator
[1].
The stability of an electric power supply system can
be defined as the property of the system that allows
it to remain in a balanced state of operation under
regular circumstances and regain an acceptable
state of equilibrium after being subject to a
disturbance [4]. Given their importance in the
continuity of the electric power supply, stability
problems in power systems are widely studied. Item
[5] is a critical revision of some of the approaches of
stability tension studies that have been used since
the 1960’s until our time. Item [6] is a study on the
transitory stability of industrial systems with
distributive generation. Item [7] is a dynamic
analysis of tension stability considering unbalanced
charges.
Most wind power plants are equipped with induction
generators, which require a capacitive reactive
power for their proper operation. This power is
usually taken from the network. However, in
predominantly inductive networks, there is no way
that the network can generate the capacitive
reactive power, which is one of the main reasons
why reactive power compensation devices are used
in wind power plants. These compensation devices
inject capacitive reactive power to balance the
inductive effect of the induction generators;
alternately, the compensators can inject inductive
reactive power according to the network’s regular
behavior. Additionally, you can regulate tension and
the connection point power factor with these
devices.
In general, the tendency to produce electricity with
clean energy, such as wind power generation,
presents new challenges for stability studies. The
problems that may be caused by the increase in
wind power generation with induction generators
also
affect
short-circuit
levels,
harmonics
generation, and tension and frequency regulation,
as illustrated in [8] and [9]. Item [10] is a
presentation of different control strategies for
FACTS devices connected in a derivative way
(STATCOM and SVC) to improve the quality of the
power generated in wind power plants. Item [11] is
a control strategy for small wind power parks to
supply reactive power and improve transitory
stability. Other studies about FACTS devices and
their impact on the stability of induction generators
are showcased in items [12] and [13].
Reactive power compensation can be achieved with
the use of static equipment (compensation banks
and FACTS among others) or dynamic equipment
(rotation
devices).
FACTS
(Flexible
AC
Transmission Systems) are elements that are
based on power electronics and static controllers to
increase the power and improve power transfer
capacity. These devices redirect the power flow in a
way that improves the use of the stability network.
Among the FACTS is STATCOM (Static
Synchronous Compensator), which enables control
of the power flow and improves the transitory
stability of a network. The STATCOM regulates the
tension in its terminals, thus controlling the amount
of reactive power injected or absorbed by the power
system [2]. When the system’s tension is low, the
STATCOM generates reactive power (capacitive
STATCOM); when the tension of the system
surpasses certain value, it absorbs reactive power
(inductive STATCOM).
The inappropriate operation of induction wind
generators can have a negative impact on the
transitory stability of the system, and also on the
variation of the nominal tension of the connection
point of the wind power park. This paper evaluates
the performance of different alternatives of static
compensation in a distribution system for a wind
power plant. The alternatives which were
considered involve capacitor banks, STATCOM and
SVC. Through simulations, the efficiency of these
78
compensation alternatives to improve tension levels
and system stability was verified, and they were
contrasted.
2.
To obtain a diagnosis of the test system and
confirm the operation point in (a stable state) of bus
6 (where wind power generation takes place), a
power flow was calculated. According to norm ANSI
C84.1 [15], the magnitude of the tension in all buses
for this type of distribution system must be superior
to 0.95pu. However, after calculating the power
flow, it was discovered that the tension in bus 6 was
0.884pu. This is due to the fact that the induction
generators have a high reactive power consumption
that affects the tension level negatively at the
connection point. Consequently, it is necessary to
use some form of compensation to maintain the
tension in bus 6 within an adequate range.
MATERIALS AND METHODS
TEST SYSTEM
The network is a distribution system with 6 (bars), a
132kV feed through 2 parallel 132/33kV
transformers connected at Δ/Y, Fig. 1 [14]. On bus
6, a wind generation park with a capacity of 30MW,
and composed of 30 generators is installed. These
30 generators are 1MW squirrel-cage type
generators, with a type A, 2-pole turbine (a fixed
velocity turbine) that has a stator resistance and
inductance of 0.010 and 0.100pu, respectively, a
magnetization inductance of 3.5pu, and an inertia
constant of 1.4. The wind generation park is
connected directly to the network through a
transformer that elevates the tension from 690V to
33kV.
VELOCITY AND CRITICAL TIME IN INDUCTION
GENERATORS
When there is a short circuit in the network, the
induction generators tend to accelerate due to an
abrupt reduction of the electric torque. Stability in
the face of great disturbances in the induction
generators can be determined by analyzing the time
response of the rotor’s velocity after a short circuit.
The instability will depend on the clearance of the
fault, for it must be eliminated before the rotor
reaches its maximum critical velocity. The critical
time of the fault elimination is defined as the time in
which the system, when a fault occurs, may or may
not return to a stable operation point [16]. If the fault
is eliminated, then the system may return to a
stable state. Figure 2 shows rotor velocity for
different clearance times for a three-phase fault. It
can be observed that the breakers must act in a
maximum time of 0.1500s (critical time). If more
time goes by, the system will not return to a stable
state.
Fig. 1. Single line diagram of the network.
The wind power plant is modeled through the
SimPowerSystem “Wind Turbine” block. The
following input parameters were considered:
Wind velocity: 9m/s (value obtained from the
SimPowerSystem power curve, which is determined
according to each turbine, and is defined as the
minimum velocity needed to reach the generator’s
nominal velocity); the reason between the tangential
velocity of the point of the asp (ωr) and the incident
O
wind velocity (λ): 8.1; and the passing angle (β): 0 .
The output arguments are defined as the
mechanical torque (Tm) for the trigger of the
induction generator and the mechanical power
generated by the turbine (Pm).
Fig. 2. Rotor velocity response to a three-phase
rotor short-circuit.
79
The electro-mechanic equilibrium of an induction
generator is given by Expression (1).
𝑑𝑑𝜔𝜔𝑅𝑅
1
(𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑀𝑀 )
=
2𝐻𝐻 𝐸𝐸
𝑑𝑑𝑑𝑑
The solution to the differential equation (1)
corresponds to the points where the electric torque
is the same as the mechanic torque. By solving the
equation, results for points A and D, shown in Fig.
4, can be obtained. Point A represents the stable
state of the machine, the point of the generator’s
normal functioning. Point D corresponds to the
critical time or critical velocity, which is the
maximum return point for the system to return to
stability.
(1)
Where TM is the mechanic torque, H is the inertia
constat, TE is the electric torque, and ωR is the
generator’s rotor velocity.
The electric torque of the induction generator may
be represented in function of the rotor’s resistance
(RR), the sliding (S), and the rotor current (IR), as
the equation illustrates (2). Figure 3 illustrates the
circuit that is equivalent to the induction generator’s
stable state. From this circuit, considering the
Thevenin equivalent between points a and b,
Equations (3), (4) and (5) can be obtained [16]. On
the other hand, the rotor sliding is calculated with
expression (6).
Fig. 4. Fault elimination pre or post critical velocity.
There are two moments that must be evaluated to
understand the dynamics of the fault and the
importance of compensation. When the fault occurs,
tension in the affected bus tends to zero, thus, the
electrical torque will also have this behavior
according to the relation shown in (2) and (3),
reaching point B in Fig. 4. Consequently, the
velocity will increase, because there is a difference
between the torques (see Equation (1)). This
increase will continue until torque stability is
reached once more. If the fault is cleared or
eliminated before reaching Point D, Characteristic
C1, the torque will continue the trajectory of the
curve that was shown, with torque and velocity
increase, but returning to Point A stability. On the
contrary, if the protections isolate the fault after
Point D, Characteristic C2, the electric torque will
follow the behavior of the dotted curve, which is why
there will not be balance between the torques, and
according to the relation between the electric and
the mechanic torque, the velocity will continue to
increase until the difference is zero, making the
system unstable.
Fig. 3. Circuit equivalent to the induction generator’s
stable state.
TE =
IR =
RR
(2)
IR 2
VTH
2
��RTH + RR � + (XTH + XR )2
s
VTH =
RTH
s
jXM
VT
Rs + jXs + jXM
(Rs + jXs )(jXM )
+ jXTH =
Rs + jXs + jXM
ωs − ωR
s=
ωs
(3)
(4)
(5)
(6)
Where Rs is the stator resistance, RTH is the
Thevenin resistance of the circuit equivalent to the
generator, RR is the rotor resistance, Xs is the stator
resistance, XR is the rotor reactance, XM is the
magnetic reactance, ωs is the system’s synchronic
velocity, ωR is the rotor velocity, and 𝑠𝑠 is the rotor
sliding.
80
3.
RESULTS AND DISCUSSION
As it was mentioned before, the system that was
illustrated in this case needs a compensation
method to improve tension levels. If a compensation
element is installed, from a mathematical point of
view, it equals to the modification of equations (3),
(4) and (5), and, consequently, equations (1) and
(2). This occurs because, in general, the
compensation reduces the inductive portion of the
equivalent circuit. Thus, the equivalent impediment
is smaller, and, consequently, the tension and
power magnitudes tend to increase (because the
electric torque grows with the current, squared).
The effect is equivalent to displacing the curve in
Fig. 4 upwards, displacing Point D towards the right.
Fig. 5 Control system of the STATCOM equipped
with GTO.
The STATCOM with GTO uses square wave
inverters with GTO and an interconnection with
special transformers (zigzag). 3-level converters are
regularly used to generate a square wave of 48
pulses.
The interconnection with special
transformers is used to neutralize the harmonics
contained in the square wave shape, which are
generated by the individual inverters.
The objective of the compensation in this case is to
increase the electric torque, increasing the critical
time for fault clearance. In the simulations that were
carried out, the rotor velocity was monitored to
determine if the system could regain its stability.
Additionally, the tension and the reactive power
were evaluated with the intention of determining the
effectiveness of each of these controls to have
judgment calls for the eventual selection of some of
these.
The control system uses the following modules:
Phase Lock Loop (PLL): synchronizes the pulses of
the GTO towards the tension system and generates
the reference angle for the measurement system.
Measurement system: Calculates the components
of the positive sequence of the tension and the
current for the STATCOM, using dq0.
The compensation methods used for the study
were: a 15MVar capacitor bank, a STATCOM with
GTO (GateTurn-Off Thyristors), illustrated in Fig. 5,
a STATCOM with IGBT (InsulateGate bipolar
transistor), illustrated in Fig. 6, and an SVC,
illustrated in Fig. 7. Although there are other
compensation methods, these 4 types were
selected because they are the most commonly used
and because they had good performances with
different types of testing system faults, as reported
in [17]. The compensation methods are briefly
described in the following paragraphs. A detailed
description of the control systems of these devices
is beyond the reach of this document, but may be
found in [13].
Tension regulator: The tension regulator block
calculates the reactive current 𝐼𝐼𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 reference using
the current regulator block.
Pulse generator: Generates the pulses of the four
inverters in the PLL output and of the current
regulator.
The STATCOM with IGBT, which uses PWM
inverters based on IGBT, figure 7. These inverters
use the Pulses-WidthModulation technique to
synthesize the shape of the sinusoidal wave of the
DC tension source with a chopping frequency of a
few KHz. The harmonics that are generated by the
controller are eliminated with filters that are located
in the AC of the VSC.
The STATCOM regulates the tension in its
terminals by controlling the amount of reactive
power injected or absorbed from the power system.
The reactive power variation is carried out by
means of a VSC (Voltage Source Converter), which
is connected through a coupling transformer. The
VSC uses electric power devices with a forced
commutation (GTO, IGBT o IGCT) to synthesize or
transform the tension of the source of DC tension.
81
8 illustrates the rotor velocity response vs. the time
it takes to implement each of the controls that are
being studied. As you can observe, the most
effective control (that takes the least amount of time
to make the system return to stability) is the
STATCOM with IGBT, which took approximately
960ms to return the system to a stable state. On the
other hand, the slowest control was the capacitor
bank, which took 1150ms to stabilize the system. If
the aim was to reduce the stabilization time with the
capacitor bank, it would require an increase in
capacity, because as capacity increases, the
stabilization time decreases.
Fig 6. Diagram of the STATCOM equipped with
IGBTs.
The SVC varies the reactive power be means of the
switching of a three-phase capacitor bank and a
bank of inductors connected secondarily to a
coupling transformer. Each capacitor bank is turned
on or off by switches from three thyristors.
The utility or advantage of the SVC is its capacity to
change its capacitance-inductance to a high
velocity, making use of potency electronics.
Fig. 8. Velocity of the controllers.
3.2 Tension Control
Figure 9 illustrates the response of the tension on
bus 6 when the three-phase fault occurs. It can be
observerd that the 4 controls are effective, because
the tension in bus 6 before and after the fault
remains around 1pu. However, if the specific value
of the voltage is evaluated, the STATCOM with
IGBT has the best performance, guaranteeing a
stable tension of 1.007pu. In second place is the
SVC, which guarantees a tension of 0.994pu. Then
came the STATCOM with GTO with a tension of
0.991pu, and finally the capacitors, with a tension of
0.98pu. With the current capacity of the capacitor
bank (15Mvar), it is not possible to obtain a tension
of 1.0pu; to obtain that value, a 17Mvar capacitor
bank would be needed.
Fig 7. Diagrams of the blocks and the one-row SVC.
Table 1 illustrates some of the characteristics of the
compensation elements that were used, taking into
account that from economic point of view, the
STATCOM is the most expensive option, and the
capacitor bank is the least expensive, although its
response velocity is slow.
Table 1. Characteristics of the compensation
elements that were studied.
Technology
Capacitor
bank
SVC
STATCOM
Response
Velocity
Cost
(US$/Kvar)
Cost for
this Study
(US$)
Slow
8-10
150000
Fast
Fast
45-50
50-55
1350000
1500000
To fulfill the ANSI C84.1 norm, the tension in the
system at a stable state should be equal to or
greater than 0.95pu. As it is illustrated in Figure 9,
the response from all of the controls fulfills the
norm, meaning that the tension variable would not
determine the selection of the controller. However, it
is clear that the control with the IGBT has the best
3.1 Rotor Velocity
To evaluate the effectiveness of the controls, a
three-phase fault is projected in the 2-4 at t=3s. Fig.
82
4.
response, as it is the only one that guarantees a
terminal tension magnitude above 1pu. On the other
hand, when the tension on bus 4 (near the
generator park), it can be observed that all the
controls except the STATCOM with GTO still
guarantee a tension over 0.95pu.
CONCLUSIONS
This article presents an evaluation of the
performance of four types of static compensators in
case of great disturbances in wind power generator
systems that are equipped with induction
generators. In terms of the improvement of the
tension, the effectiveness of the 4 options that were
proposed (capacitor banks, SVC and STATCOM
with IGBT and GTO) was confirmed, meaning that
they would all maintain the tension in appropriate
ranges. On the other hand, in case of a contingency
of a line near the generator park, simulations
allowed us to conclude that the best compensation
is achieved with the use of a STATCOM bank IGBT.
In this same scenario, the capacitor bank is the
option that takes the most time to return the system
to a stable state. However, when the capacity of the
capacitor bank is increased, the system can return
to its stable state in less time. Finally, it was
confirmed that the capacitor bank, the SVC and the
STATCOM with IGBT, apart from regulating the
tension, improve the power factor of the installation
bus. In general terms, one can say that the
STATCOM excels the capacitor bank, but it is the
most expensive option, which is why the person in
charge of planning the distribution network must
take into account different criteria when the time
comes to make a decision about what compensator
to use.
Fig. 9. Tension in bus 6 during a three-phase shortcircuit on line 2-4.
If the objective of the study is to control the tension
of the bus where the compensating element is
installed, it is necessary to evaluate the
performance of other variables in the network.
Figure 10 illustrates the reactive power on bus 6
(where the control is installed). It can be observed
that the STATCOM with GTO injects a great
amount of reactive power to maintain the tension
near 1pu, while the others make the power in the
bus approximately 0 (power factor close to one).
The capacitor bank, the SVC and the STATCOM
with IGBT not only regulate the tension, they
improve the power factor on the installation bus.
5.
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84
EL SESGO TECNOLÓGICO EN PAÍSES EN DESARROLLO. LA
INVERSIÓN EXTRANJERA DIRECTA UNA ESTRATEGIA
INSUFICIENTE: EL CASO MEXICANO
1
2
Jorge Feregrino Feregrino , Gisela Janeth Espinosa Martínez , Verónica Velázquez Romero
3
1
Profesor Titular A, TESCo. E-mail: [email protected]
Profesor Asociado A, TESCo. E-mail: [email protected]
3
Profesor Asociado A, TESCo, [email protected]
Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco TESCo, Av. 16 de septiembre # 54, C.P. 55700, Col.
Cabecera municipal, Coacalco de Berriozábal, Estado de México
2
RESUMEN
El sesgo tecnológico, es un proceso inherente a las estrategias de innovación en las organizaciones y los
sistemas de innovación a nivel global. Las grandes empresas aplican estrategias de relocalización, para
cubrir sus procesos de mayor valor agregado en innovación y mantener su poder de mercado. El objetivo del
artículo fue mostrar los efectos de las políticas de atracción de innovaciones mediante la Inversión Extranjera
Directa, para cumplir con este propósito utilizamos una metodología descriptiva, aplicada al caso Mexicano.
Los resultados indican que las estrategias de innovación implementadas, en espacios de innovación
heterogéneos y en un contexto de competencia imperfecta en los mercados globales, profundizan el sesgo
tecnológico.
Palabras clave: Sesgo Tecnológico, Innovaciones Tecnológicas, Política de innovación
th
Received: April 16 , 2014.
Aceptado: 20 de noviembre de 2014.
th
THE TECHNOLOGICAL BIAS IN DEVELOPING COUNTRIES. THE FOREIGN DIRECT INVESTMENT AN
INSUFFICIENT STRATEGY: THE MEXICAN CASE
ABSTRACT
The technological bias, is an inherent process within the technological innovation strategies in the
organizations and the innovation systems at global level. The big enterprises apply relocation strategies to
cover the highest added value processes on innovation and to maintain the market power. The objective of
the article was show the effects of the policies for attracting innovations trough foreign direct investment, too
meet this purpose we used a descriptive analysis applied to the Mexican case. The results indicate, that the
innovation strategies implemented in heterogeneous innovation spaces and in a context of imperfect
competition in the global markets, deepen the technological bias.
Keywords: Technological Bias, Technological Innovations, Innovation Policy
85
1. INTRODUCCIÓN
2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE: LA
IRRUPCIÓN
HETEROGÉNEA
DE
LA
INNOVACIÓN TECNOLÓGICA
El sesgo tecnológico, es inherente a los procesos
de innovación a nivel global y es resultado de la
divergencia entre el aprovechamiento de los
recursos y sus resultados en materia de avances
tecnológicos. El aprovechamiento de estos
recursos depende, de las condiciones tecnológicas
de cada país y los resultados obtenidos por su
parte, de la orientación del sistema de innovación
en el entorno global. La competitividad a nivel
global es liderada por los grandes conglomerados
al establecer estrategias de innovación apoyadas
en su poder de mercado, es decir, las innovaciones
surgen en un marco de competencia imperfecta.
Sin embargo, la teoría convencional plantea, que la
reducción
del sesgo tecnológico se logra al
implementar políticas de innovación, que permitan
reducir los niveles de concentración de mercado y
que promuevan la competencia de las empresas a
nivel global. Entonces, una estrategia innovadora
eficiente requiere la transmisión perfecta del
conocimiento proveniente del exterior y consolidar
los procesos de cambio tecnológico orientados a
captar las innovaciones del exterior.
La irrupción de un paradigma tecno-económico es
resultado de una plétora de cambios en
tecnologías, infraestructuras y nuevas formas de
gestión. Los cambios tecnológicos, se agrupan en
constelaciones
de
innovaciones
radicales,
divergentes, configuran revoluciones sucesivas con
un rasgo distintivo y modernizan las estructuras
productivas [1].
La dinámica de la innovación dentro de las
unidades de producción, responde al proceso
endógeno de difusión del conocimiento en la
economía, con base al Know-How, el Learning By
1
Doing y el Learning by Investment [2, 3, 4]. El
proceso endógeno de innovación, en una etapa
temprana de transición, implica la articulación de
nuevas tecnologías que usualmente conviven con
esquemas organizativos atrasados, que parten de
condiciones divergentes y no pueden aprovechar
todas las ventajas potenciales sobre la base de los
recursos tecnológicos [5, 6, 7, 8, 9].
En este contexto, los países en desarrollo aplicaron
una estrategia de innovación mediante la Inversión
Extranjera Directa (IED), en el caso Mexicano la
orientación exclusiva de la política económica para
reducir las fallas de mercado ha generado
distorsiones; por ello, es necesario mostrar que
estas fallas son inherentes al proceso de
innovación tecnológica. Entonces, el objetivo del
artículo es mostrar las fallas de la política de
innovación, para reducir el sesgo tecnológico y la
heterogeneidad en los mercados globales,
mediante el análisis descriptivo de los hechos
estilizados sobre el sesgo tecnológico.
La teoría de la innovación desde esta perspectiva,
parte de una noción del crecimiento con base en la
productividad, donde las características de la
competencia determinan la dinámica del proceso
innovador; durante el ciclo de negocios, una mayor
competencia de mercado reduce los beneficios del
monopolio, y los incentivos para realizar procesos
de innovación exitosos.
Entonces, el cambio tecnológico es un proceso
que irrumpe y transforma las sociedades
profundamente; estas últimas a su vez impactan el
potencial tecnológico del entorno donde se
desarrolla la innovación. Este proceso consta de
tres fases: 1) la innovación irrumpe, 2) destruye y 3)
transforma el espacio de innovación tecnológica. El
progreso tecnológico por ende es un proceso de
destrucción creadora, el cual describe la naturaleza
heterogénea de las revoluciones tecnológicas [10].
Cada revolución tecnológica, reemplaza de forma
masiva un conjunto de tecnologías, mediante la
La organización del artículo es la siguiente: en la
segunda sección, se revisa el estado del arte sobre
la innovación y sus procesos de relocalización; en
la tercera sección se realiza el planteamiento
metodológico y se muestran los hechos estilizados
sobre el sesgo tecnológico; en la tercera y cuarta
sección se aborda la discusión y análisis de los
resultados sobre la estrategia utilizada por las
organizaciones y los sistemas de innovación. En el
caso específico de México, el proceso de inserción
a las redes de innovación, mediante la Inversión
Extranjera Directa es insuficiente para reducir el
sesgo tecnológico y crea distorsiones en los
espacios de innovación.
1
El Know How se refiere al cómo hacer, el Learning
by Doing al aprender haciendo y el Learning by
Investment aprender mediante la inversión en
tecnología.
86
sustitución o la modernización de la maquinaria,
equipo, procesos administrativos y operativos [11].
Las diferencias en el proceso de innovación, se
deben a la heterogeneidad en los recursos
tecnológicos, sobre todo se han identificado
brechas a partir de las diferencias en los procesos
de desarrollo
tecnológico a nivel global. Las
posibilidades y los requerimientos para elevar el
crecimiento económico con base en las
innovaciones desatan una profunda transformación
y crean patrones de crecimiento divergentes [12,
13]. Es decir, la dinámica de las innovaciones
tecnológicas irrumpe de forma heterogénea en los
espacios de innovación. Este proceso de irrupción,
se ha generalizado de forma acelerada a nivel
global, con la estrategia de relocalización de los
procesos de innovación aplicada por los grandes
conglomerados.
producción, gastos corrientes en relación al staff y
2
los materiales [18,19]. La falta de colaterales y las
asimetrías de la información para establecer
procesos de I&D, eleva el riesgo del proyecto y los
costos
de
financiamiento
externos;
en
consecuencia,
el
financiamiento
interno
generalmente es la opción viable para financiar la
I&D [20].
Las empresas al requerir un flujo de caja estable,
para cumplir con sus obligaciones de pago, deben
generar rendimientos en el corto plazo [21]; es
decir, se requieren años de inversión para obtener
los rendimientos esperados y poder establecer un
departamento de I&D. El objetivo de la empresa es
elevar su poder de mercado y reducir la
inestabilidad de la demanda [22, 23]; en este
sentido, la estrategia de las empresas innovadoras
es organizarse para obtener presencia global y
elevar la diversificación de sus actividades.
2.1 Relocalización y organización
de los
procesos de innovación
en los grandes
conglomerados
Desde la creación y relocalización del laboratorio
de investigación de la IBM en Zurich en los años
50’s del siglo pasado [14], la competencia para la
ubicación de instalaciones de Investigación y
Desarrollo (I&D) se ha vuelto intensa, con la
creación de una serie de nuevos competidores a
nivel
mundial.
Este
movimiento
de
las
trasnacionales, creó un patrón de reubicación de
los laboratorios situados en centros de producción
de conocimiento alrededor del mundo. Por ejemplo:
Basf tiene una red de conocimientos enorme, con
10 mil investigadores en 70 centros de I&D en gran
parte de Alemania y el ASEAN [15]; Siemens tiene
160 centros de I&D alrededor del mundo, donde el
42% se concentra en Alemania, 25% en EUA y el
21% en Europa; inclusive México [16]. Las
economías no miembros de la OCDE, elevaron su
participación en I&D a nivel mundial, está pasó de
11.75% en 1996 a 18.4% en 2005 [17], en gran
parte relacionado al aumento en la I&D de los
BRICS.
Los conglomerados siguen un patrón de
competencia global, mediante la inserción en
países con ingresos medios altos, que cuentan con
una
infraestructura
suficiente,
experiencia
acumulada, personal calificado y esquemas de
bienestar social apropiados [24]. La política
industrial en Corea fue orientada a la protección de
conglomerados
nacionales
mediante
una
orientación exportadora de alta tecnología con una
política de crédito dirigido [25]. La construcción de
la estructura del mercado coreano, tuvo como base
la expansión de los conglomerados, entre ellos
Hyundai, Samsung, Daewoo y LG, estos generaron
el 20% de la producción manufacturera de Corea,
en la década de los 80’s [17].
La literatura muestra, el proceso de construcción
del poder de mercado de los conglomerados a nivel
global, para impulsar sus procesos de innovación,
mediante el apoyo privado y en algunos casos el
apoyo estatal. La construcción de la estrategia de
innovación al depender de la capacidad financiera y
del poder de mercado, acelera la dinámica del
sesgo tecnológico y genera distorsiones en la
transformación de los espacios de innovación.
La instalación de los procesos de I&D a nivel
global, exige una acumulación considerable de
recursos; el financiamiento de la I&D en el país de
origen de la matriz, requiere una concentración
elevada de recursos financieros, que pone en
riesgo la sobrevivencia y el proceso de
consolidación de las empresas. La inversión en I&D
demanda financiamiento previo al proceso de
2
Los últimos no califican como un colateral para
cumplir con las obligaciones financieras.
87
3. METODOLOGÍA: PRESENTACIÓN DE LOS
HECHOS ESTILIZADOS SOBRE EL SESGO
TECNOLÓGICO A NIVEL GLOBAL
La presentación de la información proporcionada
por la WIPO [26], muestra que de los 44 países con
ingresos altos el 95%, están por arriba de los 60
puntos base en materia de los insumos de
innovación y en materia de resultados por
innovación el 95% están por arriba de los 45
puntos, es decir, los países con ingresos altos
utilizan sus recursos de forma suficiente en materia
de innovación, para obtener patentes, generar
conocimiento, y elevar su grado de creatividad. De
los 57 países que conforman el bloque de los
países con ingresos medios bajos e ingresos bajos,
el 80% están por debajo de los 30 puntos en
materia de recursos para innovar, en cuanto a los
resultados por innovación el 70% están por debajo
de los 25 puntos; es decir, hay una subutilización
elevada de los recursos tecnológicos. Es evidente
el sesgo tecnológico, los resultados muestran
diferencias de más de 30 puntos en materia de
innovación entre los países desarrollados con
ingresos altos y los países en desarrollo con
ingresos bajos (ver Figura 1). La divergencia en los
niveles de innovación entre los países es resultado
de las características inherentes al proceso de
innovación descrito, que ha generado sesgo
tecnológico.
En este apartado se implementará una metodología
de análisis descriptivo para construir una
representación del sesgo tecnológico a nivel global,
nos brindará elementos para la revisión,
presentación y discusión de los resultados. Los
hechos estilizados en relación al sesgo tecnológico
en este trabajo, se visualizarán mediante la relación
entre los índices de insumos y de resultados en
materia de innovación.
Como hemos mencionado, el sesgo tecnológico es
resultado de la utilización ineficiente de los recursos
para innovar. Por tal motivo, utilizamos los índices
calculados para 141 países, construidos por la
World Intellectual Property Organization (WIPO) en
2013. El índice de insumos para la innovación, está
conformado por: las instituciones que apoyan
innovación, la formación de capital humano para
investigación, la infraestructura, los mercados de
bienes, capitales y la sofisticación de los negocios
de generación de conocimiento. El índice de
resultados para la innovación, está conformado por:
los resultados en conocimiento e innovación
tecnológica y los resultados en materia de
creatividad.
3.1 Los resultados: la dependencia y el sesgo
tecnológico el caso de México.
La profundidad del sesgo tecnológico, al nivel de
cada país, queda expresada en la tasa de
dependencia tecnológica. La tasa muestra el atraso
tecnológico y los problemas que enfrentan los
espacios de innovación para revertir el sesgo
tecnológico. La dependencia tecnológica se
encuentra en el núcleo del desequilibrio estructural
de la balanza comercial y del sesgo tecnológico de
la economía mexicana y de los países en desarrollo
en general. Los hechos estilizados en México,
muestran un déficit crónico en relación al comercio
de bienes con alto contenido tecnológico. Las
importaciones de alta tecnología netas en
proporción a las importaciones totales representan
el 19.42% y por su parte, las exportaciones de alta
tecnología en proporción a las exportaciones
totales representan el 16.50% [26]. De hecho, la
constante devaluación del tipo de cambio, ha
elevado la dependencia tecnológica, reduce el
precio de los bienes de capital importados, he
incrementa el reemplazo de máquinas, y servicios
de ingeniería locales; que podrían producirse en el
país [27].
Los índices fueron construidos para 141 países, de
acuerdo al nivel de ingresos, clasificado por el
Banco Mundial. Mediante el análisis comparativo y
descriptivo de los índices de innovación se aprecian
las diferencias entre los países con ingresos altos y
los países con ingresos bajos (Ver Figura 1).
70
Switzerland
Sweden
60
ResultMdos innovMción
Germany
50
China
Korea
USA
Chile
40
Hong Kong
Malasya
Brazil
México
30
Colombia
20
Togo
10
Yemen
0
20
30
40
50
60
70
80
Hnsumos innovMción
Ingresos Altos
Ingresos Bajos
Ingresos Medios Bajos
Ingresos Medios Altos
Fig. 1 Sesgo tecnológico por nivel de ingreso en
2012, elaboración propia con base en los índices
de innovación para una muestra de 141 países
[26].
88
estos rubros se encuentran en la orientación
política para competir a nivel global y sus efectos
sobre la dependencia tecnológica. La política de
competitividad empresarial aplicada por los países
en desarrollo, ante los procesos de globalización y
desregulación económica, se ha enfocado en la
integración de las empresas a las cadenas globales
de innovación. En la literatura dominante se ha
identificado que la velocidad de la transmisión
tecnológica tiene relación directa con la apertura
comercial y la desregulación financiera [29]. En
este sentido, los gobiernos de los países en
desarrollo han signado acuerdos de libre comercio,
han establecido políticas amigables a la inversión
foránea, y sus bancos de desarrollo han promovido
la integración de las empresas a todos los niveles a
cadenas globales de innovación y de alto valor
agregado.
Fig. 2 El balance comercial de bienes de alta
tecnología en México periodo 1991-2012.
Elaboración propia con datos del World Bank
Statistics en 2014, la cifra esta expresada en
millones de dólares.
Los hechos muestran elevadas tasas de
dependencia tecnológica en el caso de México,
entre 1990 y 2010 el promedio fue de 20%. Cuando
se consolida la apertura comercial en 1999, la
dependencia tecnológica alcanza su punto máximo
con 25.6% y una tasa de crecimiento promedio
para el periodo de 6%. En contraste, Brasil tiene
una tasa de dependencia del 2% en promedio y
una tasa de crecimiento promedio del 1% durante
el período.
La teoría económica convencional propone que la
liberalización del comercio aumenta la competencia
y por ende genera un incremento sostenido de la
productividad, las rentas económicas y los
incentivos para innovar. En los hechos concretos, la
aplicación exitosa de esta estrategia, debe
acompañarse de una fuerte presencia estatal y es
un proceso gradual. Por ejemplo: en Corea la
política de innovación en relación a la apertura
comercial, fue apoyar empresas que realizaban
exportaciones con alto valor en el contenido
innovador de procesos y productos. Los hechos
señalan que la participación en el PIB, de las
exportaciones de bienes con un alto componente
tecnológico, pasó de 23% a 43%, entre 1970 y
2006 [17]. De igual manera, los países que
crecieron más rápidamente, después de la segunda
guerra mundial, realizaron una reconversión de las
exportaciones de bajo contenido tecnológico a
productos de alta tecnología [30].
En este sentido, el SELA [28] reporta que en Brasil
la mayoría de las empresas multinacionales se han
establecido para atender al mercado nacional, y
menos de 14% realiza actividad exportadora; y en
México, las multinacionales están acompañadas de
sus proveedores globales de primer piso, y sólo a
partir del segundo piso han involucrado a ciertas
empresas locales. En el caso de México la política
de promoción para la inserción a los espacios de
innovación, no ha sido suficiente para reducir la
dependencia y el sesgo tecnológico; esto se
muestra mediante el déficit crónico del balance
tecnológico. La brecha tecnológica se profundizó a
finales del 2001, hasta alcanzar su nivel máximo en
2009 con 40 mil millones de dólares (ver Figura 2).
Ante los hechos estilizados, la discusión y el
análisis se presentarán en torno a la apertura
comercial, la política de atracción de la IED y sus
efectos sobre la brecha y el sesgo tecnológico.
Con la entrada de las transnacionales en los
noventas,
se
rompieron
encadenamientos
productivos y se elevó la dependencia del sector
exportador de los países en desarrollo en relación
al país de origen de las trasnacionales. Contrario a
lo que se esperaba de la apertura comercial, no se
abarataron costos y no hubo un proceso de
crecimiento tecnológico con base en las
exportaciones. Las economías en desarrollo se
insertaron en el entorno global de innovación
tecnológica mediante productos con bajo valor
agregado sobre todo recursos naturales y
4. DISCUSIÓN
Y
ANÁLISIS
DE
LOS
RESULTADOS: EL SESGO TECNOLÓGICO EN
EL CONTEXTO DE LA COMPETITIVIDAD Y
APERTURA COMERCIAL
La evidencia presentada sobre la diferencia entre
los procesos de innovación de los países por su
nivel de ingreso, no permitirá discutir el sesgo
tecnológico en presencia de la competencia y
apertura comercial. Los principales cambios en
89
ensamblaje [31, 32, 33] . Las empresas utilizan
diferentes enfoques para adquirir la innovación, el
más usual es la adquisición de innovaciones
externas mediante el Learning by Investment. En
este tipo de estrategias, las empresas combinan
sus modelos de innovación y el grado de apertura
de la economía huésped.
3
proyectos. La participación total de patentes que
involucran una co-invención internacional a nivel
mundial pasó de 4% en 1991 a 7% en 2003. Las
economías en desarrollo suelen participar en la
colaboración internacional, mientras que los países
desarrollados, tienen porcentajes de colaboración
conjunta de 12% y 23% entre 2001 y 2003 [37].
Hay dos modelos para adquirir conocimiento
externo, primero, asociaciones mediante alianzas,
sociedades desarrollo conjunto, y la adquisición o
venta de conocimiento a través de contratos de I&D
mediante la compra o la concesión de licencias. En
el segundo, se establecen sociedades de riesgos
compartidos, (corporate venturing) con inversiones
de capital relacionadas a la academia, para
explotar el vínculo universidad-empresa.
En la teoría desarrollada por Aghion [38], la
amenaza de una empresa trasnacional entrante
mediante la IED, desalentará a las empresas
nacionales para elevar la frontera de posibilidades
de la I&D. En este sentido, el desarrollo de la
competencia ex ante y el desarrollo competitivo de
las empresas sobrevivientes a una intensa
competencia, elevaría su poder de mercado y
crearían un mercado altamente concentrado [38].
En el contexto de la competencia global, el sesgo
tecnológico es inherente a las empresas, ya que,
requieren el diseño de estrategias para proteger el
valor agregado en su mercado [39]. La difusión del
conocimiento tecnológico en un contexto altamente
competitivo enfrenta barreras para su transmisión,
las firmas líderes tienen los incentivos para reforzar
el conocimiento tácito, limitar las réplicas de sus
tecnologías y reducir la difusión de la información
técnica entre sus competidores y proveedores [40].
El cierre del sesgo tecnológico en la teoría
convencional es una cuestión de velocidad, al
suponer que las innovaciones son un proceso
unidireccional, se convierte en una carrera por
absorber toda la información tecnológica que
proviene del exterior. La velocidad es relevante
pero la dirección podría cambiar, hay ejemplos
exitosos donde una nueva dirección marca el
cambio hacia nuevos procesos acumulativos [34].
Descubrir y crear una ventana de innovación trae
cambios
en
la
producción,
distribución,
comunicación y consumo, así como cambios
cualitativos en la sociedad [35].
En los procesos de innovación, a nivel empresarial,
la literatura propone implementar un modelo hacerutilizar-interactuar, conocido por sus siglas en
inglés (DUI) [3]. La operatividad de esta estrategia
requiere de la formación de conocimiento tácito
para su difusión al interior de la empresa y limitar
su salida al exterior. Esta estrategia reproduce el
esquema de los grandes conglomerados, al poner
límites a la difusión del conocimiento y fortalece el
sesgo tecnológico. Por lo cual, crear una base de
conocimiento y su posterior difusión depende de su
transformación y descodificación para apropiarse e
innovar el entorno tecnológico [41].
4.1. El diseño de una estrategia de innovación
ante el sesgo tecnológico a nivel organizacional
La política de innovación implementada en los
países en desarrollo para cerrar
la brecha
tecnológica, supone, que la transferencia de
tecnología está ligada al sector externo, por lo
tanto, la Inversión Extranjera Directa (IED) se
convirtió en el principal instrumento para salir del
atraso tecnológico. Además, la transferencia
tecnológica hacia los países en desarrollo, facilita la
penetración de sus empresas en mercados
externos y el acceso a innovaciones tecnológicas
foráneas para competir a nivel global [36]. Esta
política es exitosa bajo la consideración de que los
procesos de innovación son homogéneos. Las
empresas al buscar socios externos con el fin de
comercializar las innovaciones que no utilizan de
manera interna, buscan formas de exteriorizar
Sin embargo, la difusión de tecnología no se
comporta de acuerdo a los patrones homogéneos
que supone la teoría neoclásica, esta se comporta
de forma heterogénea y tiene un patrón difuso
[27,42]. Por ejemplo: en los países en desarrollo, la
utilización de máquinas con tecnologías obsoletas,
es usual, cuanto mayor es el nivel tecnológico
incluido en estás [29]. Es decir, el grado de
obsolescencia de las máquinas es reducido,
cuando no se puede tener un acceso homogéneo a
los procesos globales de innovación tecnológica.
3
También para este tipo de inserción, se requieren
ciertas tecnologías que deben ser importadas.
90
450000
país en el líder de innovación ante la OCDE, con el
3.2% como proporción del PIB para el 2006. La
política de gasto estuvo acompañada de la
construcción y fortalecimiento de los vínculos entre
las universidades y el sector privado. En el caso de
Brasil, la presencia del gobierno en I&D es fuerte,
cerca del 55% se financia con cargos públicos [43].
La política de IED en Corea fue aplicada por fases,
el gobierno impuso una serie de requisitos respecto
al contenido local y aranceles a la exportación; en
la segunda etapa, se dio trato preferencial la IED
con alto contenido innovador.
40000
400000
35000
350000
30000
300000
25000
250000
20000
200000
15000
150000
10000
100000
5000
50000
E.U.
MÉXICO
BRASIL
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
0
1990
0
AMÉRICA L. Y EL CARIBE
Fig. 3 Gastos en Ciencia y Tecnología. Elaboración
propia con base en datos proporcionados por la
Red Iberoamericana de Ciencia y Tecnología
(RYCIT), [44] Millones de dólares, EU en el eje
secundario.
En el caso de México, aunque el apoyo del
gobierno está orientado a los gastos en Ciencia y
Tecnología (CyT), no ha tenido el impacto y la
dinámica esperada. Los gastos en CyT presentan
una tasa de crecimiento promedio del 9%, en
contraste Brasil ha tenido tasas del 16% durante el
período entre 2000 y 2010 (ver Figura 3).
Las características de los procesos de innovación
en las organizaciones, para elevar su poder de
mercado y limitar los procesos de difusión, elevan
el sesgo y obligan a fortalecer la presencia
institucional para fortalecer los espacios de
innovación.
En México se ha desacelerado la tasa de
crecimiento de gastos en (CyT) ya que, en el
período entre 1994-2000 la tasa de crecimiento fue
de 15%, la reducción se debe al cambio de política
de innovación para atraer IED y establecer una
relación externa para el cambio tecnológico.
4.2. El
desarrollo
de
una
estrategia
institucional en los espacios nacionales de
innovación ante el sesgo tecnológico
El cierre del sesgo tecnológico en el entorno global
de innovación requiere la concertación de políticas
entre el gobierno, los sectores empresariales y la
sociedad civil, por una parte; y por otra, el
establecimiento de mecanismos de financiamiento
para una política de desarrollo industrial orientada a
la innovación tecnológica. La producción del
conocimiento sólo se convierte en innovación y
poder creativo, cuando hay una capacidad social
adecuada para asegurar un buen ajuste entre las
oportunidades que ofrecen el cambio tecnológico y
las instituciones al proveer un espacio adecuado
para el cambio en el sistema tecnológico [4,5,6,9
34].
4.3. La inserción de un país latinoamericano a
las redes de innovación mediante la IED: El
caso de México.
En el caso de México, la integración a los mercados
globales mediante la IED no se consolidó, para el
2010 según las cifras del Banco Mundial los flujos
de IED como proporción del PIB sólo alcanzaron el
1.81%. En el entorno global respecto a la IED/PIB,
México se encuentra en el lugar 81, entre los
primeros lugares se encuentra Hong Kong con un
30%, por su parte Chile está en el lugar 24 con un
7.10% y Brasil en el lugar 72 con un 2.32% [41].
También la evidencia muestra que a partir de 2001
comienza un proceso divergente entre las dos
variables, este hecho es relevante, ya que, aplicar
una política de apertura comercial no implica un
aumento en los flujos de la IED (ver Figura 4). De
tal manera, que el proceso de atracción de la IED
directa se ha desacelerado y con ello se reducen
las posibilidades de cerrar la brecha tecnológica
mediante esta estrategia.
Uno de los ejes fundamentales del apoyo
institucional, son los incentivos fiscales directos e
indirectos que otorga el gobierno; estos apoyos
para la apropiación y generación de innovaciones
es importante. Según datos de la OCDE para 2013
los incentivos directos en el caso de México sólo
representan el 0.01% y los indirectos son
inexistentes, esto muestra la falta de apoyo y
soporte gubernamental a la innovación empresarial.
Otro de los ejes fundamentales de la política de
innovación son los gastos directos en I&D. Por
ejemplo, el gobierno Coreano ha convertido a este
En cuanto a los gastos en I&D realizados por las
empresas trasnacionales entre 2008 y 2011, sólo
4% se realizó en América Latina [36]; esto se
atribuye a la falta de incentivos para la adaptación
91
5. CONCLUSIÓN
tecnológica, y para el desarrollo de los sectores
locales mediante la difusión tecnológica por parte
de sus matrices.
La evidencia sobre las diferencias en el
aprovechamiento de los recursos por nivel de
ingreso de 141 países, muestra la heterogeneidad
a nivel tecnológico entre los países en desarrollo y
los países desarrollados. El sesgo tecnológico y la
brecha entre los diferentes países es resultado de
la estrategia de competitividad de las empresas a
nivel global.
La estrategia aplicada, para reducir la brecha
tecnológica en los países en desarrollo y en el caso
específico de México, ha fracasado; la atracción de
innovaciones externas mediante la IED no ha
tenido los resultados esperados. De hecho, se ha
generado un proceso de competencia entre los
grandes conglomerados y las empresas locales,
con
el
consecuente
proceso
de
desindustrialización. La gestión de los recursos
para innovar requiere considerar, un mercado
global donde las innovaciones se dan en un
contexto de competencia imperfecta y existen
barreras a la transmisión y difusión del
conocimiento. En este contexto, es necesaria la
gestión del Estado en los procesos de innovación
tecnológica, los esquemas de innovación requieren
una fuerte presencia institucional orientada a la
creación de las condiciones de innovación en un
entorno complejo y dinámico. Es necesario,
implementar una estrategia institucional ante el
contexto de competencia imperfecta, el esquema
debe crear sinergias y espacios, mediante el
fortalecimiento del poder de mercado de sectores
que generen procesos con un alto contenido de
valor agregado para competir a nivel global.
Fig. 4 La apertura comercial (EXP/PIB) y la
Inversión Extranjera Directa (IED/PIB), en el
período 1970-2012. Elaboración propia con datos
del World Bank (2014), las dos variables están
expresadas en proporción al PIB. En el eje de la
izquierda EXP/PIB, en el eje de la derecha IED/PIB.
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
2008
1998
Fig. 5 Gastos de las empresas en I&D en relación
al PIB, comparativo entre 1998 y 2008. Elaboración
propia con datos de la OCDE 2013.
El objetivo principal de los conglomerados es
obtener rentas de la explotación de los activos
existentes [45, 46, 47, 48], no hay una estrategia
para el desarrollo innovador de los activos
existentes. Inclusive los gastos de las empresas
privadas en I&D como proporción del PIB en
materia de innovación, es mínimo en el caso de
México alcanza tan sólo 0.35% y representa el
0.11% de los gastos hechos por los miembros de la
OECD (Ver Figura 5).
6. AGRADECIMIENTOS
Al PRODEP por el apoyo al proyecto de
investigación del Cuerpo Académico en Innovación
y Desarrollo Empresarial y a los evaluadores
anónimos por sus valiosos comentarios.
La evidencia muestra en el caso de México, que a
pesar de tener una posición regular en materia de
insumos y resultados de innovación, al estar
integrado en el entorno global mediante la apertura
y la atracción de IED, no ha conseguido avances
significativos en materia de innovación.
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94
IMPLEMENTATION AND AUTOMATION OF A SEQUENCING
BATCH REACTOR WITH A LOGO-OBA6 PROGRAMMABLE
LOW-COST CONTROLLER
1*
2**
3**
4*
Yudy Andrea Londoño , Milena Muriel , Nelson Londoño Ospina , Gustavo Peñuela
1
Sanitary Engineer, PhD(c) in environmental engineering. E-mail: [email protected]
Electromechanical Technologist, Electrical Engineering student. E-mail: [email protected]
3
PhD in Engineering, Professor University of Antioquia. E-mail: [email protected]
4
PhD in Environmental Chemistry, Professor University of Antioquia. E-mail: [email protected]
2
*GDCON Group (Diagnosis and Control of Pollution Group) School of Engineering, University Research
Center (SIU), University of Antioquia, Calle 70 No 52 -21, Medellin-Colombia.
**GIMEL Group (Research Group Efficient Management of Electricity), School of Engineering, University
Research Center (SIU), University of Antioquia, Calle 70 No 52 -21, Medellin-Colombia.
ABSTRACT
This paper summarizes the results obtained in the implementation and automation of a sequencing batch
reactor (SBR). First, the operating principle and the justification of the use of this type of reactor, as well as its
applications, are explained. Subsequently, the design of both hardware and software for the automatic
operation of the reactors is described, emphasizing the features and limitations of this type of system.
Additionally, a formal design technique (petri networks) is used to develop a program that allows versatile,
reliable and user-friendly operation, although it requires special programming strategies. Finally, the analysis,
results, and conclusions are presented.
Keywords: Automation, PLC, Sequencing batch reactor (SBR), programming, removal of environmental
pollutants, wastewater treatment.
Recibido: 8 de octubre de 2014.
th
th
IMPLEMENTACIÓN Y AUTOMATIZACIÓN DE UN REACTOR SECUENCIADO POR LOTES CON
CONTROLADOR PROGRAMABLE DE BAJO COSTO
ABSTRACT
El artículo resume los resultados obtenidos en la implementación y automatización de un reactor
secuenciado por lotes (SBR). Inicialmente, se explica el principio de funcionamiento, se justifica la utilización
de este tipo de reactores y sus aplicaciones. Posteriormente, se describe el diseño tanto de hardware como
de software para la operación automática del reactor, haciendo énfasis en las características y limitaciones
de este tipo de sistema. Además, utilizando una técnica de diseño formal (redes de petri), se desarrolla un
programa que requiere estrategias de programación especiales. Por último, se presentan los análisis,
resultados y conclusiones.
Palabras clave: Automatización, PLC, Reactor Secuenciado por Lotes (SBR), programación, remoción de
contaminantes ambientales, tratamiento de aguas residuales.
95
1. INTRODUCTION
2. MATERIALS Y METHODS
The increase in contamination due to the
heightening of industrial activity and growth of the
population has generated a strong concern in
researchers regarding the disposition, destination,
and occurrence of a great variety of substances that
are detrimental for the environment, increasing the
chemical oxygen demand (COD), the biochemical
oxygen demand (BOD), and the amount of nutrients
in rivers. Similarly, the amount of persistent toxic
contaminants, such as pesticides, hydrocarbon,
pharmaceuticals, and personal hygiene products,
such as antibiotics, painkillers, fragrances, bug
repellents, and UV filters in rivers has increased [1].
These substances have been reported in different
environmental compartments, such as wastewaters,
surface waters, subterranean waters, soils and
sediments, in concentrations that range from ng/l to
µg/l. The greatest concern is the harmful effects that
these contaminants may have on natural
ecosystems and on the health of the population.
2.1 SBR System Application
An SBR is composed of a single operation unit,
which is equipped with different agitation and airing
mechanisms, and active mud, which acts as the
biological degrader of the organic material in the
wastewater. The functioning of the reactor is
sequenced in time, which implies that the entry of
the wastewater, the airing phases, the agitation,
and the unloading of the treated effluent, must be
controlled according to the process requirements. A
simple illustration of this sequencing in time is
presented in Fig. 1, showing the processes that
comprise the different stages carried out by the
SBR system. These phases must be controlled and
timed
according
to
the
experimentation
requirements and, in some cases, may be executed
simultaneously to achieve better contaminant
removal efficiency, as is the case for the filling and
reaction stages (airing – agitation). The control
strategies are the main foundations for every
automated system. For this reason, the
development of the SBR –at a laboratory scale–,
apart from establishing conventional sequenced
control strategies for the processes and their timing
[6], aimed to provide a wide array of configuration
options that allow the treatment system to adjust to
different wastewater matrices, so that it may
improve the quality of the obtained effluent, which
enables the system to treat contaminants with
difficult degradations. This condition eases the
reactor’s capacity to treat different reactors than the
ones it regularly treats.
This situation makes necessary to optimize and
develop wastewater treating systems capable of
operating under different configurations, allowing
their technology to adapt to the specific
requirements of the contaminants that must be
removed. Wastewater treatment systems cover
physical-chemical and biological process, amongst
which the biological processes have proven to be
adequate technologies for the removal of organic
contaminants that are biodegradable, performing
very efficiently with a low operation cost [2].
Sequencing Batch Reactor (SBR) technology is a
promising tool in the field of wastewater treatment
due to its high efficiency, simplicity and operative
flexibility [3]. The system is operated periodically,
and it has five discreet stages in every operating
cycle, which are as follows: filling, reaction,
settlement, decanting, and idle. Organic component
degradation begins during the filling, and is
completed during the reaction [4]. The SBR process
requires a high reliability, especially with respects to
the reaction phase, so that its functioning may be
perpetuated. However, the characteristics of urban
wastewater vary in time (in terms of concentration
and composition), which makes it necessary to
adjust the configuration of the different stages of the
process according to the desired effluent quality [5].
The need to modify and define the process, where it
is necessary to program the sequence of the
phases that are to be followed and the required
conditions as well as their timing and the cycles that
must be repeated, has motivated the proposal of
the following objective: the development of an
automated system that is sufficiently versatile that it
allows the operator to program a configuration that
adjusts to the process’ requirements.
Given the number of possibilities, the system must
have hardware and software that adjusts to the
experimentation requirements. It was determined
that the following 4 digital exits are necessary: two
solenoids for air entry and material unloading, one
agitator, and a pump (for material entry).
Additionally, the following 4 entries are needed: two
96
level sensors (high-low), an initiation button, and a
stop button.
Fig.2. Diagram of the entries and exits of the SBR.
Fig.1. SBR reactor operation diagram.
1) Peristaltic Pump: with a capacity of 6-600 RPM,
a potency of 75 watts and a caudal (Q) between
0.36 – 3400 ml/min [8], used for the entry of
synthetic wastewater whose caudal was calculated
and adjusted to, taking into account the volume and
the required time. See Equation (1).
The following section summarizes the different
hardware and software components that were
implemented, guaranteeing a flexible, reliable
system, which allows the automation of different
processes according to the needs of every test.
Q=
2.2 Description of the SBR System
The first stage of the project consisted of the
construction of an acrylic SBR reactor with a useful
volume of 9.0 l, with an inner diameter of 15 cm,
and a total height of 70 cm. This design and sizing
was carried out according to the procedure
proposed
by
Von
Sperling
and
De
lemosChernicharo, 2005 [7], using a feed rate of
45.83 ml/min and a DQO of 250 mg/L as a base. A
circular geometry was used to favor the appropriate
homogenization of the system in contaminant
removal processes, while trying to avoid the
formation of dead zones in the interior of the
reactor. Additionally, a high height/diameter ratio
was used to favor the separation process in the
solid-liquid phases, so the treated effluent may be
easily extracted, preserving the bio-solids that were
generated I the organic matter degradation process
inside the SBR.
5.5l
1h
1000ml
ml (1)
*
*
= 45.83
2h 60 min
1l
min
2) Agitator: Heidolph RZR 2021 with a velocity
range of 40 - 2.000 rpm and an output potency of
27 W[9], controlled with an electromagnetic relay
connected to one of the LOGO exits.
3) Level Sensors: flotation ON-OFF switches,
connected to one of the entries of the LOGO,
enabling the operator to define the filling level (highlow).
4) Diffusion System: composed by a solenoid
(connected to a pneumatic system), two
manometers and diffusion stones. It supplies air
depending on the process requirements.
5) Effluent Solenoid: it opens to decant the reactor.
It is usually activated after the settlement stage,
during a time that the user programs (which is
enough to allow the solid particles to settle at the
bottom of the reactor).
6) LOGO: controller in charge of the automation of
the process, allowing the user to define and validate
the required variables with the use of a software
that was created specifically for the reactor. Note:
all periferic elements actions are based on digital
variables.
A Siemens logo OBA6 [10], [11], with the following
characteristics was used for the automation of the
process:
In the second stage, the reactor was equipped with
sensor elements, a controller (LOGO) and actuators
(motors, valves, peristaltic pumps) that enable the
automation of the process. Fig. 2 illustrates the
general diagram for the control of the SBR; each of
the parts that it was equipped with is described
later.
97
Additionally, conditions were included for security,
evaluation of problems that are external to the
software (mainly jamming due to the liquid type),
sensor errors, or erroneous parameter entry.
• Programmable with the LOGO!SoftComfortV7.0
Software.
• Entry tension of 115/240 V CA/CC.
• 8 digital entries.
• Exits with a maximum relay of 10 A.
• Visualization display for variable and conditions.
Simplified keyboard for programming. Mainly used
for relatively small programs.
To fulfill the requirements, a program was designed
using Petri Networks, and it was customized to the
limitations of the selected LOGO.
• A second aspect was the set of limitations of the
LOGO, which, being low end, restricts the
programming possibilities. The following is a
summary of some of the difficulties:
This controller was chosen because it is equipped
with a LOGO OBA6, which satisfies the entry/exit,
timer,
counter,
screen,
memory
capacity
requirements, apart from the reliability that the
Siemens brand offers.
 If elements are inadequately deleted, “fictitious”
contacts are created that prevent the program from
running.
 If some special functions are used, the program
prevents the transmission from the PC to the
controller. In this case, contacts which activate a
floating mark are created. The solution is illustrated
in Fig.3:
2.3 Software Description
Certain
difficulties
arose
using
the
LOGO!SoftComfort and the ladder programming
language, especially in two aspects:
The need to define a set of parameters linked to the
4 phases of the process. The options for the
different variables are summarized in Table 1.
The characteristics that the automated system
requires made it necessary to take into account the
following conditions:
Filling: Option for selecting the low or the high
working level according to the flow rate, with the
possible agitation, airing, airing-agitation or simple
filling (without agitation or airing) combinations.
Reaction: Composed by two stages, each of which
had time parameters (Hours/Minutes), airing
(On/Off) and agitation (On/Off).
Decanting: the waiting time, when there is no
actuator action, was defined (Hours/Minutes).
Unloading: the opening time of the unloading
solenoid.
Fig.3.Unassigned functions to a floating mark.
The restriction of the LOGO!SoftComfort pertaining
to the use of one exit for various instances limits the
versatility of the programming, which made it
necessary to redefine them to adjust to the
software’s limitations.
Table 1. Table of programmable variables for each
phase.
Variable
Phase
Filling
Level
HighLow
Airin
g
OnOff
Agitati
on
On-off
x
x
x
x
x
Reaction
(airingagitation)
Decanting
UnloadingIdle
Timing
3. RESULTS: AUTOMATION.
Time
(hoursminutes)
The Petri Network technique was used to design
the program [12], as it eases the programming
process
and
allows
agile
and
reliable
implementation. Furthermore, a Petri network can
be translated into PLC Ladder language using basic
elements (contacts, coils, timers and counters) [13],
[14], [15].
X
X
x
98
3.1 Petri Networks.
The program consists of a series of Petri networks
that define the different phases. The main network
is illustrated in Fig. 4, which identifies the four
phases that model the process (filling, reaction,
settlement, and decanting). Each of these phases
is, in turn, implemented through sub-routines, one
of which is illustrated in Fig. 5.
With the purpose of illustrating the process, part of
the algorithm of the main network is detailed:
• MO: Resting state, during which all the system is
off.
• Start: The transition is enabled when the Start
button is pulsated, which activates the next state.
• M1: Filling state. During this state, it is possible
to define the different options that the phase allows
(see Table 1), which made it necessary to design a
Petri Network that is consistent with the
requirements.
• Level: When the corresponding level switch is
activated (high or low), the transition is enabled,
which allows the system to evolve into the new
state.
• M2: Reaction. While the process is in this state,
the
system
functions
according
to
the conditions that are defined by the programmer;
it corresponds to the Petri sub-network illustrated in
Fig.5.
Fig.4. Main Petri Network in the SBR programming.
The evolution of the other states follows the same
conditions that were previously presented.
Given the total Petri Network of the program is too
extensive and taking into account the length of the
paper, not all of the designed networks are
presented. However, they do fulfill the necessary
requirements in the process specification.
3.2 Ladder Programming.
With the intention to illustrate the implementation of
Petri networks in the Ladder language, Fig. 6 and 7
present the programs that correspond to the
networks that were presented earlier, as they are
usually developed in conventional PLC programs
(using the TIA Software Portal).
However, given the restrictions of working with a
low-level system, this type of programming requires
special considerations, as it does not allow the
direct Petri-Ladder translation, which made it
necessary to resize the program, making it
compatible with the equipment (LOGO OBA6).
Fig.5. Petri Sub-Network in the SBR programming.
99
Fig. 7. Ladder for the sub-routine Petri Network of
the SBR (TIA Portal).
Fig.6. Ladder for the main Petri Network in the SBR
(TIA Portal).
100
Fig.9. Display visualization of some of the required
parameters in the process choice of the SBR.
4. DISCUSSION.
Fig.10 shows the implemented hardware system
that resulted from the project, and the different parts
of the system can be seen.
Fig. 8. Ladder of
(LOGO!SoftComfort).
the
SBR
During the first stage of the project, a reactor was
built with the required characteristics and it was
conditioned with sensors, actuators and a control
system, as can be observed in Fig. 10.
During the second stage, after the LOGO was
programmed, the results were validated with tests in
different operating conditions and scenarios.
sub-routine
Fig. 8 presents one of the same Petri Networks
(sub-routine) implemented in the LOGOSOFT.
4.1 Implementation and Launch of the Designed
Program.
Once the programming difficulties caused by the
limitations of the chosen LOGO were overcome, the
program that was developed was loaded so its
response could be evaluated. Each part of the
system was evaluated using individual commands
via the controller; afterwards, the conjunct operation
was validated in different scenarios programmed
with the keyboard/screen.
3.3 Screen and Selection Keyboard.
The LOGO is equipped with an alphanumeric
screen and a keyboard (6 keys), with which it is
possible to program and offer a selection menu.
For the project, the system was programmed in
such a way that it offers the operator the different
alternatives for the process, choosing from an array
of options. An example of this is briefly illustrated in
Fig. 9.
101
LOGO screen once the program is running, allowing
the system user to check the state of the process
and the time that the reactor takes for each of the
operation phases. Additionally, the control box was
equipped with different colored pilots to enable the
operator to determine the phase of the process that
system is currently in without having to check the
LOGO screen, merely observing the name of the
pilot that is running.
5. CONCLUSION
The desired results of the project were achieved
and the hardware and software objectives were
accomplished.
Once the programming difficulties were overcome,
the hardware was conditioned to fit the user’s
needs, while the final program turned out to be
versatile, reliable, easy to determine parameters,
and to operate, enabling its reconfiguration for other
processes. Additionally, the graphic options gave
further ease to the selection of parameters, using
the keyboard and the LOGO display, according to
the options that the process required.
Fig. 10. Reactor and control system.
4.2 Evaluation.
The evaluation of the automated program
implemented for the SBR System was based on the
checkup of the 40 possible operation configurations
that the user can employ each time he wants to run
the system. These verifications showed a good
response from the software in the operation during
the small time intervals that were designated for
each one of the phases being tested. However,
during this evaluation, the need for the
implementation of some adjustments was detected
to allow the system to reach its optimal
performance. The main adjustment was the option
to “Stop”, which enabled the user to stop the
process at any given moment of the reactor’s
operation. Due to the conditions of the process,
when the problems that instigated the stop are
solved, the system returns to the initial state,
preserving the organic matter. This aspect is not
common in traditional processes, but is necessary
considering the type of operation. Consequently,
when the system is restarted, the conditions to pass
to the M2 stage are generated.
As for the texts, a petition sequence permitting the
choice of different parameters was made, and as
the parameters are chosen, a confirmation text is
generated.
The technology was optimized using automation. In
this particular case, it shows that it is possible to
use a low-end controller and obtain the same
results that a medium-rate controller achieves
through software conditioning. This minimizes costs
and simplifies hardware requirements.
Finally, traditional control strategies for SBR
systems have been limited to the sequenced control
of the established processes and the duration of the
different operation phases of the reactor. This is
why this project offered an array of 40 configuration
options for the sequenced operating phases, which
can be established by the operator, allowing the
system to adjust to different matrices of
wastewaters, thus accomplishing the quality of the
desired effluent. Additionally, in the field of
research, it is possible to optimize the system by
modifying the phases and the operating times for
the removal of specific contaminants, which can be
persistent and of difficult degradation.
The selection of each of the operating sequences
for the reactor was carried out using the screen, via
texts that guide the user in the configuration of
multiple options that are displayed step by step
each time the concerned applications are selected.
These configurations may be checked using the
102
This condition allows the reactor to adjust to the
treatment of different contaminants, which makes it
possible to increase the system’s applications in the
future, with the development and optimization of the
technology and the advance in the fields of
automation and control.
Climate
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septiembre de 2014].
6. ACKNOWLEDGEMENTS
The authors thank the GDCON team, the GIMEL
team, and the 2014-2015 Sustenance Fund of the
Research Vice-Rectory of the Universidad de
Antioquia for financing this project.
[9]
Heidolph
RZ2021.
Disponible
en:
http://www.heidolphinstruments.com/products/overheadstirrers/mechanical-stirrers/rzr-2021[consultado el
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103
104
EFECTO DE LA CONFIGURACIÓN AFFINE EN EL ALGORITMO
ACELERADOR REGRESIVO: VERSIÓN γ (AR γ )
1
María Fernanda Rivera Sanclemente y Pablo Emilio Jojoa Gomez
2
1
Ph.D. (c) en Ingeniera Electrónica, Universidad del Cauca. E-mail: [email protected].
Ph.D Ingeniero Electrónico, Docente, Universidad del Cauca. E-mail: [email protected].
Universidad del Cauca, calle 5 No. 4 – 70, Popayán, Colombia.
2
RESUMEN
Una combinación affine realiza una suma ponderada de las salidas de dos filtros adaptativos sometidos a
una misma entrada cuyo factor de ponderación es un parámetro calculado mediante un mecanismo
adaptativo (filtros adaptativos) con el propósito de lograr un mejor rendimiento.En este trabajo “Efecto de la
configuración Affine en el Algoritmo Acelerador versión γ (AR γ )”, se operacionaliza el comportamiento de
éste algoritmo en combinación Affine con el propósito de alcanzar una mayor eficiencia y un mejor
rendimiento del algoritmo en su configuración básica; Así mismo, identificar sus efectos. Corresponde a un
estudio descriptivo, explicativo y experimental dirigido a responder por qué ocurre un fenómeno (aplicación
de la Combinación Affine en filtros adaptativos) y en qué condiciones se da éste; concluyendo que el efecto
logrado al hacer aplicación de la configuración affine es un algoritmo adaptativo en el que no hay limitación
en el parámetro de mezcla, ofrece buena velocidad de convergencia y gran capacidad de seguimiento
(tracking); comportándose como el mejor de los filtros aliviando el compromiso entre la velocidad de
convergencia y el error residual inherente al filtro.
Palabras clave: Filtros adaptativos, Algoritmo Acelerador versión
Recibido: 27 de febrero de 2014.
th
Received: February 27 , 2014.
γ
(AR γ ), Combinación Affine
th
Accepted: October 28 , 2014.
THE EFFECT OF THE AFFINE CONFIGURATION IN THE ALGORITHM ACCELERATOR REGRESSIVE
VERSION γ (AR γ )
ABSTRACT
Affine combination takes a weighted sum of the outputs of two adaptive filters subjected to the same input
whose weighting factor is a parameter calculated using an adaptive mechanism (adaptive filters) in order to
achieve a better performance. This study operationalized the behavior of Algorithm Accelerator Version γ
(AR γ ) in Affine combination in order to achieve greater efficiency and better performance than the algorithm
presented in its basic configuration; likewise identify the effects of the Affine Combination Algorithm
Accelerator Version γ (AR γ ) adaptive algorithm. The methodological design and operational plan are part of
a research process with a descriptive, explanatory and directed experimental answer why the phenomenon
occurs (application of adaptive filters in Affine Combination ) and under what conditions it occurs.
Keywords: Adaptive filters, Algorithm Accelerator Regressive Version
105
γ (AR γ ), Affine combination.
1. INTRODUCCIÓN
los cambios del ambiente de forma rápida
(seguimiento
o
tracking)[6]
siguiendo
un
procedimiento que implementa un modelo variante
en el tiempo para un sistema de identificación o, un
sistema modelado por un filtro transversal que
sigue el proceso de Markov[6] de primer orden;
características de los filtros adaptivos que se
ilustrarán en el desarrollo del presente artículo.
Existen distintas aplicaciones de los filtros
adaptativos como por ejemplo: Sistemas de antena
adaptativa, en los que dichos filtros son utilizados
para dirigir el haz y proporcionar nulos en el patrón
de haz eliminando las interferencias indeseadas [1];
Receptores digitales de comunicaciones, en éstos
su utilización tiene como propósito ecualizar la
interferencia intersímbolos y para identificar el canal
[2][3]; Técnicas de cancelación de ruido adaptativas
en las que se emplean para estimar y eliminar un
componente de ruido de la señal deseada [4]; y el
Modelado de sistemas en donde los filtros
adaptativos son utilizados como modelos para
estimar las características de un sistema
desconocido [5]. Todas estas aplicaciones están
referidas a sistemas que son variantes en el
tiempo, razón por la que la aplicación de los filtros
convencionales con parámetros fijos resultan
inaplicables generando la necesidad de utilizar
filtros cuyos coeficientes se ajustan en el tiempo. El
ajuste de estos coeficientes se obtiene mediante un
algoritmo matemático (algoritmo adaptativo o de
adaptación) que minimiza una función de costo,
función que puede corresponder a una medida de
error existente entre lo que se espera como
respuesta y lo que se obtiene del filtro cuyos
parámetros se están ajustando a medida que pasa
el tiempo. El algoritmo adaptativo entonces,
ajustará los coeficientes del filtro teniendo en
cuenta la señal de entrada, como también, una
señal de referencia o señal deseada y una medida
del error.
Esta medida de error puede ser manipulada
utilizando diferentes criterios como el valor
absoluto, el cuadrado mínimo o media cuadrática,
siendo éstos últimos los más utilizados, conocidos
en la literatura como los métodos de mínimos
cuadrados (LS. Least Square) y error cuadrático
medio (MSE. Mean Square Error); se reitera que la
esencia de los filtros adaptativos es el algoritmo
que ajusta los coeficientes. Se han diseñado varios
algoritmos con coeficientes ajustables como por
ejemplo el Least Mean Square (LMS) y sus
derivados (NLMS, Leaky, etc.) o el Recursive Least
Square (RLS) y sus derivados (FRLS, Kalman, etc.)
algoritmos con los que se busca alcanzar un ajuste
de sus coeficientes de forma rápida (rapidez de
convergencia, lo que significa qué tan rápido el
algoritmo llega al MSE – Means Square Error)
buscando que la variación al rededor del mínimo
(desajuste) sea pequeña y además capaz de seguir
Jojoa [7], diseña el algoritmo conocido como
Acelerador Regresivo versión γ (AR γ ) con
características tales como buena velocidad de
convergencia y paralelamente una considerable
reducción del error de medida final. Como
antecedente al algoritmo de Jojoa se disponía del
Algoritmo Acelerador de Tiempo Continuo
propuesto por F. Pait [8], caracterizado por permitir
ajustar la segunda derivada (aceleración) del error
con respecto a los coeficientes del algoritmo; su
particularidad es la adquisición de un mayor
compromiso entre la velocidad de convergencia y la
variación del error de estimación en relación a los
algoritmos de gradiente estocástico. Con base en
las propiedades presentadas por el Algoritmo
Acelerador de Tiempo Continuo se desarrolla un
Algoritmo de Tiempo Discreto, del cual se obtienen
tres versiones: el Algoritmo Acelerador Progresivo
Convencional Matricial (APCM), el Algoritmo
Acelerador Regresivo Convencional Matricial
(ARCM) y el Algoritmo Acelerador Regresivo
versión γ (AR γ )[7]. Versiones obtenidas utilizando
los métodos de discretización de Euler y la
transformación bilineal con resultados favorables
respecto
al
desempeño
y
complejidad
computacional.
El Algoritmo Acelerador Regresivo Versión γ (AR γ )
propuesto por Jojoa [6] corresponde a una versión
simplificada del algoritmo ARCM, que tiene como
principal característica la disminución del número
de parámetros de ajuste de cuatro a tres
(α , m1 m=
=
m2=
I M y m3 m3I M )
1I M , m 2
denominados
α , γ y m1 ,
por medio de los cuales
se logra una buena velocidad de convergencia y
una considerable reducción del error de medida
final [9]. La ventaja de este algoritmo es que los
parámetros de ajuste se reducen a cantidades
escalares (α , γ y m1 ) .El análisis de convergencia
con respecto a la media realizado por Jojoa
establece que el algoritmo converge para valores
106
de
α , γ y m1 positivos.
El análisis de convergencia con respecto a la media
establece que el algoritmo converge para valores
positivos de α , γ y m1 . El análisis de Tracking del
Así mismo, el análisis de
tracking del algoritmo AR γ en ambientes no
estacionarios presenta un mínimo error de
desajuste.
algoritmo AR γ , en ambientes no estacionarios
presenta un mínimo de error de desajuste cuando
Posteriormente, Bershad, Bermúdez y Toumeret
[10] utilizaron una nueva configuración para la
implementación de filtros adaptativos con base en
el algoritmo LMS, esta configuración es conocida
como configuración Affine, novedoso esquema que
consiste en la mezcla de dos filtros adaptativos
W1 (n) y W2 (n) , cuyo fundamento es la selección
escalar de un parámetro de mezcla λ (n) [11] para
combinar las salidas de los dos filtros buscando
obtener finalmente una tasa de convergencia más
eficiente y un mejor estado de equilibrio por medio
de un parámetro de adaptación
[12].
α , γ y m1
en el cual H es una constante real positiva con un
valor aproximado 2., como lo establecen algunos
valores de H obtenidos por Jojoa [6] teórica y
prácticamente para distintos valores de
COMBINACIÓN AFFINE
El esquema de la combinación Affine[14] consiste
en la mezcla de dos filtros adaptativos que se
ilustran como W1 (n) y W2 (n) en la Figura 1.
El fundamento de este método o Combinación
Affine es la selección escalar de un parámetro de
mezcla λ (n) para combinar la salida de los dos
filtros buscando obtener finalmente una tasa de
convergencia más eficiente y un mejor estado de
equilibrio. En una combinación Affine como se dijo
anteriormente se realiza una suma ponderada de
las salidas de dos filtros adaptativos sometidos a
una misma entrada cuyo factor de ponderación es
un parámetro calculado mediante un mecanismo
adaptativo (Filtros adaptativos) con la finalidad de
obtener un mejor rendimiento [10].
ALGORITMO ACELERADOR REGRESIVO
VERSIÓN γ (AR γ )
Buscando disminuir la complejidad computacional
del algoritmo ARCM, Jojoa. [6] obtuvo el algoritmo
(AR γ ) como versión simplificada del algoritmo
ARCM, cuya principal característica es la
disminución del número de parámetros de ajuste de
cuatro a tres
=
I M y m3 m3I M )
m2=
(α , m1 m=
1I M , m 2
(α , γ y m1 ) ,
α , γ y m1
con los que se obtiene un mínimo de desajuste.
2. METODOLOGIA
denominados
tienden a H (Criterio de Mínimo Error)
por medio de los
cuales se logra una buena velocidad de
convergencia como también una considerable
reducción del error de medida final[13]. Las
ecuaciones que describen el algoritmo AR γ son:
=
e[n] xT [n]w[n − 1] − d [n]
g[ n] =
=
q[n]
(1)
e[n] + g x [n]w[n − 1]
1 + αg xT [n]m1x[n]
T
g
α +g
(2)
[q[n − 1] − α g[n]m1x[n]]
w[n]= w[n − 1] + α q[n]
(3)
(4)
Fig. 1. Combinación Affine de las salidas de dos
filtros adaptativos LMS que se adaptan utilizando
las mismas entradas [9].
Propiedades del Algoritmo Acelerador
Regresivo Versión γ (AR γ )
En este algoritmo los parámetros de ajuste se
reducen a cantidades escalares
(α , γ y m1 ) .
107
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:
µλ = 0.5 , el incremento de µλ hace que el error
se acerca a
aumente, así mismo, a medida que
COMPORTAMIENTO
DEL
ALGORITMO
ACELERADOR REGRESIVO VERSIÓN γ (AR γ )
EN COMBINACIÓN AFFINE.
cero el error aumenta.
Tabla 1. Valores del Error Cuadrático medio
resultado del Comportamiento del Algoritmo
Acelerador Versión γ (AR γ ) en configuración
Affine con variación del parámetro µλ
Para analizar el efecto de la Combinación Affine en
el Algoritmo Acelerador Regresivo versión γ (AR γ ),
se realizaron 5 experiencias donde se trabaja con
base en la configuración de identificación de
sistema, constituido por un filtro FIR de respuesta
impulsiva h señal de entrada x ( n) con ruido
AR γ Aff
µλ
blanco gaussiano con media cero y σ 2 = 0.04 ,
señal deseada d . Los parámetros del sistema a
identificar se suponen invariantes en el tiempo con
valores entre -1 y 1 dado por
y ( n ) = 0.9 u ( n ) ---0.54 u ( n 1) 0.21u ( n 2) -0.03u ( n 3)
AR γ 1
AR γ 2
4.3223e-32
0.001
9.0112e-009
0.0340
0.01
5.4793e-008
0.0125
3.8851e-32
0.5
7.8867e-033
0.0244
3.0815e-32
1
1.4688e-032
0.0203
3.2693e-32
2
2.4869e-032
0.0281
5.0175e-32
5
1.3949e-032
0.0206
3.5649e-32
50
3.2029e-032
0.0166
4.8425e-032
0.78u ( n ---4) 0.52 u ( n 5) 0.09 u ( n 6)
y para su observación durante las experiencias se
usa un vector llamado B, orden del filtro M = 7 ,
número de muestras N = 5000 y número de
experiencias K = 10 .
Experiencia 1. Comportamiento del Algoritmo
Acelerador Regresivo versión γ (AR γ ) por
parámetro
µλ .
En esta experiencia se observa cómo se comporta
el algoritmo acelerador en configuración affine al
modificar el parámetro µλ (paso de adaptación del
filtro en combinación Affine) teniendo fijos los
parámetros de ajuste de los algoritmos
aceleradores. Para observar su comportamiento se
obtuvieron las Figuras 2 y 3 con valores iniciales.
Fig. 2. Configuración Affine con µ λ = 0.5 a) Error
Cuadrático Medio, b) Parámetro de mezcla λ
B =
[0.9000 − 0.5400 0.2100 − 0.0300 0.7800 0.5200 − 0.0900]
Experiencia 2. Comportamiento Del Algoritmo
Acelerador Regresivo Versión γ (Ar γ ) Por
=
m11 0.005; =
α 1 0.008; =
γ 1 5.0000 e + 004;
Parámetro
=
m12 0.5;
=
α 2 0.8;
=
γ 2 5;
La Tabla 1 detalla la variación de µλ (paso de
adaptación configuración Affine), el valor del error
cuadrático medio para los algoritmos Acelerador
AR γ en configuración Affine (AR γ Aff), Acelerador
AR γ más lento (AR γ 1) y más rápido (AR γ 2),
donde se observa que no hay un comportamiento
lineal, pero a medida que se aumenta del valor de
.
A continuación se ilustra el comportamiento del
algoritmo acelerador en configuración Affine al
tomar diferentes valores del parámetro
. Las
Figuras 4 y 5 muestran este comportamiento, con
valores iniciales:
B =
[0.9000 − 0.5400 0.2100 − 0.0300 0.7800 0.5200 − 0.0900]
=
=
=
m2
0.5;
α 1 0.008; =
γ 2 5;
α 2 0.8;
108
Fig. 3. Configuración Affine con µλ = 10 a) Error
.
Fig. 4. Configuración Affine con µλ = 50 y
a) Error Cuadrático Medio, b) Parámetro de mezcla
Cuadrático Medio, b) Parámetro de mezcla λ
La Tabla 2 muestra la variación de
λ
, el valor
del error cuadrático medio para los algoritmos
Aceleradores AR γ en configuración Affine. El
Algoritmo Acelerador AR γ más lento (color rojo) y
más rápido (color azul), se observa que µλ y γ 1 son
inversamente
aumenta
proporcionales:
µλ , disminuye
γ1 .
a
medida
que
El mínimo error
cuadrático medio se alcanza cuando µλ = 50 tanto
para el algoritmo acelerador en configuración Affine
y para el algoritmo AR γ 2 más rápido, siguen sin ser
lineales a diferencia del algoritmo AR γ 1 .
En las Figuras 4 y 5 se observa el comportamiento
del algoritmo acelerador en configuración affine. En
la Figura 4 donde µλ = 50 el algoritmo acelerador
Fig. 5. Configuración Affine con
en configuración affine alcanza el mínimo error
cuadrático medio pero cuando µλ = 127 del
algoritmo
en
configuración
Affine
su
comportamiento parece ser el más rápido.
.
a)
Error
Parámetro de mezcla
Cuadrático
λ
Tabla 2. Valores resultantes del Comportamiento del Algoritmo
Acelerador Versión γ (AR γ ) en configuración Affine con variación
γ1
AR γ Aff
AR γ 1
AR γ 2
0.001
0.01
0.05
0.5
5000
500
3.5068e-08
9.8839e-08
0.0126
0.0199
3.27e-32
3.68e-32
0.05
1.5
166.66
4.3592e-09
0.0141
9.21e-32
0.5
1
2
30
50
100
5
30
50
200
300
1000
50
8.3333
5
1.250
0.8333
0.2500
2.8696e-25
8.5829e-15
1.0551e-16
2.7898e-32
1.1838e-32
6.1851e-32
0.0041
9.98e-07
3.08e-09
1.17e-29
8.59e-31
2.23e-31
3.16e-32
3.85e-32
6.28e-32
3.29e-32
7.53e-33
3.00e-32
109
µ λ = 127
Medio,
y
b)
Tabla 3. Valores resultantes del Comportamiento
del Algoritmo Acelerador Versión γ (AR γ ) en
configuración Affine con variación de m2 y mλ
parámetro m2 .
Se ilustra el comportamiento del algoritmo
acelerador en configuración Affine al variar los
valores del parámetro
m2 .
Las Figuras 6 y 7
0.01
0.05
0.5
2
30
muestran el comportamiento al tomar valores
iniciales como:
m2
γ2
0.01
0.05
3
50
8000
250
50.0000
0.8333
0.0500
3.125e-04
AR γ
Aff
4.88e-06
4.15e-09
2.42e-33
4.58e-34
8.61e-33
AR γ 1
AR γ 2
0.0228
0.0286
0.0169
0.0153
0.0144
4.81e-16
4.62e-31
2.36e-33
4.53e-34
6.90e-34
B =
[0.9000 − 0.5400 0.2100 − 0.0300 0.7800 0.5200 − 0.0900]
0.008;
α =
1
5.0000 e + 004;
γ =
m1 =
0.005;
1
0.8;
α =
2
En la tabla 3 se especifica la variación de mλ y m2 ;
el valor del error cuadrático medio para los
algoritmos Acelerador
AR γ en configuración
Affine, Acelerador AR γ más lento y más rápido.
Cuando
m2 = 50
y
µλ = 2
el
algoritmo
en
configuración affine alcanza el mínimo error
cuadrático medio con un valor muy aproximado
para el filtro ARγ 2 Para µλ = 5 el algoritmo en
configuración affine se comporta como el filtro más
rápido hasta µλ = 50 donde se empieza a
desajustar. El comportamiento con respecto al error
sigue siendo no lineal con excepción del algoritmo
AR γ 1 ; los parámetros µλ y γ 2 siguen siendo
inversamente proporcionales. A partir de µλ = 30 el
Fig. 6. Configuración Affine con
µλ = 5
y
m2 = 1000 . a) Error Cuadrático Medio, b) Parámetro
de mezcla
λ
algoritmo en configuración affine empieza a
desajustarse como se ve en las figuras 6 y 7 Desde
la experiencia 1 hasta la experiencia 3 el parámetro
λ (n) ha tomado valores menores a 0.
parámetro α1 .
Se registra el comportamiento del algoritmo
valores del parámetro α1 y con las Figuras 8 y 9 se
puede observar el modo de comportarse al tomar
valores iniciales así:
Fig. 7. Configuración Affine con µλ = 50 y m2 = 10000
a)Error cuadrático medio b)Parámetro de mezcla λ
B =
[0.9000 − 0.5400 0.2100 − 0.0300 0.7800 0.5200 − 0.0900]
=
m1 0.005;
=
=
m 2 0.5;
γ 2 5;
α 2 0.8=
110
En la Tabla 4 se especifica la variación de α1
observando los valores del error cuadrático medio
en
para los algoritmos Acelerador AR γ
configuración Affine; Algoritmo Acelerador AR γ 1
más lento y Algoritmo Acelerador AR γ 2 más
rápido.
En las Figuras 8 y 9 se plasma el comportamiento
de los algoritmos observando que para µλ = 5 se
obtiene el mínimo error cuadrático medio para el
algoritmo en configuración affine, además se
observa que en las Figuras 8 y 9 el comportamiento
del algoritmo en configuración Affine es más rápido
que los algoritmos AR γ en su configuración
convencional.
Fig. 9. Configuración Affine con µλ = 5 y α1 = 10 a)
Mínimo Error Cuadrático Medio, b) Parámetro de
mezcla λ
Respecto al parámetro λ ( n) en las Figuras 8 y 9
se observa que puede tomar valores tanto
negativos como positivos.
parámetro α 2 .
Registra
el
comportamiento
del
algoritmo
valores del parámetro
α2
y con las Figuras 10 y 11
se puede observar el modo de comportarse al
tomar valores iniciales así:
B =
[0.9000 − 0.5400 0.2100 − 0.0300 0.7800 0.5200 − 0.0900]
m11 =
0.005;
AR γ 2 más lento y más rápido respectivamente.
Con las Figuras 10 y 11 se observa el
comportamiento de los algoritmos con µλ = 10 y
configuración Affine con variación de los
parámetros α1 y µλ
0.005
0.05
0.1
1
2
10
γ1
AR γ Aff
AR γ 1
AR γ 2
0.05
0.5
1
3
5
20
8000
800
400
133.33
80
20
5.75e-08
1.14e-08
9.42e-16
1.56e-32
1.51e-32
1.47e-32
0.0189
6.74e-05
7.28e-13
8.88e-32
6.19e-32
3.55e-33
2.36e-32
3.36e-32
6.35e-32
1.86e-32
2.01e-32
2.62e-32
m12 =
0.5;
configuración Affine, Algoritmo Acelerador AR γ 1 y
λ
α1
0.008
α1 =
En la Tabla 5 se especifica la variación de µλ y α 2
observando los valores del error cuadrático medio
para
los
algoritmos
Acelerador
AR γ en
Fig. 8. Configuración Affine con µλ = 2 y α1 = 5 a)
Error Cuadrático Medio, b) Parámetro de mezcla
5.0000 e + 004;
γ1 =
que corresponde al momento en que se obtiene el
mínimo error cuadrático medio para el algoritmo en
configuración affine como se ve en la Figura 11. El
comportamiento del algoritmo en configuración
Affine es más rápido que los algoritmos AR γ en su
configuración convencional. Para valores de
entre [10, 50] y
µλ entre [0.5, 10] el error cuadrático
medio no tiene un comportamiento lineal.
111
α2
configuración Affine con variación de α 2 y µλ
α2
γ2
AR γ Aff
AR γ 1
AR γ 2
0.001
0.01
0.01
1
400
4
0.0246
1.21e-07
0.031
0.027
0.1
5
0.800
1.88e-13
0.018
0.5
1
10
30
50
10
20
50
100
150
0.400
0.2000
0.0800
0.0400
0.0267
9.34e-34
3.2861e-34
1.73e-34
3.98e-33
2.93e-30
0.032
0.01
0.0120
0.0301
0.0147
0.0246
2.29e-32
7.6593e34
8.52e-34
2.70e-34
3.08e-34
8.04e-34
1.01e-33
Fig. 12. Modelo del Proceso de Markov y Sistema
de Identificación.
COMPORTAMIENTO
DEL
ALGORITMO
ACELERADOR REGRESIVO VERSIÓN γ (AR γ )
Y PROCESO DE MARKOV.
A continuación se examinará el comportamiento del
algoritmo en un ambiente no estacionario siguiendo
el procedimiento descrito en Hayking [6] el cual
implementa un modelo variante en el tiempo para
un sistema de identificación, o un sistema
modelado por un filtro transversal que sigue un
proceso de Markov de primer orden como se
describe en la Figura 12..
Fig. 10. Configuración Affine con µλ = 10 y α 2 = 50
a) Mínimo Error Cuadrático Medio, b) Parámetro de
mezcla λ
+ 1) ζ wo ( n) + v( n)
wo ( n =
z = parametro fijo (aproximado a 1)
(5)
v ( n ) = vector de ruido con media cero
wo ( n ) = coeficientes del sistema a ser identificado
η ( n ) = ruido blanco gaussiano con media cero y varianza s η
2
x ( n ), v ( n ) y η ( n ) = estadisticamente independientes
Para verificar el análisis se efectúan diferentes
experiencias con las siguientes condiciones:
=
L
=
longitud de la señal L 8000
s v = varianza del Proceso de Markov =0.01
2
Fig. 11. Configuración Affine con µλ = 30 y α 2 = 100
a) Error Cuadrático Medio, b) Parámetro de mezcla
s x = varianza de la señal de entrada = 0.1
2
λ
s η = varianza del ruido de medida = 0.05
2
112
Tabla 6. Comportamiento del Error cuadrático
medio para valores de ς
ς
0.99
0.9998
1
En la Figura 13. Se
comportamiento con ς = 0.99
resultados en desajuste. El filtro combinado
resultante tiende a comportarse como el mejor de
los filtros, aliviando el compromiso entre la
velocidad de convergencia y el error residual
inherente al filtro.
AR γ
2.5111e-005
2.6146e-005
2.5573e-005
observa
el
Las características anteriormente descritas se
evidencian en los registros obtenidos para las
diferentes experiencias llevadas a cabo en el
desarrollo del estudio. Algoritmo Acelerador Versión
en configuración Affine, respecto a
γ (ARγ )
mejor
valores de
µλ
cercanos a cero el error cuadrático
medio
se
incrementa
sin
presentar
un
comportamiento lineal que sí se observa en todas
las experiencias llevadas a cabo. Así mismo su
comportamiento resulta más lento con valores altos
de µ como se ilustra en la Fig. 2. ofreciendo un
comportamiento que puede ser calificado como el
más rápido frente a valores µλ = 1, 5, 127
Igualmente se observa que en las experiencias
llevadas a cabo el comportamiento del parámetro
λ adquiere valores tanto positivos como
negativos.
Figura 13. Seguimiento del Algoritmo Acelerador
en configuración Affine y
Versión γ (ARγ )
Proceso de Markov con ς = 0.99
5. AGRADECIMIENTOS
Al Ing. PhD. Pablo Emilio Jojoa Gómez. Director del
trabajo de tesis, y del grupo I+D en Nuevas
Tecnologías en Telecomunicaciones-GNTT. A los
ingenieros: Ph.D. Carlos Felipe Rengifo Rodas,
MSc. Yudy Cristina Realpe Docentes Facultad
Ingeniería Electrónica y MSc. Alexander Parrado de
la Universidad del Quindio, que con sus aportes
permitieron culminar con éxito este trabajo.
4. CONCLUSIONES
Para el efecto de la combinación de dos algoritmos,
con el propósito de obtener un mejor rendimiento
se lleva a cabo la utilización del Algoritmo
Acelerador Regresivo versión γ (AR γ ). Algoritmo
descrito por Pablo Emilio Jojoa Gómez en 2003,
que presenta como principal característica la
disminución del número de parámetros de ajuste
denominados:
α , γ y m1 ,
con
una
buena
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
velocidad de convergencia y una considerable
reducción del error de medida final. Al algoritmo
anterior se le aplica la configuración Affine
registrando el comportamiento que presenta por
medio de parámetros como λ que es el parámetro
que permite la combinación y se observa que al
hacer uso del Algoritmo Acelerador versión γ (AR
γ ) en combinación Affine se logra una buena
adaptabilidad mejorando características como
velocidad, reducción del error de medida final;
buena capacidad de seguimiento (tracking) como
se observa en la Figura 13 ( ς = 0.99 ) y óptimos
[1] Windrow, B. Mantey, P y Griffiths, L. J.
Adaptative Antenna Systems. IEEE, vol. 55, Pag.
2143-2159, Diciembre. 1967.
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den Rijin, Paises Bajos. 1978.
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Algorithms for Adaptive Detection of Digital Signals
in the Precense of Interchannel Interference. IEEE
113
Trans. Informations Theory, Vol. IT-23, págs. 1.7.11.7.6, Hamilton, ON, Agosto. 1977.
Filters.
International
Conference
on
Communication,
Information
&
Computing
Technology (ICCICT), Oct. 19-20, Mumbai, India.
2012.
[4] Ketchum, J. W. y Proakis, J. G. Adaptive
Algorithms for Estimating and Suppressing NarrowBand Interference in PN Spread-Spectrum
Systems, IEEE Trans. Communications, Vol. COM30, págs.913-923, mayo. 1982.
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[13]Gerken, M.; Pait, F.; Jojoa P.E. An Adaptive
Algorithm with Parameter Aceleration, IEEE
International Conference on Acoustics, Speech and
Signal Processings 2000. Istambul, 2000.
CASSP’2000, CD-ROM. 2000.
[14] Kaleem, A. M y Tamboli, A. I. An Affine
Combination of two time Varying LMS Adaptive
114
CUESTIONARIO HONEY ALONSO DE ESTILOS DE
APRENDIZAJE UNA HERRAMIENTA QUE FOMENTA EL
MEJORAMIENTO DEL PROCESO ENSEÑANZA- APRENDIZAJE
EN LA INFORMÁTICA
1*
2*
Tania Catalina Amaya Rincón , Andrea Catherine Alarcón Aldana , Mauro Callejas Cuervo
3*
1
M.Sc Tecnología e informática, Licenciada en Educación Industrial. E-mail: [email protected]
M.Sc Software Libre, Esp. Ingeniera de Software, Ingeniera de Sistemas y Computación. E-mail:
[email protected]
3
PhD (c) Ciencia Aplicada, M.Sc Ciencias Computacionales, Esp. Ingeniería de Software, Ingeniero de
Sistemas. E-mail: [email protected]
*Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Avenida Central del Norte 39-115, Tunja, Boyacá.
Facultad de Ingeniería, Escuela de Posgrados Maestría en Tecnología informática
2
RESUMEN
Se presenta un caso de aplicación del Cuestionario Honey - Alonso de Estilos de Aprendizaje (CHAEA) como
una herramienta que permite identificar los estilos de aprendizaje de los estudiantes en la asignatura de
informática, para mejorar el proceso enseñanza-aprendizaje apoyado en el uso de la plataforma Edmodo; la
metodología abordada fue la investigación acción en cinco etapas: planificación, acción, observación, análisis y
reflexión, con una muestra no probabilística de muestreo intencional. Se plantearon actividades que permitieron
conocer la relación entre las tareas propuestas, los estilos de aprendizaje y la plataforma; al aplicar el
cuestionario CHAEA se determinó la media aritmética de cada estilo de aprendizaje obteniendo que los
estudiantes presentan estilo Activo en un 11.5%, Reflexivo en 13.9%, Teórico 13.1% y Pragmático 12.4%,
valores que posibilitan la elección de los medios y estrategias de enseñanza apropiados para el desarrollo de
una sesión de clase que beneficie el rendimiento académico.
Palabras clave: CHAEA, Edmodo, Estilos de aprendizaje
Recibido: 12 de Octubre de 2014.
th
Aceptado: 13 de Noviembre de 2014.
th
IDENTIFICATION OF LEARNING STYLES USING CHAEA, A TOOL THAT PROMOTES THE
IMPROVEMENT OF THE PROCESS TEACHING- LEARNING
ABSTRACT
An application case Questionnaire Honey - Alonso Learning Styles as a tool to identify learning styles of
students in the subject computer is presented for improving the teaching-learning process supported by the use
of Edmodo platform; the methodology used was action research in five stages: planning, action, observation,
analysis and reflection, with a nonrandom sample of purposive sampling. Activities to learn the relationship
between the proposed tasks, learning styles and the platform is proposed; by applying the questionnaire
CHAEA the arithmetic mean of each learning style is determined, obtaining that students have active style by
11.5%, 13.9% reflective, Theory 13.1% and 12.4% is pragmatic, values that make the choice of methods and
teaching strategies appropriate for the development of a class session that benefits academic performance.
Keywords: CHAEA, Edmodo, Learning Styles.
115
1 INTRODUCCIÓN
de aprendizaje, sistemas de gestión de aprendizaje
y la plataforma Edmodo
La estrategia utilizada para el desarrollo de una
sesión de clase es fundamental, ya que por medio
de esta se puede tener un buen resultado o por el
contario se puede generar más interrogantes, es
por esto que los docentes se preocupan
actualmente por dar uso a las tecnologías de
información y comunicación en sus clases [1], no
solo videobeam o el computador sino que utilizan
herramientas que se encuentran en internet , como
es el caso de los Sistemas de Gestión de
Aprendizaje (LMS) que ayudan a la administración
del proceso enseñanza-aprendizaje y apoyan el
desarrollo de las clases.
2.1. Estilos de aprendizaje
Los estilos de aprendizaje se son rasgos cognitivos,
afectivos y fisiológicos que indican como los
estudiantes perciben y reacciona un ambiente de
aprendizaje [6], [1], [4]; estos estilos de aprendizaje
cada día toman mayor importancia en el desarrollo
de las clases, permitiendo que el estudiante
obtenga mejor rendimiento académico cuando se
plantean actividades teniendo en cuenta sus
características y estilos en el proceso de
adquisición de conocimientos [5], [7]. Una forma de
identificar dichas características en el estudiante es
mediante la aplicación del Cuestionario Honey Alonso de Estilos de Aprendizaje ya que es el
instrumento más usado [5], este cuestionario
consta de ochenta preguntas divididas en cuatro
secciones correspondientes a cada estilo, la
respuesta no es acertada ó fallida, simplemente, si
se está de acuerdo con la pregunta, se escoge el
signo (+), y si no se está de acuerdo se escoge el
signo (-). Una vez se tienen las respuestas se
realiza la sumatoria de (+) que tenga en el estilo
activo (I), reflexivo (II), teórico (III) y Pragmático (IV)
[2], [5], [8],[1] para finalmente graficar los totales de
cada estilo e identificar la preferencia del estudiante
como se muestra en la Fig. 1.
Una parte fundamental del proceso de enseñanzaaprendizaje es como aprende el estudiante, para
determinar esto ha venido incrementando el uso de
los instrumentos para identificar el estilo de
aprendizaje y así plantear actividades adecuadas
para el grupo teniendo en cuenta la edad, los
gustos, el medio en el que se encuentran y la
temática estas actividades juegan un papel muy
importante en el proceso educativo [2], [3], [4].
Existen trece instrumentos que son los más
usados en el idioma ingles: Allinson y Hayes; Apter,
Dunn y Dunn; Entwistle; Gregorc; Herrmann; Honey
y Mumford; Jackson; Kolb; Myers-Briggs; Riding;
Sternberg; y Vermunt además que “el instrumento
CHAEA de Alonso-Gallejo es el más utilizado en
idioma español y empleado en diversas
investigaciones en Iberoamérica desde 1992.” (p.
17) [5]; es por esto que se decidió usar este
instrumento de medición de aprendizaje para el
desarrollo de la investigación.
Alonso, Gallego y García desarrollaron una página
web sobre los estilos de aprendizaje en los
lenguajes HTML, Java y JavaScript teniendo en
cuenta el cuestionario CHAEA [9], la estructura está
dividida en: Pagina web, Programa Java Script,
Programa Java, Base de datos MySQL en la Fig. 1
se observa un ejemplo de la gráfica que construye
el Programa Java mostrando los niveles obtenidos
en cada uno de los Estilos de Aprendizaje, Se
realizó el análisis de los datos obtenidos en la
página web del cuestionario CHAEA [10] , estos
datos son del 1 de abril hasta el 31 de julio de 2008
concluyendo que: “las personas que contestaron el
cuestionario CHAEA en línea tienen mayor
preferencia en cuanto al Estilo de Aprendizaje
Reflexivo, seguido por los Estilos Teórico,
Pragmático y Activo” (p. 105) [10].
La estructura del presente artículo se definió de la
siguiente manera: en primera instancia se describe
la conceptualización teórica, sobre estilos
de
aprendizaje y Cuestionario CHAEA, sistemas de
gestión de aprendizaje, y plataforma usada en el
estudio, posteriormente se explica el método para
el desarrollo de la investigación; luego se muestran
los resultados obtenidos en la investigación y por
último se presentan las conclusiones.
Para Alonso, Gallego y Honey cada estilo tiene
unas características sobresalientes que se puede
ver en la Fig. 2, [11] donde:
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A continuación se describen los conceptos
relacionados a la investigación tales como: estilos
Los motivos de su elección vienen determinados
tanto por su base conceptual, que está
116
estrechamente relacionada con la teoría de Kolb
(1984, 1985, 2000), sobre el proceso de aprender
de forma cíclica, ampliamente investigada, como
por su proximidad al ámbito escolar, aunque con
las limitaciones propias de edad, que esperemos
investigaciones posteriores resuelvan (p. 5), [11]
concebidas para conducir y administrar procesos
de enseñanza y aprendizaje en un entorno web
más o menos privado” (p.16) [12]. Estos entornos
permiten al docente proponer una clase activa en la
que se involucren actividades tales como: tareas,
pruebas, notas, alertas y demás opciones que
fomenten el mejoramiento del proceso de
enseñanza- aprendizaje.
2.2. Sistemas de Gestión de Aprendizaje
Los sistemas de gestión de aprendizaje (LMS) “son
aplicaciones
específicamente
diseñadas
y
Fig. 1 Grafica estilos de aprendizaje. Fuente: Adaptado de García & Santizo (2008)
Fig. 2 Características de los estilos de aprendizaje. Fuente: Adaptado de Adan (c2004)
117
Cabero & Marín mencionan que: “han sido los
autores que han abordado la problemática de las
características
distintivas
que
tienen
las
plataformas aplicadas a la formación virtual, entre
ellos encontramos a De Benito (2000), Zapata
(2005), Pérez (2007) y Boneus (2007)” (p.4) [13]
además tienen en cuenta las características
educativas, en la Fig. 3 se destacan algunas de
estas características.
asignaciones, test, evaluaciones, cuestionarios,
foros y notas de un modo estructurado [13], [17],
[18] otra característica importante es que puede ser
usada por niños como también por adultos [20].
La plataforma Edmodo está en constante mejora,
actualmente cuenta con algunas funciones como
las describen Cabero y Marín [13]:
 Crear grupo con acceso limitado, la
plataforma entrega un código que permite
acceder a los estudiantes a este y genera
clave para que los padres puedan seguir el
rendimiento de sus hijos.
 Compartir recursos para el apoyo del
aprendizaje como: archivos, enlaces, videos y
otros.
 Espacio de comunicación por medio de
mensajes y alertas.
 Permite desarrollar encuestas a los
estudiantes.
 Asignación de actividades a los estudiantes y
realizar las calificaciones.
 Realizar el calendario de clases para saber
las actividades a realizar.
 Entregar Insignias a los estudiantes dando
reconocimiento por alcanzar los logros
propuestos
 Crear y pertenecer a los comunidades de la
institución
2.3. Plataforma Edmodo
Teniendo en cuenta que las LMS benefician el
proceso enseñanza-aprendizaje para el desarrollo
de la investigación se usó la plataforma Edmodo.
Según [14] Edmodo es una plataforma educativa y
red social gratuita fundada en 2008 por Jeff O'Hara
y Nick Borj recientemente fue adquirida por
Revolution Learning (LearnCapital) [15], Edmodo es
un microblogging ya que teniendo un entorno
privado [16], puede ser utilizada en los entornos
virtuales, al permitir a los usuarios escribir textos
cortos y publicarlos para ser usados por otros,
propiciando un aprendizaje colaborativo [17], [18],
[19] en la Fig. 4 se puede ubicar la plataforma
Edmodo.
Edmodo es un Sistema de Gestión de aprendizaje
(LMS) que permite realizar aprendizaje social de
forma libre y segura, así como también administrar
el proceso de enseñanza aprendizaje, por medio de
sus herramientas se pueden crear grupos, datos,
Fig. 3 Características de las plataformas. Fuente: Adaptado de Adan (2004) [11].
118
Fig. 4 Microblogging Educativo. Fuente: Adaptado de Haro (2009)
3.1. PlanificaciónSe
determina
la
muestra
"representativa" y se hace una selección directa e
intencional de los estudiantes teniendo en cuenta
las condiciones del estudio, esta etapa es
fundamental en el estudio ya que permite tener
claras las temáticas, el diseño de actividades a
desarrollar en las clases y la forma como se usaría
la plataforma para obtener un mayor beneficio en
esta etapa, también se diseña un test de
aceptación de actividades y de plataforma para
tener la percepción de los estudiantes.
La plataforma Edmodo facilita el proceso
enseñanza-apredizaje al ser un sistema de gestion
del aprendizaje, permite al docente estar en
constante comunicación con los estudiantes,
creando los grupos que sean necesarios para el
desarrollo de su asignatura, realizar foros por
medio de comentarios, programar actividades y
crear asignaciones para algun estudiante en
particular, estas y otras actividades hacen que
Edmodo sea una herramienta eficaz en el momento
de conrtar distancias y brindar infrmación.
3.2. Acción
Etapa en la cual se aplica el test CHAEA y de esta
manera se empiezan a desarrollar las actividades
planteadas, se aplica un test aceptación de las
actividades y plataforma.
3 MÉTODO
La investigación acción consiste en realizar un ciclo
compuesto por: planificación, acción, observación y
reflexión donde el investigador está implicado en la
investigación es decir el docente además de
impartir su conocimiento se desempeña como
investigador, permite explorar, analizar y actuar
sobre la marcha [21], [22]. En la Fig. 5 se presenta
la forma como se realiza el proceso de
realimentación en cada etapa permitiendo que este
tenga un buen desarrollo, las tareas que se
desarrollaron se explican a continuación:
3.3. Observación
Se realiza en cada sesión de clase donde se
desarrollen las actividades propuestas durante el
proceso de investigación, tomando apuntes en un
cuaderno, el estudiante plasma la vivencia
personal, del grupo y lo que piensa sobre la actitud
de los implicados generando un diario de
estudiantes y la docente también genera un diario
[22].
119
Fig. 5 Espiral de autorreflexión de la investigación acción. Fuente: Carr & Kemiss (Citado por Hernández &
Romero, 2010)
3.4. Reflexión
Se analiza la información obtenida por medio de los
diarios, pruebas y a partir de los resultados, se
toman decisiones.
4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se presentan los resultados de la
investigación teniendo primero el análisis del
Cuestionario CHAEA y luego las actividades
planteadas.
Fig. 6 Distribución de la población por edades
4.1. Resultados del cuestionario CHAEA
La muestra es de 35 estudiantes, en la Fig. 6 se
relacionan las edades de los implicados en el
proceso de investigación, ellos están en grado
décimo y sus edades oscilan entre los catorce (14)
y dieciocho (18) años.
Se resalta de la Fig. 6 que la edad que predomina
en el grupo es de 15 años, que se encuentra una
sola estudiante tiene 14 y dos de 18 años.
Es importante resaltar que el Cuestionario Honey
Alonso de Estilos de Aprendizaje (CHAEA) se
aplicó iniciando la investigación, siendo este una
excelente herramienta para identificar el estilo de
aprendizaje de los estudiantes, a continuación se
muestran los resultados obtenidos. En la Fig. 7 se
muestra la media aritmética de toda la población
para los cuatro estilos de aprendizaje.
Fig.
7 Media aritmética de los estilos de
aprendizaje.
120
Tabla 1 Baremos general abreviado. Preferencia en estilos de aprendizaje
Estilo
de
10 % Muy Baja
aprendizaje
20
Baja
Activo
0—6
7–8
Reflexivo
0--10
Teórico
0—6
Pragmático
0—8
% 40
Moderada
%
20 % Alta
10
% Media
Inicio
Muy Alta estudio
9--12
13---14
15--20
11,5
11—13
14--17
18—19
20
13,9
7—9
10--13
14—15
16--20
13,1
9—10
11--13
14—15
16--20
12,4
Tabla 2 Preferencia por Género
Genero
Hombre
Mujeres
Activo
11
(moderada)
12
(moderada)
Reflexivo
Teórico
13 (baja)
14 (alta )
15
(moderada)
13
(moderada)
Pragmático
13
(moderada)
12
(moderada)
Foro. Se realiza sobre el tema de palabras
reservadas del lenguaje C++, para lo cual los
estudiantes deben realizar una consulta sobre las
palabras y estudiarlas, en la plataforma la docente
publica una comentario que permite que los
estudiantes participen en el debate del tema
consultado, obteniendo como resultado que 10
estudiantes no participaron y los otros 25
participaron una vez; es importante resaltar que
aunque se pensaría que el grupo presentaría mayor
participación, no fue así por el contrario se puede
evidenciar en los diarios que la falta de
participación es por la temática ya que para ellos no
es agradable hablar sobre las palabras reservadas
de C++.
En la Fig. 7 se puede observar que el estilo que
predomina es el reflexivo y es más bajo es el
activo. Luego de aplicar el cuestionario y
determinar la media aritmética los resultados se
constrastan con la tabla 1 propuesto por Alonso,
Gallego y Honey (1997) donde se puede identificar
las preferencias de los estudiantes en cada estilo
[8], [23], [1].
Es importante resaltar que el Cuestionario Honey
Alonso de Estilos de Aprendizaje (CHAEA) se
aplicó iniciando la investigación, siendo este una
excelente herramienta para identificar el estilo de
aprendizaje de los estudiantes, a continuación se
muestran los resultados obtenidos.
Exposición. Se sube a la plataforma documentación
sobre la temática clases y objetos, la población se
divide en seis grupos donde cada uno se encarga
de un tema que expondrá luego de haber realizado
una realimentación y consulta para profundización
del mismo; los estudiantes sienten que cuando
deben realizar una exposición ellos están
comprometidos a consultar y estudiar, mientras que
cuando es la docente quien maneja la temática
ellos no deben consultar, pero sí deben prestar
atención, además tienen la ventaja que el material
usado por los compañeros está disponible en la
plataforma.
En la tabla 2
se muestra el análisis de la
preferencia por géneros teniendo en cuenta la tabla
1, se puede decir que la preferencia es alta en el
estilo de aprendizaje teórico para los hombres y
poco reflexivo, mientras que las mujeres presentan
una preferencia moderada por cada estilo.
4.2 Actividades de acuerdo al estilo de
aprendizaje
Teniendo en cuenta que las preferencias de la
población para los cuatro estilos es moderada se
plantean cinco actividades para ser desarrolladas
por medio de la plataforma en la cual se tiene: foro,
exposición por parte de los estudiantes, videos,
actividad colaborativa, consulta de tal manera que
se puedan analizar los comportamientos de los
estudiantes en la sesión de clase.
Video. La docente crea dos videos uno sobre
clases con secciones privadas y otro sobre clases
sin secciones privadas en una herramienta llamada
121
5 CONCLUSIONES
PowToon
[24] de internet y es subido a la
plataforma, los estudiantes dicen que estas
actividades llaman la atención y son claros, se
recibieron comentarios como “Este método me
pareció bueno, es llamativo e interesante y facilita
nuestro a aprendizaje”, se evidencia que el video
facilita al estudiante crear su propio concepto sobre
la temática tratada.
El Cuestionario Honey Alonso de Estilos de
Aprendizaje (CHAEA) es una herramienta
importante en el proceso enseñanza- aprendizaje
ya que permite al docente diseñar actividades
adecuadas para un grupo en específico teniendo en
cuenta las preferencias de los estudiantes al
conocer el estilo de aprendizaje de los mismos.
Actividad colaborativa. Para esta actividad ya se
tienen conceptos previos sobre el tema
programación orientada a objetos (P.O.O) y se
desarrolla un juego en el que se conforman grupos
se comparte en la plataforma el código fuente de un
programa en Java y los estudiantes por medio de
comentarios identifican y corrigen la línea del
programa que contiene el error, luego de esta
actividad cada grupo deberá armar un programa en
Java que sea funcional donde cada uno de ellos
aporta una línea de código fuente, en esta actividad
se evidencia entusiasmo e interactividad, además
los estudiantes resaltan que la actividad es buena,
que llama la atención y los anima a estudiar
entendiendo mejor el tema.
El que hecho de un estudiante conozca su estilo
de aprendizaje le permite enfocarse y desarrollar de
una mejor manera su habilidad ya que puede
determinar tiempo y método de estudio, y de esta
manera mejorar los resultados en la aprehensión
de nuevos conceptos.
Es una ventaja en el proceso enseñanzaaprendizaje que
el docente identifique la
preferencia de estilo de aprendizaje de un grupo,
ya que puede plantear las actividades correctas
para que los estudiantes tengan un buen
desempeño académico.
La plataforma Edmodo siendo una herramienta de
gestión de aprendizaje brinda un excelente
acompañamiento en el desarrollo de las actividades
ya que los estudiantes pueden estar en todo
momento en comunicación con el docente y sus
compañeros.
Consulta. Se realiza una consulta sobre la temática
herencia, para esto los estudiantes presentan la
teoría que consultaron, la actividad se desarrolla en
casa y se sube a la plataforma durante el día
teniendo 24 horas para su entrega, en la tabla 3 se
evidencia que la entrega de la consulta es más
efectiva por la plataforma pero no indica que la
consulta permita construir un nuevo concepto sobre
la temática.
En el análisis de estilos de aprendizaje por género
en el grupo observado muestra de la investigación
se poder identificar que los hombres marcan una
diferencia con las mujeres ya que ellos son menos
reflexivos y más teóricos mientras que ellas
manejan los cuatro estilos de preferencia
moderada.
De las actitudes afrontadas por los estudiantes
hacia las actividades planteadas se puede resaltar
que lo más apropiado para ellos son los videos y
actividades colaborativas puesto que la primera
llama la atención por su contenido y animación
además de que pueden acceder en el momento
que deseen y repetir el contenido hasta obtener su
comprensión y la segunda porque la interacción
con los compañeros es una forma divertida de
aprender y de colaborarse mutuamente.
6
AGRADECIMIENTO
A la institución educativa Liceo la PresentaciónSogamoso Boyacá, que permitió desarrollar la
investigación.
Tabla 3 Entrega Consulta
7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Entrega de consulta herencia
Entrega Puntual (E.P)
34
Entrega con retraso (E.R)
0
No entregan (N.E)
1
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122
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http://www.powtoon.com/.
124
DESARROLLO DE UN ROBOT EXPLORADOR OPERADO
MEDIANTE NEUROSEÑALES
1
2
Marco A. Soler V. Harold A. Rodríguez A. César A. Peña C.
3
1. Ingeniero mecatrónico, Universidad de Pamplona Norte de Santander, Colombia. E-mail:
[email protected],
2. M.Sc. Ingeniero Mecánico, Coordinador de investigaciones facultad de diseño e ingeniería, TECNAR,
Centro Calle del Cuartel # 36-48, Cartagena de indias - Colombia. E-mail: [email protected]
3. Ph.D. Ingeniero Electromecánico, Docente Universidad de Pamplona Norte de Santander, Colombia. Email: [email protected]
Universidad de Pamplona Norte de Santander, Ciudad Universitaria, Pamplona, Colombia.
RESUMEN
Se presenta el desarrollo de una aplicación con una interfaz cerebro computadora encargada de leer las
neuroseñales del usuario, la misma tiene por objeto controlar un robot explorador tipo oruga tele-operado.
Para la medición de las ondas cerebrales emitidas por el usuario se emplea un casco Epoc que cuenta con
14 electrodos para la lectura y 2 de referencia, seguidamente se interpretan las señales obtenidas
visualizadas en la interfaz API (Interfaz de Programación de Aplicaciones), para luego realizar un enlace con
una interfaz en Matlab, desde la cual se envían datos de forma inalámbrica (RF) por medio de tarjeta XBEE
al micro-controlador de la plataforma robótica; se usa para tal fin una interfaz en Guide de Matlab. La
finalidad de la aplicación es sentar desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías a la exploración y detección
de amenazas, búsqueda y rescate de personas en las zonas de desastre u otros ambientes afines.
Palabras clave: EMOTIV EPOC, electrodos, suite, robot, giroscopio, interfaz, XBee.
Recibido: 4 de noviembre de 2014.
th
Received: November 4 , 2014.
Aceptado: 19 de Diciembre de 2014.
th
DEVELOPMENT OF A ROBOT EXPLORER OPERATED BY NEURAL-SIGNALS
ABSTRACT
This paper proposes an application for hull Epoc that has a brain computer interface responsible for reading
the user's brain activity; it is to control a robot explorer tele-operated caterpillar. For the measurement of brain
waves emitted by the user employing a helmet which has electrodes 14 and 2 to the reference reading, then
the signals obtained are interpreted displayed on the API (Application Programming Interface) to then make a
link with a Matlab interface from which data is sent wirelessly (RF) sent XBEE card to micro-controller of the
robotic platform, used for the purpose of an interface in Matlab Guide. The purpose of the application is to
establish development and application of new technologies for exploration and threat detection, search and
rescue of people in disaster areas or other similar environments.
Keywords: Emotiv EPOC, electrodes, suite, robot, gyroscope, HMI, control XBee.
125
1. INTRODUCCION
2. MATERIALES Y METODO
Los recientes acontecimientos alrededor del
mundo, en cuanto a desastres naturales se refiere,
dan muestra de la fragilidad del ser humano y de la
potencialidad a sufrir accidentes de este tipo en
cualquier momento, siendo las primeras cuarenta y
ocho horas en las que hay mayor posibilidad de ser
rescatado para luego recibir atención médica, los
equipos de rescatistas tienen por tanto un tiempo
reducido para ubicar y poner a salvo las víctimas,
en este ámbito los robots llegan a ser el
complemento para las labores de búsqueda por
cuanto tienen a su alrededor edificios, estructuras
colapsadas o a punto de colapsar donde un
rescatista pierde tiempo en el reconocimiento del
área; en su lugar el envío de robots de mucho
menor peso dotados de cámaras, permiten un
rápido reconocimiento del entorno, sin representar
peligros de nuevos desplomes o de lesiones para
las víctimas o del mismo rescatista. Por tal motivo
este tipo de robot debe ser de poco peso,
dimensionalmente pequeños y mantener un bajo
costo para apartar la intranquilidad de no poderlos
recuperar en una misión de rescate.
2.1 Casco Epoc
En la última década se han estudiado los robots
controlados a distancia o tele operados y gracias al
incremento en la velocidad de transmisión de datos
en los ordenadores, de internet y la aparición de
mejores elementos electrónicos y de dispositivos de
comunicación; han permitido que los robots se
hallen ubicados como complemento en las
diferentes áreas producción humana como por
ejemplo en la manipulación de sustancias toxicas o
perjudiciales para la salud, misiones militares,
ejecución de acciones repetitivas con manejo de
objetos pesados, exploración planetaria, misiones
de rescate entre otros.
La motivación inicial del proyecto fue la innovación
de controlar un robot con la mente y de tener la
ventaja de mantener las manos libres, que para el
enfoque de misiones de rescate es una ventaja en
la cual el rescatista puede aprovechar para realizar
algún tipo de complemento dentro de la misión,
como realizar una comunicación por radio u otras.
La necesidad creciente de las personas por
dispositivos que le ayuden con la movilidad cuando
estas poseen algún tipo de discapacidad ha hecho
que se investiguen las señales emitidas en el
cerebro humano, dando paso a la aparición de la
interfaz cerebro computadora (BCI), que permite al
usuario transmitir a una máquina su intención de
control reflejada en movimiento externo, este último
captado con un acelerómetro multieje ubicado en la
cabeza; permitiendo finalmente que las personas
sin ningún movimiento corporal, puedan controlar
dispositivos que le permitan mejorar su calidad de
vida. La empresa Emotiv con su dispositivo Epoc
incorpora esta tecnología [2], en un casco (Ver
figura 1), el cual registra en alta resolución la
actividad cerebral, la procesa y la envía a un
ordenador de forma inalámbrica, luego de captar
esta señal se procesa y nuevamente de forma
inalámbrica se envían las ordenes que finalmente
llegarán al robot explorador.
En este desarrollo se busca la integración de
nuevas tecnologías que permitan el uso de los
robots de una manera fácil permitiendo que
cualquier persona con pocas indicaciones entre y
pueda reemplazar un rescatista necesitado en el
área de desastre o del mismo rescatista con la
ventaja de tener sus manos libres para contestar el
radio de comunicación o de realizar el apunte de
coordenadas o de datos importantes para la misión.
El principio básico de los sistemas BCI y del casco
EPOC, es la posibilidad de comunicación a través
de un computador basándose íntegramente en
información obtenida del análisis de la actividad
cerebral [1], ocasionado por hablar, sonreír,
gesticular, o mover un grupo muscular sin que
exista de por medio ningún otro dispositivo o
interfaz para la realización de esta comunicación
como teclados, ratones, etc. Aprovechando esta
característica se desarrollara una aplicación que
pueda controlar una Plataforma robótica tele
operada usando para ello un acople hecho a través
de una interfaz hombre máquina.
El casco o este nuevo tipo de interfaz hombre
máquina, posee sensores para detectar los
pensamientos básicos, sentimientos, emociones y
gestos expresivos del usuario, adicionalmente
EPOC cuenta también con un giroscopio que
permite seguir los movimientos de la cabeza del
usuario [2].
126
2.2 Sistema mecánico y electrónico
Para el desarrollo del robot TEK, se adquirieron las
orugas, servo-motores, acrílico, perfiles de
aluminio, ejes y a partir de acá se comenzó el
diseño mecánico y electrónico a la par. Para el
diseño del robot se utilizó software CAD, el
esquema final se puede observar en la figura 2.
La plataforma robótica catalogada como del tipo
explorador es de pequeñas dimensiones, de
estructura robusta y bajo peso, que además cuenta
con un sistema de dos orugas para su tracción
donde las frontales tienen función de acople a
terrenos elevados o agrestes. Algunas de sus
características se observan en la tabla 1. Para su
comunicación se implementa las tarjeta XBee serie
dos y una cámara inalámbrica CM-811.
Fig. 1. Emotiv EPOC [2]
Fig. 2. Diseño del robot TEK
127
Para lograr una comunicación desde el pc al robot,
se necesita
la tarjeta encargada de la
interpretación de los datos y el posterior envío de
los mismos, el micro-controlador usado el 16f628
[3] por su tamaño de memoria, puente H L293 [4],
y dos sócalos que permiten la utilización de
XBee[5] serie dos y serie uno, el montaje se
observa en la figura 3.
Tabla 1. Características de la plataforma robótica
Característica
Descripción
Peso
870g
Ancho
15.6cm
Largo
26.1cm
Alto
9.6cm
Para acoplar todo el sistema, primero se realizan
pruebas de funcionalidad del circuito, a la vez que
se configuran las Xbee con el software X-CTU
(software para configurar las xbee) [6], como
router, ip, red, punto a punto entre otras opciones,
para llegar a la configuración en la que se le asignó
la dirección de red, la dirección del dispositivo
coordinador y la dirección de los dispositivos
finales.
Velocidad
5.8 cm/s
Torque
147N*cm
Max. Angulo oruga
35
Max. Angulo trabajo
45
Fuente de energía
AA* 4 Ni-Cd
Autonomía
3.5 h
Materiales
Acrílico-Al
Para la programación del microcontrolador se usa
el lenguaje C y el compilador CCS y para grabar
WINPIC-800. En el pic básicamente se programa
que la llegada de datos tenga la misma velocidad
de la XBee, 9600 baudios, sin paridad, sin control
de flujo; dentro del main se reciben los datos en
unos rangos en que trabaja la XBee y de acuerdo a
ellos ejecuta una acción dada por el casco Epoc y
enlazados por medio de la interfaz gráfica guide de
Matlab.
Comunicación
Inalámbrica
Control
Humano-EPOC
Tipo
Tele operado
Fig. 3. Diagrama del circuito de control
128
Figura 5. Panel de control estado de sensores [9]
Fig. 4. Interfaz Gráfica
Y para trabajar con todo el conjunto el robot
explorador TEK y el casco tenemos:
2.3 Interfaz en matlab
La interfaz gráfica cuenta con entrada de video y
con diferentes comandos para manejar el robot tek
por medio del tablero de control, el cual funciona
dando clic de forma manual (flechas) en la interfaz
y el prototipo gira para donde se le ordene, y
posiciona las orugas delanteras, también se
destaca el control desde el casco Epoc, donde se
accede usando la suite cognitiva y el giroscopio
sumado con la suite expresiva [2], donde para el
primer caso se capturan caracteres y para la
segunda usando el clic con la acción de apretar
los dientes; la anterior es realizada sobre la captura
de video (imagen), donde se ejercen finalmente las
acciones de movimiento al robot TEK.
La
programación fue realizada en el Guide de Matlab
[7] y su entorno se observa en la figura 4.
•
•
•
•
•
Tres puertos USB
Software Matlab R2008b
ENUTV-4 de ENCORE [8]
Driver xbee para el caso de usar PC a 64 bits [5]
Software Emotiv EPOC Control Panel [2]
Una vez se tienen instalados los programas, se
verifica la carga en las baterías y en el caso del
casco Epoc, cargarlo teniendo en cuenta que no
estén montados los electrodos y almohadillas. Se
procede entonces a la colocación del dispositivo
Epoc, en el software aparecen los sensores los
cuales hay que ubicar de manera que entreguen la
mejor señal que es la de color verde (gris tono
medio), como se observa en la figura 5.
2.4 Método
Para iniciar el trabajo con el casco Epoc, se debe
tener en cuenta ciertas condiciones necesarias
para su correcto funcionamiento como:
La calidad de la señal en los sensores será:
Negro: sin señal
Rojo (gris oscuro): señal muy baja
Naranja (gris): señal baja
Amarillo (gris claro): señal buena
Verde (gris medio): señal ideal
Windows Requisitos
• 2,4 GHz Intel Pentium 4 (o equivalente).
• Microsoft Windows XP con Service Pack 2,
Windows Vista o Windows 7.
• 1 GB de RAM.
• 50 MB de espacio disponible en disco.
• Puertos USB 2.0 (en función del número de
neuroheadsets que desea utilizar al mismo
tiempo.[2]
Mac Requisitos
• MAC OS X (10.5.x, 10.6.x, 10.7.x)
• Macintosh basado en Intel
• Disco duro con 500 MB disponibles [2]
En la figura 6, se describe el funcionamiento
general del sistema.
A continuación se hace el respectivo entrenamiento
con el casco Epoc en las suites que se van a usar,
en el presente trabajo serán la cognitiva, expresiva,
y emulador de mouse. La Suite Cognitiva, figura 7,
utiliza un cubo en 3D virtual para mostrar una
representación animada de la detección. Este cubo
3D también se utiliza para ayudar al usuario en la
visualización de la acción prevista durante el
proceso de entrenamiento.
129
Fig. 7. Suite Cognitiva [9]
Figura 6. Funcionamiento General
La destreza con la suite cognitiva es una habilidad
que mejora con el tiempo. Al aprender a entrenar a
distintos estados mentales, reproducibles para cada
acción, la detección se hace cada vez más precisa.
La mayoría de los usuarios suelen alcanzar sus
mejores resultados después de entrenar cada
acción varias veces. El sobre entrenamiento a
veces puede producir una disminución de la
precisión, aunque esto también puede indicar una
falta de consistencia y fatiga mental. La práctica y
la experiencia le ayudarán a determinar la cantidad
ideal de entrenamiento requerido para cada usuario
individual [9].
Fig. 8. Prueba Funcional
La otra manera de ejercer el movimiento en el robot
es usando el giroscopio y la suite expresiva en lo
concerniente con la acción de apretar los dientes o
clench. En este punto se comprueba todo el
sistema para la conducción del robot TEK,
ejecutando las acciones respectivas sobre la
ventana de video obteniendo la orientación
deseada por el usuario. Para esta prueba se toma
en cuenta que los usuarios desconocen el
dispositivo a utilizar, por esta razón se les indicó
donde hacer clic o pulsado, usando para ello una
ilustración como la observada en la figura 9 y
realizando una pequeña rutina de conducción a fin
de lograr una familiarización con el sistema antes
de efectuar la respectiva prueba como puede
observarse en la figura 10.
Para obtener una acción deseada solo basta
asignar un carácter a cada acción escogida que a
su vez co-relacionada con un pensamiento; las
acciones pueden ser empujar, tirar, derecha,
izquierda y en este trabajo el evento obtenido es
usado para la escritura por teclado que es a su vez
capturada en el edit text del Guide de Matlab, que
finalmente le dará la conducción al robot TEK esto
se muestra con la flecha en la figura 8.
130
3. RESULTADOS Y ANALISIS
El rendimiento del sistema dependió en gran parte
a la habilidad del usuario y del tiempo en aprender
y acostumbrarse al movimiento del giroscopio. Los
aciertos en las suites estuvieron influenciadas por
la calidad de la señal de los electrodos y en el caso
de la suite cognitiva de la concentración obtenida
por el usuario durante el entrenamiento, llegando
en reiteradas ocasiones a reemplazar el
entrenamiento y volver a adiestrar el sistema por
otro pensamiento distinto y así obtener un mejor
control sobre el avatar, que es un cubo flotante en
tres dimensiones. Los ensayos
se hacen
colocando al robot TEK sobre un circuito o pista
(Figura 11), para probar la eficacia del sistema en
la conducción con el casco (tablas 2 y 3).
Fig. 9. Área de hacer pulsado
En las tablas 2 y 3 están consignados los datos
arrojados en las pruebas por parte de los sensores,
la suite cognitiva, la suite expresiva, los tiempos
invertidos entre otros; para cinco diferentes sujetos
de prueba y las sesiones se realizaron a lo largo de
dos semanas ajustándose al tiempo de disposición
de cada individuo. Para la captación de señal en la
dama y de los caballeros que tenían abundante
cabello y con el fin de obtener una señal más
rápida y mejor, se saturaron las almohadillas con la
solución estéril.
Fig. 10. Prueba del sistema
Fig. 11. Pista de pruebas
131
Tabla 2. Pruebas de las Variables del Sistema
Tabla 3. Pruebas de las Variables del Sistema
´
El estado de los sensores registrados fueron los
obtenidos en los primeros minutos de captación y
se puede observar en la figura 12, es de notar que
estos estados a medida que pasaba el tiempo de
trabajo tendían a mejorar, tal es el caso que en
cierta ocasión todos tomaron la señal de coloración
verde o buena.
El trabajo con la suite expresiva se pudo observar
que hay un mejor resultado para la sonrisa, apretar
los dientes, levantado de cejas (ver figura N° 14);
es de anotar que para que una expresión cambie el
evento o acción esta debe ser fuerte en señal de tal
manera que el campo se llene de color naranja
como se puede observar en la figura N° 14, cosa
que solo presento los anteriormente mencionados y
por tal motivo es que se toman estos para ejercer
control en este proyecto, las demás acciones no
alcanzaban a generar el evento o acción pertinente.
Por último, se debe tener en cuenta que la
expresión de la sonrisa es demasiado sensible y
tiende a quedarse pegada en las acciones, por tal
motivo no es muy recomendable usarla y en caso
de hacerlo bajarle la sensibilidad al mínimo y con
esto para evitar que se confunda con el de apretar
de dientes.
En el trabajo con la suite cognitiva se observó, que
para trabajar con el Epoc el estado de ánimo influye
ya que una persona que trabajo en dos ocasiones
diferentes la conexión con el avatar fue totalmente
opuesta de buena a mala. Antes de comenzar el
entrenamiento se deben tener claro los
pensamientos a usar como ejecutantes de eventos
o acciones; tal es el caso que cuando se piensa en
cosas muy parecidas el sistema confunde las
ordenes, por tanto es mejor entrenar el sistema con
pensamientos que no tengan que ver los unos con
los otros y tratar de memorizar rápido, el
pensamiento con la acción que está relacionada.
En
la figura 13, se observan los resultados
obtenidos en la prueba.
132
Fig.12. Captación de los Sensores
Fig.13. Aciertos suite cognitiva
Fig. 14. Aciertos suite expresiva
Fig. 15. Tiempos en circuito y entrenamiento
4. CONCLUSIONES
Las suites toman la captura de la señal de los
electrodos como un evento, y este genera una
acción en el ordenador que puede ser escribir una
letra, accionar los botones del mouse, activar las
mayúsculas, en la expresiva para recibir
sensibilidad debe seleccionarse la opción send
para el mouse, y luego entrenar con los gestos.
El estado de los sensores que se registraron
fueron los obtenidos en los primeros minutos y es
de notar que dichos estados con más tiempo de
trabajo tendían a mejorar. En el caso de la dama y
de los caballeros que tenían abundante cabello;
para obtener la señal más rápida y mejor, se
saturaron las almohadillas con la solución estéril.
Hay ocasiones donde los electrodos no dan señal
se concluye que con tres sin señal se puede
trabajar; en el caso en que empiezan los electrodos
a ponerse de coloración oscura o sin señal, es
porque se ha secado la solución estéril y se hace
necesario re-hidratarlos.
Los tiempos usados en las prácticas se ilustran en
la figura N° 15, donde el promedio del tiempo usado
en entrenamiento fue de 31.4 minutos y el
promedio del tiempo en circuito fue de 5.13
minutos.
Por recomendación del fabricante en el caso de
quedarse sin batería en el casco se debe
133
desmontar los electrodos para cargarlo por cinco
horas y dicha carga dura cerca de ocho horas, esto
según el uso. La falta de precisión en alguna de
suites se debe al desgaste de los electrodos por el
uso y también debido a las diferentes formas
craneales originan una ubicación en los sensores
no óptima dando como resultado un pobre
contacto.
[6] Informer Technologies, Inc., X-CTU Software
Informer,
Disponible
en:
http://xctu.software.informer.com/ [consultado el 18 de
diciembre de 2013].
[7] The MathWorks, Inc., Creating Apps With
Graphical User Interfaces in Matlab, Disponible en :
http://www.mathworks.com/discovery/matlabgui.html [Consultado enero de 2014].
Cuando se usa la interfaz con el emulador del
mouse, se debe primero ajustar la sensibilidad de
este al gusto del usuario, y realizar movimientos de
entrenamiento antes de colocar el accionar por
eventos en el modo expresivo de apretar los
dientes, todo esto mejorara la conducción del robot
Tek por medio de la interfaz.
[8] Encore Electronics, ENUT-A, disponible en:
http://www.encore-usa.com/cl/cat/tv-tuner/enutv-4
[consultado febrero 2014].
[9]
Emotiv,
disponible
en:
http://www.emotiv.com/apps/epoc-desarrollos.html.
[Consultado febrero de 2014].
Cabe resaltar que para el tratamiento de las
neuroseñales, se usa por el momento el software
del fabricante, sin embargo de forma autónoma se
toman las señales y se trasladan a Matlab, en el
futuro se quiere procesar la señal y no usar un pc
sino un microprocesador, ya que hasta el momento
se requiere tener un pc con Matlab, y el software
del casco.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a la
universidad de Pamplona – Norte de Santander,
Colombia, por el apoyo recibido para el desarrollo
del proyecto.
6. REFERENCIAS
[1] Fernandez S., Rangel J. Estado del Arte de las
Interfaces Cerebrales, VIII Congreso Internacional
de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Abril 2014.
[2] Especificaciones y características casco Epoc
https://emotiv.com/epoc.php
Disponible
en:
[consultado 15 de enero 2014].
[3] Microchip Technology Inc. PIC 16f627A / 628A /
648ª Data Sheet, 2007.
[4] Texas Instruments Incorporated, L293, L293D
Quadruple Half-H Drivers, June 2002.
[5] Digi International Inc., XBee/XBee-Pro RF
Modules, 2009, Disponible en: http://www.digi.com
[consultado 13 de diciembre de 2013].
134
FUSIÓN DE DATOS EN REDES DE SENSORES:
UNA REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
1
2
Wendy Janett Guzmán González , José Rivera Mejía .
1
Ing. en sistemas computacionales, M.Sc. en ingeniería electrónica, PhD(c) [email protected]
Dr. José Rivera Mejía, profesor investigador, [email protected]
División de Estudios de Posgrado e Investigación. Instituto Tecnológico de Chihuahua, Ave. Tecnológico
#2909 Chihuahua, Chih., México C.P. 31310.
2
RESUMEN
El documento presenta una revisión de literatura en el contexto de redes de sensores y fusión de datos, el
cual expone una breve descripción de algunas implicaciones importantes de las redes de sensores y las
técnicas que frecuentemente se han usado como alternativa de solución ante los desafíos habituales en las
principales topologías de las redes. De igual manera se efectúa una correspondencia entre los modelos que
se han propuesto hasta la fecha y que comúnmente se han tomado como referencia para implementar un
sistema de fusión de datos a fin de identificar el enfoque primordial de cada uno de estos. Finalmente se
realiza una descripción de aportaciones dirigidas a sensores inteligentes, dejando claro que se requiere más
investigación en este contexto que permitan formular soluciones viables a las problemáticas actuales en
dicha área de aplicación.
Palabras clave: fusión de datos, red de sensores inalámbrica, topología de red, modelo, sensor inteligente.
Recibido: 30 de Junio de 2014.
th
Received: June 30 , 2014.
Aceptado: 10 de septiembre de 2014.
th
Accepted: September 10 , 2014.
DATA FUSION IN SENSOR NETWORKS: A REVIEW OF THE STATE OF THE ART
ABSTRACT
A literature review in the context of sensor networks and data fusion is presented as a brief description of
some important implications for sensor networks and the techniques that have been frequently used as an
alternative solution in the common challenges of main network topologies. Also, this paper presents a
correspondence between the models that have been proposed and have been frequently used as a reference
to implement a data fusion system. Finally, there is a description of contributions aimed towards smart
sensors, emphasizing the need of more research in this context to help formulate viable solutions to the
current problems in this area of application.
Keywords: data fusion, wireless sensor network, network topology, model, smart sensor.
135
1.
INTRODUCCIÓN
El presente documento tiene como objetivo
proporcionar una visión de los avances recientes en
fusión de datos. En particular, se realiza un análisis
de aportaciones que surgieron en la última década
con el fin de presentar un extracto que revele de
manera clara la tendencia en cuanto a problemas,
herramientas matemáticas y aplicaciones que se
han abordado con mayor frecuencia. Por otra parte
se efectúa una correspondencia entre los niveles
de los principales modelos y arquitecturas que se
han propuesto y han servido como base para
numerosas propuestas con resultados exitosos.
Dentro de este mismo contexto se examina un área
de aplicación de la cual se reportan pocas
contribuciones al respecto.
Actualmente los sistemas de medición se están
integrando por más sensores, dado que han
demostrado una mejora sustancial ante problemas
de diversas áreas. A medida que el volumen de
datos crece, también lo hace la necesidad de
combinar los datos provenientes de sensores para
extraer la información más útil que permita la
comprensión del entorno y la toma oportuna de
decisiones. Sistemas de fusión de datos son una
alternativa de solución eficiente ante dicha
problemática.
La idea de combinar datos provenientes de
diversas fuentes para obtener una descripción
completa del fenómeno observado ha estado
presente durante mucho tiempo, prueba de ello es
la teledetección y la meteorología. Fusión de datos
proporciona una formalización de la integración de
datos, supervisando la calidad de la información de
tal manera que los resultados ayuden a los
usuarios a tomar decisiones en situaciones
complicadas.
El resto del artículo está organizado de la siguiente
manera: en la sección 2 se mencionan algunas de
las aportaciones más significativas de fusión de
datos, de igual manera se hace referencia a los
modelos más citados y se describen las
aportaciones de un área de aplicación con pocas
contribuciones reportadas actualmente; dentro de la
sección 3 se documentan los resultados y en la
sección 4 se describen las conclusiones obtenidas.
Fusión de datos es un tema amplio, por tanto, han
surgido muchas terminologías que son usadas de
forma indistinta para referirse al mismo concepto.
Una de las definiciones más citadas corresponde a
la propuesta por la Junta de Directores de
Laboratorios del grupo de fusión de datos Joint
Directors of Laboratories (JDL) que la define como
un proceso de múltiples niveles y fases de
detección automática, que tratan con la asociación,
correlación, estimación, y combinación de datos e
información de una o múltiples fuentes para lograr
posiciones de refinado, estimaciones de identidad,
evaluaciones completas, situaciones de amenazas
oportunas y su significado [1].
2.
FUSIÓN DE SENSORES
Fusión de datos surgió en los años 90’s con
aplicaciones principalmente militares y de robótica
[1]. Ejemplos más recientes abarcan una amplia
gama de áreas: ingeniería oceánica [7], medicina
[8], control de tráfico [9], [4], geología [10], medio
ambiente [11], [12], geofísica [13], robótica [14], etc.
Se pueden encontrar diferentes técnicas para
implementar un proceso de fusión de datos, estas
pueden ser a través de simples operaciones
aritméticas hasta modelos con un alto grado de
complejidad. Algunos investigadores se apoyan en
enfoques estadísticos: combinación ponderada,
análisis estadístico multivariado, minería de datos
[15] y media aritmética [16].
Dichos términos, métodos y técnicas emergentes,
muestran el hecho de que el tema ha sido
estudiado en varias ocasiones. En [2] se hace
referencia a 40 revisiones literarias de mayor
relevancia que han surgido hasta el 2010.
Otros
investigadores
aplican
enfoques
probabilísticos: por ejemplo, la aproximación
bayesiana y modelos de espacio de estado [13],
[17], los métodos de máxima probabilidad [18], el
filtro de Kalman [19], teoría de la posibilidad [20], el
razonamiento evidencial y más específicamente la
teoría evidencial [21].
Tomando como base los estudios publicados por
Bloch en 1996 y Hall en 1997 [3], [1] donde se
abordan los orígenes y conceptos básicos, surgen
estudios posteriores que describen la evolución de
fusión de datos enfocada en la resolución de un
problema específico, como por ejemplo: en el
transporte, privacidad de datos y cuencas
hidrográficas [4], [5], [6].
136
También resulta útil el uso de la inteligencia
artificial: [22] redes neuronales [23], lógica difusa
[21], [24], cognición artificial y algoritmos genéticos
[25], [26].
2.2.1
Centralizada
Avances relacionados a fusión de datos
centralizada se presentan a continuación: un
enfoque de visión fue presentado en [35] para
abordar las limitaciones de: eficiencia, velocidad y
robustez. Una solución de procesamiento paralelo
basado en el modelo de múltiple interacción,
Interacting Multiple Model (IMM) fue propuesto por
Vaidehi [36] para resolver la complejidad
computacional.
2.1
Redes de sensores inalámbricas
Debido al futuro prometedor que muestran de las
redes de sensores inalámbricas, Wireless Sensor
Networks (WSN) numerosas investigaciones se
centran en este campo de investigación, y muchas
de las aplicaciones de fusión de datos son
implementadas en WSNs para monitorear
fenómenos y eventos.
Por otra parte Yucheng y Salahshoor [37], [38]
investigan las técnicas para mejorar la detección y
diagnóstico de fallas en el sistema, se basan en el
filtro de Kalman extendido, Extended Kalman filter
(EKF) y en el filtro de Kalman de conjuntos, The
Ensemble Kalman Filter (EnKF), respectivamente.
Dentro de este paradigma y fusión de datos es
crítico determinar dónde desplegar los sensores
para satisfacer requisitos de cobertura de
monitoreo. Estudios en este sentido son
presentados por Ababnah [27] quien toma como
referencia el trabajo propuesto en [28] para modelar
el problema de despliegue de sensores incluyendo
requisitos de falsas alarmas, en un contexto de
teoría de control óptimo, lo cual no fue considerado
en [29].
Avances más recientes son presentados por Munz
[39] quien introduce un diseño que es
independiente de las propiedades de hardware del
sensor y los requisitos de la aplicación, expone una
nueva extensión del algoritmo Joint Integrated
Probabilistic Data Association (JIPDA) basado en la
teoría de evidencia de Dempster Shafer, Dempster
Shafer Theory of Evidence (DST).
Otro aspecto de vital importancia es el doble
conteo, ya que afecta de manera directa los
resultados obtenidos [30]. Métodos de fusión
conservadora deben ser empleados para tratar de
aliviar tal problemática [31]. Tahir [32] se basa en
modelos de mezcla gaussiana, Gaussian Mixture
Model (GMM) y la técnica de Montecarlo.
Thompson [33] hace uso de métodos directos para
mantener la cuenta exacta en términos de
información independiente. Por otra parte, Bandara
[34] hace uso de una red de datos con nombre,
Named Data Networking (NDN) con la que es
posible evitar los mensajes duplicados de una
manera eficiente.
2.2.2
Descentralizada
A diferencia de la arquitectura anterior, la fusión de
datos descentralizada, presenta mayores desafíos.
En las siguientes líneas se describen algunos de
los avances recientes en materia.
GMM fueron considerados por primera vez para
problemas de seguimiento por Sorenson [40]. En
[41], [42] además de GMM se apoyan de un filtro de
partículas. Por otra parte en [43] se soluciona el
problema de detección y aislamiento de fallas,
basado en un enfoque Unscented Kalman Filter
(UKF). Una perspectiva semejante se presenta en
Zervas [21] para evitar la generación de falsas
alarmas y en [44] para calcular la posición de un
vehículo submarino autónomo.
2.2
Topologías de red
Fundamentalmente una red de sensores está
integrada por cierta cantidad de nodos, que se
pueden organizar de diversas formas. El estudio de
trabajos relacionados revela tres tendencias
principales:
centralizada,
descentralizada
y
distribuida.
2.2.3
Distribuida
El presente enfoque se ha investigado durante
muchos años [45], [46]. La gran cantidad de
trabajos de investigación publicados en las
metodologías de fusión de datos distribuidas
usando paso de mensajes [47], basado en rumores
[48] y procesos de difusión [49], es un indicador del
creciente interés en este tema.
Debido a las restricciones de espacio, se
documentan solo algunas aportaciones de un total
de 140 que fueron consideradas para la obtención
de los resultados expuestos en el presente
documento.
137
Enfoques para reducir el costo de comunicación se
presentan en [46] y en [50] para resolver el
problema de transferencia de información.
Zongqing [51] propone un algoritmo heurístico para
la colocación de la función de fusión, los resultados
supera a lo presentado en [52].
modelo cascada, el cual dirige especial atención a
los niveles bajos de fusión, lo cual no ocurre en
[68], ya que este último se enfoca en los niveles
altos principalmente.
Uno de los marcos de fusión más abstractos es
propuesto por Kokar [59], tal formalización se basa
en la teoría de categorías y se afirma que es lo
suficientemente general como para capturar todo
tipo de fusión, además este podría contribuir a la
mejora y formalización del modelo JDL.
Por otra parte Julier [30] presenta un preliminar
para estimar y explotar las correlaciones. Un nuevo
enfoque basado en la propagación de consenso fue
propuesto por Khaleghi [53], sin embargo, el
experimento se llevó a cabo a pequeña escala.
2.4
Desafíos
Es evidente de este estudio que el estado actual de
la técnica de fusión de datos está en continuo
desarrollo. Existen por lo tanto, áreas de aplicación
que hasta hace poco han sido escasamente
exploradas por la comunidad de fusión de datos,
algunas de ellas son: el desarrollo de sistemas
capaces de incorporar los datos duros y suaves
[69], sistemas de fusión de datos en entornos
dinámicos y procesamiento en tiempo real [4], así
como la incorporación de la de fusión de datos en
sensores inteligentes [70], [71]; este documento se
enfoca en una revisión de publicaciones de esta
última área.
Farrell
[45]
presentó
una
aproximación
computacional
simple
en
presencia
de
correlaciones desconocidas y sin la necesidad del
etiquetado. Otro aspecto abordado en este contexto
se presenta en [54] para frecuencias de muestreo
diferentes, lo cual no había sido considerado en
[55], [56], [57].
2.3
Modelos de fusión de datos
Aunque se ha propuesto más de 30 modelos de
fusión [58] el modelo más citado es el JDL, Llinas
[1] lo describen mediante una serie de niveles
incrementales. A pesar de su popularidad, este
modelo tiene algunas deficiencias, tales como el
enfoque para aplicaciones militares, por lo cual no
puede ser implementado con facilidad en
aplicaciones civiles, aunado a que es demasiado
restrictivo. Por lo anterior han surgido nuevas
propuestas para tratar de aliviar dichos
inconvenientes [59], [60].
2.4.1
Sensores inteligentes
Pocos aportes se ha encontrado referente a fusión
de datos en sensores inteligentes, lo antes
mencionado no significa que sea un área de
reciente surgimiento, prueba es que quizás una de
las primeras investigaciones fue presentada por
Cheng-He [72].
Otra alternativa es presentada por Thomopoulos
[61], la cual brinda un mayor grado de flexibilidad,
permitiendo que los niveles de fusión se puedan
implementar de una manera secuencial o
intercambiable. Dasarathy [62] por otra parte, ve al
sistema de fusión desde una perspectiva de la
ingeniería de software.
Luo y Kay [63] introducen un nuevo modelo en
donde se clarifica la distinción entre la integración y
fusión de múltiples sensores. Pau [64] describe otro
marco de fusión de datos basado en behavioural
knowledge formalism. No obstante, Bedworth [65]
describe un modelo llamado Omnibus, dicho
paradigma es un híbrido de otros tres modelos.
Investigaciones más recientes se presentan en [73]
para el reconocimiento de voz en un robot
inteligente
bajo
un
esquema
de
fusión
descentralizada. Bajo este mismo enfoque, en [74]
se usa la capacidad de cálculo de los nodos
sensores para la detección de eventos. Por otra
parte en [75] se implementó un sistema para
realizar inferencias a través de otras mediciones y
predecir la variable de interés. Capua [76] propone
un innovador diseño de una red de sensores web
inteligentes para el monitoreo de los niveles de
exposición de campos electromagnéticos, sin
embargo, la fusión a nivel de decisión se realiza en
una estación de trabajo remota y no en el sensor
inteligente.
Otra conceptualización es presentada por Esteban
[66] para satisfacer los requerimientos de las
directrices de ingeniería. Harri [67] presenta el
En relación a fusión centralizada se encuentran
publicaciones como en [77] que formula el uso de
un microcontrolador para la detección y
138
clasificación de gases. Por otra parte Rivera [78]
ilustra el diseño de un sensor inteligente con
capacidad de fusión de datos para estimar el
consumo de agua en un edificio. Un sistema para la
mejora en la precisión del parámetro obtenido por
el sensor inteligente es presentado en [79].
McGrath [60] introduce un nuevo modelo
denominado
Adaptive
Context
Information
Processing Language (ACLPL), el cual fue
inspirado en [1] con el fin de realizar fusión de
datos en redes de sensores inteligentes.
momento son el monitoreo y control de variables,
además del seguimiento de objetos, aunque esta
última sin duda alguna destaca aún más en el
enfoque descentralizado.
3
Respecto a las técnicas utilizadas, en la Tabla 1 se
evidencia que el filtro de Kalman y sus variantes se
encuentran presentes en los tres esquemas, dicha
técnica fue documentada en gran cantidad de
aportaciones con resultados exitosos.
Finalmente es importante señalar que uno de los
principales problemas del cual han surgido
numerosas propuestas de solución en las
diferentes topologías se enfocan al tratamiento de
la imperfección de los datos, dado que estos
siempre se ven afectados por un cierto nivel de
incertidumbre o falta de certeza en las mediciones.
RESULTADOS
A pesar de que la mayoría de los enfoques
propuestos no son sistemáticos, sino que
representan soluciones puntuales a problemas
específicos, se hizo un esfuerzo por clasificarlos a
fin de obtener un extracto que muestre de manera
clara la tendencia de problemas a resolver, técnicas
y aplicaciones que hasta el momento se han
reportado con mayor frecuencia en las topologías
antes descritas, motivo por el cual se realizó una
revisión de aproximadamente 140 contribuciones
publicadas en la última década, las cuales se
concentran en la Tabla 1.
Por otra parte la teoría de evidencia de Dempster
Shafer fue usada principalmente en la fusión
centralizada para aplicaciones robustas, donde la
fiabilidad del sistema es una parte crítica, en dichas
aportaciones se intenta obtener beneficios de
conjuntos de hipótesis. La teoría de conjuntos
aleatorios aunque es de reciente surgimiento
también se aplicó en este enfoque para una
representación adecuada de la amplia gama de
aspectos de imperfección de datos como:
incertidumbre, imprecisión y ambigüedad.
De la Tabla 1 se puede observar que el enfoque
centralizado ha dirigido la atención principalmente a
cuatro aspectos básicos que hasta la fecha se
encuentra en desarrollo, siendo la complejidad
computacional y el tratamiento de mediciones fuera
de secuencia los principales desafíos. Así mismo
se evidencia que la principal aplicación bajo este
esquema es la detección y diagnóstico de fallas en
procesos de diversos rubros.
Los modelos de mezcla gaussiana se aplicaron
principalmente en enfoques descentralizados, dado
que se ha demostrado que son una herramienta
que proporciona una base para las soluciones
analíticas a las actualizaciones y predicción para el
filtrado bayesiano general, además de ser una
herramienta estocástica potente y compacta que
permite la comunicación eficiente en redes de
sensores a gran escala. Por otro lado, los enfoques
bayesianos también se usaron primordialmente
como una alternativa para tratar con la imperfección
inherente a los datos.
Por otra parte en la topología descentralizada el
foco de atención es principalmente el consenso de
nodos que involucra problemas de doble recuento y
la generación de falsas alarmas, sin olvidar los
aspectos referentes a la red. Dentro de las
aplicaciones más comunes se encuentra el
seguimiento de objetos así como la implementación
en vehículos autónomos.
No obstante, los procesos se decisión de Markov
se reportaron con mayor frecuencia en la fusión
distribuida enfocados principalmente a reducir
sustancialmente la redundancia en el flujo de
información en el sistema global y a mantener un
mayor control de información.
En el esquema distribuido los principales desafíos
reportados son la ubicación óptima de la función de
fusión de datos y aspectos relacionados con la
transferencia de información incluyendo la
sincronización. Las aplicaciones habituales hasta el
139
Tabla 1. Problemas, técnicas de desarrollo y aplicaciones de topologías de red
Enfoque
Centralizada
Descentralizada
Problemas
Técnicas
Complejidad computacional
Filtro de Kalman y sus
derivaciones
Tratamiento de mediciones fuera de
secuencia
Teoría de evidencia de
Dempster Shafer
Despliegue de sensores
Teoría de conjuntos
Aleatorios
Identificación y tratamiento de datos
atípicos
Generación de falsas alarmas
Tratamiento de doble recuento
Distribuida
Inconsistencia en mediciones
Transferencia de información
Colocación de la función de fusión de
información
Inconsistencia en mediciones
variantes
Modelos de mezcla
gaussiana
Enfoques bayesianos
derivaciones
Procesos de decisión
de markov
Método de Montecarlo
Aplicaciones
Detección y
diagnóstico de
fallas en
procesos
Seguimiento de
objetos
Vehículos
autónomos
Control de tráfico
Monitoreo y/o
control de
variables
Seguimiento de
objetos
De igual manera, el método de Montecarlo se
aplicó para ayudar a entender la relación
fundamental entre el número de sensores, la
ubicación, combinación de sensores de diferentes
capacidades, carga computacional beneficios de
fusión de datos, costo del sistema, etc. Aunque es
conveniente mencionar que también fue aplicado
en gran medida en los otros enfoques con el
propósito de realizar evaluaciones de rendimiento
de los algoritmos propuestos frente a los ya
existentes.
congruente, dado que la fusión de bajo nivel cada
vez se afianza más y se acerca a la madurez. Lo
cual no ocurre en las aportaciones JDL y I/O [1],
[62] las cuales dirigen la atención a los niveles altos
de fusión. Por otra parte, las aportaciones de Das y
Bedworth [68], [65] incluyen además de la toma de
decisiones la acción como parte del modelo, lo cual
no ocurre para el resto de los modelos. Se
reportaron también modelos que generalizan en
gran medida el proceso de fusión como lo son las
aportaciones de Thomopoulos y Esteban [61], [66].
Con la finalidad de presentar una orientación de los
componentes que integran los modelos antes
descritos, se realizó un análisis detallado a fin de
establecer una correspondencia aproximada, no
comparativa, entre los diversos niveles, los cuales
se ilustran en la Tabla 2. Se puede observar que
las diferencias primordialmente se reflejan en los
detalles de cómo cada modelo es representado, en
otras palabras, la manera en que se describe el
flujo de información.
Finalmente es importante mencionar que la
contribución de Kokar [59] no se incluyó en dicha
correspondencia, debido a que su aportación es
representada en una notación lógica y matemática
y no específicamente mediante gráficos y a través
de niveles; lo que significa que quizás es la primera
aportación en el desarrollo de una teoría formal de
la fusión. Una de las consecuencias de la
representación de modelos mediante niveles y
lenguaje natural es que no es posible demostrar
formalmente cuál modelo es más eficiente que otro,
razón por la que en la literatura analizada se
reportaron comparación de algoritmos sobre la
base de experimentos simulados, lo que no sería
necesario si los modelos se representaran en base
a una teoría formal [59].
También de la Tabla 2 es posible identificar
claramente los modelos en los que su principal
énfasis es el procesamiento de funciones en los
niveles bajos, como lo son las aportaciones de Luo
y Kay, Pau y Harri [63], [64], [67], lo cual resulta
140
MODELO
I/O
Tabla 2. Correspondencia entre niveles de modelos de fusión de datos.
Ref
Datos
Información
Conocimiento
Decisión
[62]
(DAI-DAO)
JDL
[1]
Preproceso de
fuentes
Ciclo OODA
[68]
Observación
Cascada
[67]
Omnibus
[65]
[64]
Esteban
[66]
Valoración del objeto
Valoración de
la situación
Valoración de
impacto
Sensado
Procesamiento
de señales
Observación
Orientación
[63]
Pau
(FEI-FEO)
Orientación
Extracción de
características
Valoración de
la situación
Reconocimiento de
patrones
Thomopoulos [61]
Luo y Kay
(DAI-FEO)
Señal
Señal
Pixel
Características
Extracción de
características
Asociación
Atributos del sensor
(FEI-DEO)
(DEI-DEO)
Refinamiento
Decisión
Acción
Decisión
Decisión
Evidencia
Acción
Acción
Dinámica
Símbolo
Representación
Análisis y agregación
4.
Identificación
Estimación
CONCLUSIONES
Validación
taxonomía que indica los problemas, herramientas
matemáticas y aplicaciones que ordinariamente se
han abordado en la última década en cuanto a las
principales topologías de red.
Los adelantos tecnológicos permiten instrumentar y
conectar prácticamente cualquier objeto, dicha
proliferación de dispositivos conectados requieren
sistemas con un drástico aumento en la capacidad
para procesar datos, que permitan extraer y
almacenar lo más relevante. Por lo anterior la
comunidad científica de fusión de datos se
encuentra impulsando una intensa investigación en
cuanto a la generación de sistemas capaces de
abordar dicho problema.
Se pudo notar que el filtro de Kalman y sus
variantes son los métodos más comunes por ser
entre otras cosas, simples y fáciles de implementar,
así mismo, el seguimiento de objetos fue la
aplicación más analizada. Por otra parte se reportó
gran cantidad de aportaciones enfocadas a
soluciones de inconsistencia de los datos.
En el presente trabajo se intenta resumir una
revisión de los avances recientes en fusión de
datos en redes de sensores, que proporcione una
imagen actual de la investigación en dicho tema,
para lo cual se analizaron algunos conflictos en
redes de sensores, siendo la fusión conservadora
en este contexto, el más estudiado.
De igual forma se presentó una correspondencia
entre los niveles que integran a los principales
modelos, destacando el enfoque que cada una de
estas. Se evidenció la necesidad del desarrollo de
nuevos modelos con base en una teoría formal, a
fin de lograr evaluaciones de rendimiento.
Finalmente, se realizó una revisión de literatura en
el contexto de sensores inteligentes, después de la
cual queda claro que existen pocas aportaciones en
este sentido, y aunque en la mayoría de estas se
habla de sensores inteligentes, en sí, el proceso de
De igual manera se analizaron 140 artículos, de los
cuales se pudo destacar la implementación de
soluciones a varios de los problemas de fusión de
datos en redes de sensores. Se introdujo una
141
fusión de datos no siempre es implementado en el
sensor, si no en un equipo de mayor capacidad
computacional, principalmente para la fusión de
decisiones.
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Por lo antes mencionado es quizás esta un área de
oportunidad, en la cual valdría la pena realizar
estudios en este sentido, a fin de brindar
propuestas que representen una solución viable a
las problemáticas actuales en redes de sensores
inteligentes.
5.
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación fue apoyada por una beca de
educación superior. Los autores desean expresar
su agradecimiento a todas las personas que
aportaron sus comentarios, en especial a los
miembros del equipo de investigación del Instituto
Tecnológico de Chihuahua.
6.
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Electronics Society, 2007. IECON 2007. 33rd
Annual Conference of the IEEE. 2203–2208,
Noviembre 2007.
[78] Rivera, J., Seanez, C., Hernandez, A. y Lopez,
A. Intelligent sensor with data fusion to improve the
care and management of water. Instrumentation
and
Measurement
Technology
Conference
(I2MTC), 2011 IEEE.1–5, Mayo 2011.
[79] Shi, J., Tang, H. y Gong, H. Application of
wavelet neural network and multi-sensor data fusion
technique in intelligent sensor. Intelligent Control
and Automation, 2008. WCICA 2008. 7th World
Congress on. 1114–1117, Junio 2008.
145
146
Revista Politécnica ISSN 1900-2351(Impreso), ISSN 2256-5353 (En línea), Volumen 10, Año 10, Número 19, Julio-Diciembre 2014
Referencias bibliográficas.
Deben insertarse dentro del cuerpo del artículo, con números
arábigos entre corchetes [1], consecutivamente, en la medida en
que van siendo mencionadas.
INDICACIONES PARA LOS AUTORES
Para su selección, la revista Politécnica recibe artículos en
idioma español, portugués o inglés. Los artículos sometidos a
consideración de la revista deben ser inéditos, es decir, que no
se hayan publicado en otros medios, electrónicos o impresos y
que no hayan sido sometidos simultáneamente a otras revistas u
órganos editoriales. Todo artículo será sometido al proceso de
evaluación por pares académicos.
En la lista, al final, se organizan consecutivamente en el orden
de citación (nunca en orden alfabético). No deben incluirse
referencias que no estén citadas en el artículo. Igualmente, no
deben citarse trabajos en revisión, que no hayan sido
publicados. A continuación encontrará ejemplos de diferentes
tipos de referencias bibliográficas:
Es obligatorio utilizar el formato de artículo, el cual es una
plantilla con las indicaciones para la inclusión de títulos, tipos de
letra, figuras, tablas, ecuaciones, bibliografía, citación, etc. Los
artículos deben venir acompañados por una carta de
presentación y cesión de derechos de autor, y por el formato de
autores. Estos documentos se pueden descargar en la página
web de la revista:
Artículos:
[Nº] Alien, J.S., Samuelson, R. y Newberger, A. Chaos in a
Model Of forced Quasi-Geostrophic Flow over Topography: An
application of Melinkov’s Method, J. Fluid Mech., 226, 511-547,
1991.
Libros:
[Nº] Baker, G. L. y Golub, J., Chaotic Dynamics: An Introduction,
Cambridge University Press, Cambridge, 1990.
http://www.politecnicojic.edu.co/ojs
En el enlace “Revista Politécnica”
•
•
•
Formato carta presentación de artículos
Formato de autores
Formato de artículo
Capitulo de libro:
[Nº] Lewis, P., Ray, B. y Stevens, J.G. Modeling Time Series by
Using Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS). En:
Time Series Prediction: Forecasting
the Future and
Understanding the Past (Eds. A.S. Weigend y N. A.
Gershenfeid), SFI studies in the Science of Complexity, Proc. Vol
XV, Addison-Wesley, reading 297-318, 1994.
La carta de presentación y cesión de derechos de autor.
El autor de correspondencia debe indicar el tipo de artículo
según la clasificación mencionada en el formato de artículo.
Para artículos tipo 1, 2 ó 3, el autor debe indicar a que
investigación esta asociado dicho artículo y la institución
ejecutora del proyecto. Para el artículo tipo 4, el autor debe
expresar en menos de 400 palabras, una justificación del por
qué el articulo debe ser tenido en cuenta para ser enviado a
evaluadores.
Memorias de congresos:
[Nº] Alzate, N., Botero, T. y Correa, D. Título de la ponencia.
Memorias, XIX Congreso Latinoamericano de Ponencias
Científicas. Córdoba, Argentina, Tomo II, 219-228, octubre 2008.
Conferencias:
[Nº] Garzón, J.C. Más allá de las decisiones económicas.
Documento presentado en la II Jornada de Análisis Económico,
La Habana, Cuba, marzo de 2000.
Se debe sugerir al menos tres posibles evaluadores externos a
su lugar de trabajo y grupo de investigación, los cuales deben
ser especialistas en el tema específico del artículo, tener al
menos titulo de maestría y pueden pertenecer a una universidad
o industria, pública o privada, también deben suministrar los
datos de contacto e-mail y teléfono (fijo y/o celular). Esta carta
debe ser firmada por cada autor y enviada escaneada en
conjunto con los otros dos archivos (formato de autores y el
artículo)
Reporte de un organismo o ente gubernamental:
[Nº] U.S. EPA. Status of Pesticides in Registration: an Special
Review. EPA 738-R-94-008. Washington, DC:US. Environmental
Protection Agency, 1994.
Tesis:
[Nº] Jacobs, J. Regulation of Life History Strategies Within
Individuals in Predictable and Unpredictable Environments [PhD
Thesis]. Seattle, WA: University of Washington, 1996.
El formato de autores.
Debe enviarse en versión electrónica (Word). Los datos allí
consignados son requeridos en la Base Bibliográfica Publindex
de Colciencias.
Referencias de internet:
[Nº] NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center Advancing
Understanding and Prediction of Climate Variability. Disponible
en: http://www.cdc.noaa.gov [consultado el 8 de agosto de
2008].
El artículo.
Debe enviarse en versión electrónica (Word). El no uso de este
formato descalifica el artículo y no será tenido en cuenta en la
convocatoria.
Patentes:
[Nº] Zambrano G., Esteve J., Prieto P., Instalación para
deposición de películas de carbono tipo diamante y el
correspondiente método in situ usando recubrimientos duros de
metal /carburo de ese metal como capas intermedias para el
mejoramiento de la adherencia entre películas y substrato, 2002,
España, Patente No. P 200102020, Instalación para deposición
de películas, 15 de Enero de 2001 (depósito).
En todo el artículo se utiliza letra tipo Arial 10 puntos, excepto en
el título. Antes de cada título se deja doble espacio y después de
cada título, se dejará un espacio sencillo antes de iniciar el
párrafo. La extensión de un artículo no será mayor a veinte (20)
páginas a doble columna y espacio sencillo. Las demás
indicaciones están en la plantilla.
147
DIRECTIONS FOR THE AUTHORS
Proceso de Evaluación.
El proceso de selección de artículos que participan en la
convocatoria tiene varias fases: primero, hay una revisión inicial
por parte del comité editorial, para determinar si el trabajo
cumple con los términos de referencia, presenta deficiencia en
su estructura, redacción y demás observaciones presentadas en
este documento. Los artículos que no cumplen, no serán
tenidos en cuenta para continuar en el proceso y serán
descartados en la revisión inicial. En la segunda fase, se
evalúan los artículos bajo la modalidad doble ciego, se analiza
su contenido por parte de dos pares académicos nacionales o
extranjeros, especializados en el área correspondiente del
artículo. El proceso del dictamen es anónimo entre evaluadores
y autores, dura entre 1 y 2 meses.
Revista Politécnica receives papers in Spanish, Portuguese or
English for their selection. The papers to be taken in
consideration for publishing must be unpublished, that is, they
can not have been shown before in other electronic or printed
media, nor taken into consideration at the same time in other
journal. All articles will be submitted to the evaluation process by
academic peers.
It is of obligatory character to use the papers form established for
the journal, which is a template with directions on how to include
the titles, font type, figures, charts, equations, bibliography, etc.
The papers must be submitted with a presentation and copyright
assignment letter and the authors form. The template for these
documents can be downloaded from the journal’s website:
Los evaluadores pueden recomendar al comité editorial una de
las siguientes opciones:
a. Aceptar el artículo para publicación sin modificaciones.
b. Aceptar el artículo para publicación después de ligeras
modificaciones verificables por el comité editorial o por el
evaluador. Los comentarios y sugerencias deben dar claras
instrucciones al autor para realizar los cambios.
c. Devolver el artículo a sus autores para importantes
modificaciones y volver a evaluar. Los comentarios y
sugerencias deben dar claras instrucciones al autor para realizar
los cambios.
d. No aceptar el artículo para publicación
http://www.politecnicojic.edu.co/
link “Revista Politécnica”
•
•
•
Form of letter for papers presentation
Authors form
Paper form
The presentation and copyright assignment letter.
The mail author must indicate the paper type according to the
classification mentioned in the paper form. For the papers
classified 1, 2 or 3, the author must indicate which is the
research project associated to the paper and the institution which
develops the project. For the papers type 4, the author must tell
in no more than 400 words, the reason why the paper is to be
taken into account to be sent to peers review.
El proceso se realiza a través de la plataforma OJS (Open
Journal Systems)
http://www.politecnicojic.edu.co/ojs/
Cuando el comité editorial tiene las dos evaluaciones analiza las
recomendaciones y envía una comunicación al autor de
correspondencia con la decisión sobre el artículo y las
evaluaciones realizadas por los pares. Cuando la
recomendación de los evaluadores es similar, el comité editorial
toma la decisión de aceptar, devolver o rechazar el artículo. Los
casos
de
controversia,
por
ejemplo,
cuando
las
recomendaciones no son similares, el comité editorial solicita el
concepto de un tercer evaluador, y con las tres
recomendaciones se determina aceptar, devolver o rechazar el
artículo. Los artículos devueltos, solamente tendrán una
segunda oportunidad de ser evaluados. En todos los casos los
comentarios anónimos de los evaluadores, se envían a los
autores con las recomendaciones de corrección.
It must be suggested at least three possible peer reviewers, all
must be external to the authors institution and research group,
and provide their contact data: e-mail, phone and mobile. The
peers must be experts in the specific topic of the article and have
as minimum master degree, they can belong to a university or to
the industry both public or private. This letter must be signed for
each author and sent in soft copy with the other two files (the
authors form and the paper)
The authors form.
It must be sent in electronic version (Word). The data written
down in this form are required in the bibliographic database from
Colciencias, Publindex.
Los autores tienen hasta 4 semanas para realizar las
correcciones pertinentes y devolver el artículo junto con una
carta describiendo las correcciones realizadas de acuerdo con
las recomendaciones de los evaluadores. Recibida las
correcciones, el comité editorial envía de nuevo a los
evaluadores para su concepto final, luego el comité editorial
toma una decisión sobre la publicación del artículo y el autor es
notificado mediante una comunicación.
The paper.
It must be sent in electronic version (Word). If the template is
ignored, the paper will be disqualified and it won’t be taken into
account in the call.
All the paper must use Font type Arial, size 10, except for the
header. Before each title a double line space must be left and
after each title, a single line space must be left before the next
paragraph. The length of a paper must not exceed twenty (20)
pages written in two columns and single spaced. For further
directions refer yourself to the template.
Como derecho de autor, se puede solicitar el envío de un
ejemplar por artículo para el grupo de autores, dentro de los
primeros 30 días de publicado el ejemplar, también se puede
descargar de la página web.
La revista Politécnica realiza una convocatoria permanente para
la recepción de artículos. Hay dos fechas de cierre de edición
para proceder con la publicación: Marzo 01 para la revista a
publicarse en el primer semestre y Septiembre 01 en el segundo
semestre de cada año.
Bibliographical references.
its must be inserted into the body of the article, with arabic
numerals in square brackets [1], consecutively, to the extent that
they will be mentioned.
148
Review Process.
The process of selection of papers involved in the call consists of
several phases: first, there is an initial review by the Editorial
Board, to determine whether the work complies with the terms of
reference, there are deficiencies in their structure, composition or
other observations presented in this document. Papers that do
not fulfill the requirements will not be taken into account to
continue the process and will be discarded in the initial review. In
the second phase, the papers are evaluated under the double
blind method, its content is analyzed by two foreign or national
academic peers, specialized in the corresponding area of the
article. The process is anonymous between reviewers and
authors and lasts between 1 and 2 months.
In the list, are arranged consecutively in the order of citation (not
in alphabetical order). References that are not cited in the article
should be not included. Also, should be not cited working papers
under review, which have not been published. Below are
examples of different types of references:
Journal Papers:
[Nº] Alien, J.S., Samuelson, R. y Newberger, A. Chaos in a
Model Of forced Quasi-Geostrophic Flow over Topography: An
application of Melinkov’s Method, J. Fluid Mech., 226, 511-547,
1991.
Books:
[Nº] Baker, G. L. y Golub, J., Chaotic Dynamics: An Introduction,
Cambridge University Press, Cambridge, 1990.
Reviewers may recommend to the editorial board one of the next
options:
a. Accept the article for publication without modification.
b. Accept the article for publication after slight modifications
verifiable by the editorial committee or by the reviewer.
Comments and suggestions should give clear instructions to the
author to make changes.
c. Return the paper to authors for major changes and reevaluate. Comments and suggestions should give clear
instructions to the author to make changes.
d. Not accepting the article for publication
Book chapters:
[Nº] Lewis, P., Ray, B. y Stevens, J.G. Modeling Time Series by
Using Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS). En:
Time Series Prediction: Forecasting
the Future and
Understanding the Past (Eds. A.S. Weigend y N. A.
Gershenfeid), SFI studies in the Science of Complexity, Proc. Vol
XV, Addison-Wesley, reading 297-318, 1994.
Conference proccedings:
[Nº] Alzate, N., Botero, T. y Correa, D. Título de la ponencia.
Memorias, XIX Congreso Latinoamericano de Ponencias
Científicas. Córdoba, Argentina, Tomo II, 219-228, octubre 2008.
The process is performed through the OJS platform (Open
Journal Systems)
http://www.politecnicojic.edu.co/ojs/
Conference:
[Nº] Garzón, J.C. Más allá de las decisiones económicas.
Documento presentado en la II Jornada de Análisis Económico,
La Habana, Cuba, marzo de 2000.
When the editorial board has the two assessments, analyzes the
recommendations and send a communication to the author of
correspondence with the decision about the article and
assessments made by peers. When the recommendations of the
evaluators are similar, the editorial board makes the decision to
accept, send back or reject the paper. In case of dispute, for
example, when the recommendations are not similar, the
editorial committee requests the concept of a third reviewer, and
determine according to the three recommendations whether to
accept, return or reject the paper. Returned papers only have a
second chance to be assessed. In all cases anonymous
comments from reviewers, are sent to the authors with the
correction recommendations.
Report of an organism or Government:
[Nº] U.S. EPA. Status of Pesticides in Registration: an Special
Review. EPA 738-R-94-008. Washington, DC:US. Environmental
Protection Agency, 1994.
Thesis:
[Nº] Jacobs, J. Regulation of Life History Strategies Within
Individuals in Predictable and Unpredictable Environments [PhD
Thesis]. Seattle, WA: University of Washington, 1996.
The authors have up to four weeks to make corrections and
return the paper along with a letter describing the corrections
made in accordance with the recommendations of the reviewers.
Upon receipt of corrections, the editorial committee sends back
to the reviewers for their final concept, then the editorial board
makes a decision about publishing the article and the author is
notified by a communication.
Internet references:
[Nº] NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center Advancing
Understanding and Prediction of Climate Variability. Disponible
en: http://www.cdc.noaa.gov [consultado el 8 de agosto de
2008].
Patents:
[Nº] Zambrano G., Esteve J., Prieto P., Installation for depositing
diamond-like carbon films and the corresponding in situ method
using hard coatings of metal / metal carbide as the intermediate
layer for improving adhesion between film and substrate 2002,
Spain Patent No. P 200102020, Installation for deposition of
films, January 15, 2001 (deposit).
As copyright, you can request a copy by sending an article for
the group of authors within the first 30 days of publishing, it can
also be downloaded from the website.
The journal “Revista Politécnica” makes a permanent call for
receipt of articles. However there are two deadlines to proceed
with the publication: 1st March for the journal to be published in
the first semester and 1st September in the second half of each
year.
149
Revista Politécnica ISSN 1900-2351(Impreso), ISSN 2256-5353 (En línea), Volumen 10, Año 10, Número 19, Julio-Diciembre de 2014
MODELO DE LA CARTA DE PRESENTACION DE ARTÍCULO Y CESIÓN DE DERECHOS
Cuidad, Fecha
Señores
Revista Politécnica
Politécnico Colombiano
Jaime Isaza Cadavid.
Asunto: Presentación de articulo y cesión de derechos de autor para la revista Politécnica
Cordial saludo,
Le remitimos el artículo titulado «……...» para que el Comité Editorial considere su publicación en
la Revista Politécnica.
El tipo de artículo corresponde a: «……...» (el autor debe indicar el tipo de articulo según la
clasificación mencionada en el formato de artículos de la revista Politécnica. Para artículos tipo 1, 2
ó 3, el autor se debe indicar a que investigación está asociado dicho artículo y la institución
ejecutora del proyecto. Para el artículo tipo 4, el autor debe expresar en menos de 400 palabras,
una justificación del porque el articulo debe ser tenido en cuenta para ser enviado a evaluadores
(¿el tema tratado en el artículo es de actualidad?, ¿es relevante?, ¿cuál es su aporte?)
Los autores, abajo firmantes, declaramos:
-Que es un trabajo original.
-Que no ha sido previamente publicado en otro medio.
-Que no ha sido remitido simultáneamente a otra publicación.
-Que todos los autores han contribuido intelectualmente en su elaboración.
-Que todos los autores han leído y aprobado la versión final del artículo remitido.
-Que, en caso de ser publicado el artículo, transfieren todos los derechos de autor al editor, sin
cuyo permiso expreso no podrá reproducirse ninguno de los materiales publicados en la misma.
Si el artículo es aprobado para publicar, a través de este documento, la Revista Politécnica asume
los derechos exclusivos para editar, publicar, reproducir, distribuir copias, preparar trabajos
derivados en papel, electrónicos o multimedia e incluir el artículo en índices nacionales e
internacionales o bases de datos.
Recomendamos como posibles evaluadores del artículo a:
Sugerir al menos tres posibles evaluadores externos a su lugar de trabajo y grupo de investigación,
los cuales deben ser expertos en el tema específico del artículo, tener al menos título de maestría
y pueden pertenecer a una universidad o industria, pública o privada; se deben suministrar los
datos de contacto, e-mail y teléfono (fijo y/o celular)
(Nombre y Firma de cada uno de los autores) (Lo que está sombreado, se deben eliminar)
150
ÍNDICE DE AUTORES
REVISTA POLITÉCNICA VOLUMENES 1 al 10
A
Acevedo Bedoya,
Ana Carolina
Acevedo Tarazona,
Álvaro
Acosta Aguirre, Ana
María
Acosta Amaya,
Gustavo Alonso
Acuña, Rodrigo
Agudelo Agudelo,
Juan Esteban
Agudelo, Daniel
Esteban
Aguilar Roldán, Luis
Alfredo
Alarcón Aldana,
Andrea Catherine
Álvarez Álvarez,
Mauricio
Álvarez B., Juan C.
Álvarez Deossa,
Diego Alonso
Álvarez Díaz, Jairo
Álvarez Jaramillo,
Elkin
Álvarez León, Kelvin
Control de Autoclave Usando un Predictor de Smith, Revista: 11, Julio-Diciembre de 2010, Páginas: 132-139
Nadaísmo y Revolución Cultural: 1958-1972, Revista: 14, Enero-Junio de 2012, Páginas: 141-148
La Gestión del Talento Humano y el Ser Humano como Sujeto de Desarrollo, Revista: 14, Enero-Junio de 2012, Páginas:
105-113
Control de Navegación Basado en Comportamientos para Pequeños Robots Móviles, Revista: 18, Enero-Junio de 2014,
Páginas: 125-134
Multiplexación de Sensores Ópticos de Fibra: Una Oportunidad en la Medición de Parámetros de Interés al Sector Eléctrico
Colombiano, Revista: 6, Enero-Junio de 2008, Páginas: 75-84
Control PI Adaptivo por Ganancias Tabuladas con Planificador Difuso Tipo Sugeno Aplicado en una Planta Par MotorGenerador, Revista: 15, Julio-Diciembre de 2012, Páginas: 63-74
Reconocimiento de Patrones de Señales EMG, Empleando Clasificador Bayesiano, Revista: 16, Enero-Junio de 2013,
Páginas: 21-26
Reconocimiento de Granos de Café Empleando Técnicas Estadísticas de Clasificación, Revista: 12, Enero-Junio de 2011,
Páginas: 83-87
Sistematización de una Propuesta Didáctica, Revista: 4, Mayo-Julio de 2007, Páginas: 93-102
Cuestionario Honey Alonso de Estilos de Aprendizaje una Herramienta que Fomenta el Mejoramiento del Proceso
Enseñanza- Aprendizaje en la Informática, Revista: 19, Julio-Diciembre de 2014, Páginas: 115-124
Diseño de la Red de Gas Natural para el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Revista: 3, Agosto-Septiembre de
2006, Páginas: 27-40
Comparación de Dos Métodos de Incubación sobre la Maduración in vitro de Oocitos Bovinos, Revista: 8, Enero-Junio de
2009, Páginas: 26-32
Diagnóstico de los Grupos de Adultos Mayores que Realizan Actividad Física en el Área Metropolitana, Revista: 9, JulioDiciembre de 2009, Páginas: 31-40
Diseño de un Sistema Integrado para la Conversión de un Torno Convencional a Torno CNC, Revista: 10, Enero-Junio de
2010, Páginas: 44-56
Evaluación del Proceso Curricular y las Prácticas Pedagógicas, Revista: 2, Noviembre-Diciembre de 2005, Páginas: 103-118
Estado del Arte de la Investigación en Emprendimiento Empresarial en la Universidad Iberoamericana entre el 2000 y el
2004, Revista: 5, Agosto-Diciembre de 2007, Páginas: 32-47
Álvarez Molina, Juan Evaluación de Dos Sistemas de Pastoreo (Rotacional y Continuo) sobre Variables Técnicas, Productivas y Económicas en
Esteban
Novillos Cebú Comercial en el Trópico Bajo, Revista: 12, Enero-Junio de 2011, Páginas: 119-135
Álvarez Salazar,
Control de Velocidad Angular Constante Basado en un Sistema Splitter PI en una Desenrrolladora de Papel, Revista: 18,
Johny Antonio
Enero-Junio de 2014, Páginas: 115-123
Amaya Rincón,
Tania Catalina
Arango A., Fredy
Uso del Análisis Digital de Imágenes en las Medidas de algunas Características de las palinofacies de Carbones, Revista: 9,
Julio-Diciembre de 2009, Páginas: 87-99
Arango Cano, Lukas Somonet – Una Experiencia en el Desarrollo de Software para Móviles en el Politécnico Jaime Isaza Cadavid, Revista: 10,
Arango Serna,
Aplicación del Método KVA en una Unidad Estratégica de Negocio del Politécnico Colombiana Jaime Isaza Cadavid, Revista:
Martin Darío
10, Enero-Junio de 2010, Páginas: 62-73
Arango, Fernando
Estudio Fotográfico: Embellecimiento Urbano y Usuarios Regulares de Ciudad Botero, Revista: 14, Enero-Junio de 2012,
Aquiles
Páginas: 125-139
Aranzazu Suescún,
Revisión del Estado del Arte de Redes de Sensores Inalámbricos, Revista: 8, Enero-Junio de 2009, Páginas: 94-111
Catalina
Araque, Pedronel
Cuantificación Simultanea de Esteroides Antimaláricos en Extractos de Solanum nudum por Cromatografia Liquida de Alta
Eficiencia (CLAE), Revista: 18, Enero-Junio de 2014, Páginas: 23-33
Arbeláez, Oscar
Síntesis de un Nuevo Derivado Indólico y Determinación de los Índices de Reactividad Fukui, Revista: 10, Enero-Junio de
Felipe
2010, Páginas: 26-33
Arboleda Chacón,
Harina de Carne de Caracol (Pomacea Spp) como Complemento Nutricional en Alevinos de Tilapia Roja (Oreochromisspp),
Lucy
Revista: 9, Julio-Diciembre de 2009, Páginas: 41-47
151
Maduración Gonadal en Hembras de Sabaleta (Brycon henni) y su Relación con Variables Medioambientales, Revista: 1,
Junio-Octubre de 2005, Páginas: 95-103
Tendencias sobre las Preferencias en el Consumo de la Carne de Pescado en la Comunidad Académica del Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Medellín, Revista: 5, Agosto-Diciembre de 2007, Páginas: 77-85
Ardila Arias, Alba
Evaluación de la Actividad de los Catalizadores 5% Pd/TiO2 Y 5% Pd/TiO2 – 5%Na en la Reacción de Hidrodecloración de
Nelly
Cloroformo, Revista: 11, Julio-Diciembre de 2010, Páginas: 112-120
Efecto de la Adición del Hidróxido de Sodio en la Hidrodecloración Catalítica de Tetracloroetileno en Fase Líquida Usando
Pd/TiO2, Revista: 7, Julio-Diciembre de 2008, Páginas: 67-75
Remoción Fotocatalítica de DQO, DBO5 y COT de Efluentes de la Industria Farmacéutica, Revista: 15, Julio-Diciembre de
2012, Páginas: 9-17
Ardila Marín, Juan
Modelado Geométrico de Intercambiadores de Calor de Tubo en Espiral Helicoidal Torsionado, Revista: 19, Julio-Diciembre
Gonzalo
de 2014, Páginas: 55-64
Arenas Tangarife,
Cambios en la Composición Corporal en los Empleados del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid que Participan del
Oscar William
Programa de Prevención de Riesgo Cardiovascular con Ejercicio, Revista: 12, Enero-Junio de 2011, Páginas: 61-68
Arias Castaño, Lina
Desarrollo de un Sistema de Monitoreo Inalámbrico para Señales Biomédicas, Revista: 8, Enero-Junio de 2009, Páginas: 33Marcela
38
Arias Londoño,
Redes Inalámbricas para el Control de Procesos Industriales en Tiempo Real, Revista: 17, Julio-Diciembre de 2013, Páginas:
Alexander
83-93
Aristizábal Muñoz,
Evaluación de Herramientas de Libre Distribución para Neurocirugía Guiada por Imágenes, Revista: 10, Enero-Junio de
Isabel
2010, Páginas: 90-100
Aristizábal, Manuela Medición del Valor Co-Creado por Medio de Arquetipos Sitémicos y Lógica Difusa, Revista: 17, Julio-Diciembre de 2013,
Páginas: 47-57
Aristizábal, Miguel
Medición del Valor Co-Creado por Medio de Arquetipos Sitémicos y Lógica Difusa, Revista: 17, Julio-Diciembre de 2013,
Páginas: 47-57
Arriola Villaseñor,
Erasmo
2012, Páginas: 9-17
Arroyave Díaz,
Implementación de Algoritmos de Control de Tráfico Vehicular con Redes de Petri No Binarias Utilizando Diagramas en
Jhony Andrés
Escalera, Revista: 15, Julio-Diciembre de 2012, Páginas: 25-35
Arroyave Giraldo,
Controlador Tipo Servo con Observador de Orden Completo y Controlador según Ciancone Marlín para un Sistema de
Maribel
Flujo, Revista: 10, Enero-Junio de 2010, Páginas: 34-43
Controladores Avanzados en PLC, Revista: 14, Enero-Junio de 2012, Páginas: 57-66
Desarrollo e Implementación de Un controlador con Ganancia Programable para una Autoclave, Revista: 9, Julio-Diciembre
de 2009, Páginas: 21-30
Sistema de Control y Comando de un Robot Móvil para Terrenos Irregulares, Revista: 6, Enero-Junio de 2008, Páginas: 3952
Ávila Ramos, Camilo Diseño de Controladores Basados en Técnicas de Control Óptimo LQR+i Y H2 Para Un Prototipo del Péndulo Invertido
Andrés
Sobre Ruedas, Revista: 15, Julio-Diciembre de 2012, Páginas: 45-51
Ávila, Álvaro Enrique Diseño de un Prototipo para el Control de Sistemas Dinámicos con FPGA y DSPIC, Revista: 9, Julio-Diciembre de 2009,
Páginas: 115-123
Ayala Vásquez,
Identificación de Potyvirus en Cultivos de Tomate de Árbol (Solanum betaceum Cav.) en Antioquia Mediante Detección
Mary Luz
Serológica, Revista: 8, Enero-Junio de 2009, Páginas: 112-120
B
Barrientos, Hernán
D.
2010, Páginas: 90-100
Barrios Ramírez,
Propuesta de Manejo Ambiental de una Finca Ganadera Enmarcada en la Certificación de Buenas Prácticas Ganaderas,
Jesús María
Bedoya Pérez, Juan Efectos Hidrodinámicos sobre la Producción de Azadiractina en un Biorreactor de Tanque Agitado, Revista: 10, Enero-Junio
Carlos
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Revista Politécnica 19 - Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

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