Revista Politécnica 18 - Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

Transcripción

Revista Politécnica
Enero-Junio de 2014 · Volumen 10 · Año 10 · Número 18 · ISSN 1900-2351 · 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
investigación e innovación y generar un espacio dinámico de discusión académica en los campos del conocimiento
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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
DEGRADACIÓN HIDROLÍTICA DE CLORPIRIFOS Y EVALUACIÓN DE LA TOXICIDAD DEL
EXTRACTO HIDROLIZADO CON Daphnia pulex
Jhon Fredy Narváez Valderrama
Julián Andrés Berrio Puerta
Sara Correa Zuluaga
Jaime Alberto Palacio Baena
Francisco José Molina Pérez
17
ESTUDIO COMPUTACIONAL DE LA REACTIVIDAD EN COLORANTES TEXTILES DE TIPO
INDÓLICO, AZOICO Y ANTRAQUINÓNICO
Nancy Montes Valencia
Eduar A. Tobón Vargas
23
CUANTIFICACIÓN SIMULTANEA DE ESTEROIDES ANTIMALÁRICOS EN EXTRACTOS DE
Solanum nudum POR CROMATOGRAFIA LIQUIDA DE ALTA EFICIENCIA (CLAE)
Ena López
Carlos López
Pedronel Araque
Silvia Blair
Adriana Pabón
35
Fusarium oxysporum PATÓGENO TRANS-REINO, INHIBIDO POR LA HEMOLINFA DE LARVAS
DE Galleria mellonella
Amalia Muñoz Gómez
Mauricio Corredor
Carlos Peláez
47
VARIABILIDAD ESPACIAL DEL GRADO DE REPELENCIA AL AGUA EN UN ANDISOL DE
ANTIOQUIA BAJO COBERTURA DE Pinus patula
Daniel f. Jaramillo J.
Bibiana Caballero M.
57
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA PLANIFICACIÓN DE PROYECTOS INFORMÁTICOS
BAJO EL ESTÁNDAR PMI
Sara María Romero
71
EXPLORACIÓN DE LA PERCEPCIÓN DE UN MECANISMO DE COOPERACIÓN ENTRE
ESTUDIANTES CARACTERIZADOS DESDE LA NOCIÓN DE NATIVO DIGITAL
Claudia Esperanza Saavedra Bautista
Jorge Andrick Parra Valencia
3
81
CERTIFICACIÓN DE BATERÍAS PARA APLICACIONES EN PROTOTIPOS
Ittalo Pezzotti
Juan Bernardo Cano
Gianni Pezzotti
93
MODELADO Y CONTROL DE UN PROTOTIPO DE AERONAVE NO TRIPULADO DE ALA FIJA
Leonardo Enrique Solaque Guzmán
103
PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA PARA USO
INDUSTRIAL
Yeison Arley Rodríguez Arias
Luis Eduardo García Jaimes
115
CONTROL DE VELOCIDAD ANGULAR CONSTANTE BASADO EN UN SISTEMA SPLITTER PI EN
UNA DESENRROLLADORA DE PAPEL
Johny Antonio Álvarez Salazar
Jorge Alberto Londoño Pulgarín
125
CONTROL DE NAVEGACIÓN BASADO EN COMPORTAMIENTOS PARA PEQUEÑOS ROBOTS
MÓVILES
Gustavo Alonso Acosta Amaya
Juan Camilo Herrera Pineda
Orlando Zapata Cortes
135
APLICACIÓN DEL MODELO DE COLOR KUBELKA - MUNK EN ESMALTES DE CERÁMICA
TRADICIONAL
Edgar Andrés Chavarriaga Miranda
Juan Fernando Montoya Carvajal
Nelson Alonso Correa Rojas
Oscar Jaime Restrepo Baena
ARTÍCULOS DE REVISIÓN
141
METODOLOGÍAS DE OPTIMIZACIÓN APLICADAS A LA COORDINACIÓN ÓPTIMA DE
PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE
Johnathan Zapata Castro
Jesús María López Lezama
155
INDICACIONES PARA LOS AUTORES
4
CONTENT
7
EDITORIAL
RESEARCH AND INNOVATION PAPERS
9
HYDROLYTIC DEGRADATION OF CHLORPYRIFOS AND ASSESMENT OF HYDROLYZED EXTRACT
USING Daphnia pulex
Jhon Fredy Narváez Valderrama
Julián Andrés Berrio Puerta
Sara Correa Zuluaga
Jaime Alberto Palacio Baena
Francisco José Molina Pérez
17
REACTIVITY OF TEXTILES DYES OF INDOLIC, AZOIC AND ANTRAQUINONIC TYPE
Nancy Montes Valencia
Eduar A. Tobón Vargas
23
SIMULTANEOUS QUANTIFICATION OF ANTIMALARIAL STEROIDS IN Solanum nudum
EXTRACTS BY HIGH PERFORMANCE LIQUID CHROMATOGRAPHY (HPLC)
Ena López
Carlos López
Pedronel Araque
Silvia Blair
Adriana Pabón
35
Fusarium oxysporum TRANS-KINGDOM PATHOGEN INHIBITED BY Galleria mellonella
LARVAE HEMOLYMPH
Amalia Muñoz Gómez
Mauricio Corredor
Carlos Peláez
47
SPACE VARIABILITY FOR THE DEGREE OF WATER REPELLENCY IN AN ANDISOLES WITH Pinus
patula COVERAGE LOCATED IN ANTIOQUIA
Daniel f. Jaramillo J.
Bibiana Caballero M.
57
METHODOLOGICAL PROPOSAL PLANNING COMPUTER PROJECTS UNDER THE PMI
STANDARD
Sara María Romero
71
AN EXPLORATION OF PERCEPTION ABOUT A COOPERATION MECHANISM ON STUDENTS
CHARACTERIZED BY A NOTION OF DIGITAL NATIVE
Claudia Esperanza Saavedra Bautista
Jorge Andrick Parra Valencia
5
81
BATTERY CERTIFICATION FOR SPACE PROTOTYPE APPLICATIONS
Ittalo Pezzotti
Juan Bernardo Cano
Gianni Pezzotti
93
MODELING AND CONTROL OF A PROTOTYPE OF UNMANNED AIRCRAFT WITH FIXED WING
103
PROPOSED AUTOMATION OF WATER TREATMENT PLANT FOR INDUSTRIAL USE
Yeison Arley Rodríguez Arias
Luis Eduardo García Jaimes
115
CONSTANT ANGULAR SPEED CONTROL BASED OF SPLITTER PI IN PAPER WINDING SYSTEM
Johny Antonio Álvarez Salazar
Jorge Alberto Londoño Pulgarín
125
BEHAVIOR-BASED CONTROL NAVIGATION FOR SMALL MOBILE ROBOTS
Gustavo Alonso Acosta Amaya
Juan Camilo Herrera Pineda
Orlando Zapata Cortes
135
APPLICATION OF THE KUBELKA - MUNK COLOR MODEL IN ENAMEL OF TRADITIONAL
POTTERY
Edgar Andrés Chavarriaga Miranda
Juan Fernando Montoya Carvajal
Nelson Alonso Correa Rojas
Oscar Jaime Restrepo Baena
REVIEWS
141
OPTIMIZATION METHODOLOGIES APPLIED TO THE OPTIMAL COORDINATION OF
OVERCURRENT RELAYS
Johnathan Zapata Castro
Jesús María López Lezama
156
DIRECTIONS FOR THE AUTHORS
6
EDITORIAL
Estimado lector
Durante los últimos años la revista Politécnica ha seguido lineamientos que buscan aumentar la difusión de
la publicación y lograr su posicionamiento tanto a nivel nacional como internacional, entre ellos se destacan:
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x
x
x
x
x
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América Latina, el Caribe, España y Portugal
PERIODICA: índice de la UNAM – México
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- La puesta en funcionamiento de la versión electrónica de la revista con Open Journal Systems.
- La publicación de artículos en inglés, como un elemento clave en la internacionalización de esta
publicación.
Como resultado de estas acciones, ha aumentado el número de artículos provenientes de autores externos a
la Institución, llegando a ser más del 75% para las últimas ediciones, incluyendo artículos provenientes de
otros países. Esto es un indicativo del reconocimiento que ha ganado la revista en el entorno académico
nacional, y poco a poco el posicionamiento internacional.
Adicionalmente, todas las contribuciones son sometidas al proceso de dictamen por pares académicos
(especialistas), bajo la modalidad doble ciego, guardando anonimato, lo cual beneficia la calidad de las
publicaciones.
Más del 80% de las colaboraciones publicadas en los últimos fascículos son resultados originales producto
de investigaciones desarrolladas a nivel de maestría, doctorado y en grupos de investigación con proyectos
especiales, el resto de artículos son contribuciones originales y significativas para el área específica de la
revista.
Lo invitamos a leer esta edición que contiene 14 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.
Cordialmente,
Prof. Nelson David Muñoz Ceballos, M.Sc.
Director Revista Politécnica
7
Muestras culturales en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid.
8
Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Volumen 10, Año 10, Número 18, páginas 9-15, Enero-Junio de 2014
DEGRADACIÓN HIDROLÍTICA DE CLORPIRIFOS Y
EVALUACIÓN DE LA TOXICIDAD DEL EXTRACTO
HIDROLIZADO CON Daphnia pulex
1
2
3
Jhon Fredy Narváez Valderrama , Julián Andrés Berrio Puerta , Sara Correa Zuluaga ,
4
5
Jaime Alberto Palacio Baena , Francisco José Molina Pérez
1
Químico Farmacéutico, Estudiante de doctorado en Ingeniería, [email protected]
Estudiante de química farmacéutica, [email protected]
3
Ingeniera sanitaria, Estudiante de maestría en Ingeniería ambiental, [email protected]
4
Biólogo, Doctor en recursos naturales, [email protected]
5
Doctor en Ingeniería Química y Ambiental, Docente de la Facultad de Ingeniería, [email protected]
Grupo de investigación en Gestión y Modelación Ambiental-GAIA, Universidad de Antioquia, calle 62 N° 5259 Medellín-Colombia.
2
RESUMEN
El clorpirifos (CFP) es un plaguicida organofosforado de amplio uso en Colombia. Bajo condiciones hidrolíticas
puede transformarse en 3, 5, 6-trichloro-2-pyridinol (TCP), del cual se desconoce su impacto ambiental . En
este trabajo, se evaluó la degradación hidrolítica del CPF y la toxicidad de una muestra única sobre Daphnia
pulex luego de un proceso de 24 horas de degradación. La concentración de CPF se determinó mediante
cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC/MS). Las vidas medias encontradas para
CPF fueron de 18.52, 49.79 y 12.45 horas a condiciones de pH 5.74, 7.83 y 9.46 respectivamente. Los
ensayos de toxicidad, mostraron la inmovilidad de la totalidad de los neonatos de D. pulex expuestos a la
muestra degradada. Estos resultados indican que bajo pH similares a los evaluados, el CPF es transformado a
TCP y que los productos de degradación pueden incrementar los efectos tóxicos del CPF en el ambiente.
Palabras clave: Clorpirifos, Hidrólisis, Persistencia, Productos de degradación, Toxicidad, Tiempo de vida
media, Daphnia pulex.
Recibido: 10 de Abril de 2014. Aceptado: 30 de Junio de 2014
th
th
Accepted: June 30 , 2014
Received: April 10 , 2014.
HYDROLYTIC DEGRADATION OF CHLORPYRIFOS AND ASSESMENT OF HYDROLYZED EXTRACT
USING Daphnia pulex
ABSTRACT
Chlorpyrifos (CPF) is an organophosphorus pesticide widely used in Colombia. Under hydrolytic conditions
CPF may be transformed to 3,5,6-trichloro-2-pyridinol (TCP) which environmental impact is still unknown. In
this work, the hydrolytic degradation of CPF was studied as well as the toxicity of a single sample for
exposition of Daphnia pulex after 24 hours of sample degradation. The CPF concentration was determined by
Gas chromatography- mass spectrometry (GC/MS). The half-life found for CPF was 18.52, 49.79 and 12.45
hours, for pH values of 5.74, 7.83 and 9.46, respectively. The toxicity assay showed immobility of all D. pulex
neonates exposed to the sample. These results indicate that under similar condition of pH, the CPF is
transformed to TCP. Also, the degradates may increase the complexity of toxicity effects of CPF in the
environment.
Keywords: Chlorpyrifos, Hydrolysis, Persistence, Degradates, Toxicity, Half-life, Daphnia pulex.
9
1.
ambientales favorecen la formación de TCP y si
esta transformación puede aumentar el riesgo en
cuerpos de agua. Estos resultados, podrían sugerir
la evaluación de este producto de degradación en
los parámetros de calidad de agua.
INTRODUCCIÓN
En Colombia la venta de plaguicidas en el año 2012
ascendió a 11.820 ton, de las cuales 1.360
correspondieron a Clorpirifos (CPF), un plaguicida
organofosforado que representa un riesgo potencial
[1-3]. Se estima que del total de plaguicida aplicado
en zonas agrícolas, más del 90% del ingrediente
activo y sus productos de degradación pueden
ingresar a los ambientes acuáticos debido a
prácticas inadecuadas de aplicación [4]. La
degradación de plaguicidas en el agua ocurre a
través de procesos abióticos (hidrólisis y fotólisis) y
bióticos (degradación microbiana) y entre estos, la
hidrólisis es muy importante [5-7]. Generalmente,
la hidrólisis de los plaguicidas organofosforados
implica la ruptura de ésteres fosfóricos o
tiofosfóricos mediante ataques nucleofílicos o
electrofílicos, dando lugar a la degradación primaria
de estas sustancias [8]. Estas reacciones dependen
del pH del agua.
2.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales
Los estándares de alta pureza (>99.5%) para CPF
y TCP fueron adquiridos en Chemservice. Los
solventes de alta pureza (Para análisis de residuos
de plaguicidas y cromatografía de gases) Metanol
(MeOH), acetona, acetonitrilo (ACN) y acetato de
etilo (EtOAc) fueron suplidos por Burdick and
Jackson (Honeywell). El MTBSTFA- CAS no.
77377-52-7 fue suministrado por Sigma Aldrich. El
sulfato de sodio anhidro (Na2SO4), Acetato de
Sodio (CH3COO-Na) y el cloruro de amonio (NH4Cl)
fueron suministrados por CARLO ERBA. Los
cartuchos para SPE Bond-Elut/ 3mL, fueron
comprados en Agilent technologies. Finalmente la
columna para GC/MS Rtx-5silMS 30m-0.25 μm0.25mmID fue suplida por Restek.
Un estudio realizado en 1996, reportó que en las
zonas aledañas al embalse Riogrande II, se aplican
frecuentemente
plaguicidas
organofosforados
incluyendo CPF en las actividades agrícolas [9]. De
acuerdo con algunos estudios, esta sustancia
posee una vida media entre 10 a 120 días en el
agua y se transforma en 3,5,6-trichloro-2-pyridinol
(TCP) bajo mecanismos hidrolíticos [10]. En
consecuencia, el CPF y sus productos de
transformación pueden contaminar el recurso
hídrico en zonas con gran actividad agrícola y
podría implicar una exposición de los seres
humanos a este plaguicida y sus productos de
degradación [11]. Sin embargo,
los grandes
volúmenes de dilución en cuerpos de agua,
aumentan las dificultades analíticas para valorar la
presencia de los productos de degradación y los
plaguicidas [12-13].
2.2. Hidrólisis de CPF
Para la hidrólisis de CPF a pH 5.74, 7.83 y 9.46 se
emplearon tres replicas por tratamiento y siete
tiempos de reacción (0, 6, 12, 16 24, 60 y 90
horas), agitación constante y un control negativo.
Para controlar el pH de los tratamientos durante el
estudio cinético, se prepararon 2 soluciones buffer
con agua desionizada: una solución
ácida
y
otra
básica
(CH3COOH/CH3COONa)
con
pH
de
5.74
y
9.46
(NH4Cl/NH3)
respectivamente. Para las muestras de pH neutro,
se usó agua desionizada con un pH de 7.83.
Posteriormente, a cada muestra se le adicionaron
100 μL de una solución patrón de CPF a una
concentración inicial de 1100 ppb en metanol.
El pH del agua es un factor determinante en los
procesos de degradación hidrolitica de plaguicidas,
lo cual disminuye su persistencia y por lo tanto su
ecotoxicidad. Sin embargo, algunos productos de
transformación pueden tener una mayor capacidad
de bioacumulación y ser más tóxicos que los
plaguicidas [14]. Debido a la importancia de la
degradación hidrolítica en el comportamiento de los
plaguicidas en la fase ambiental, se realizaron
ensayos de hidrólisis de CPF bajo condiciones
controladas. Los pH evaluados corresponden a
valores encontrados en embalses colombianos,
con el fin de determinar si estas condiciones
2.3. Análisis de CPF y TCP por GC/MS
Para el tratamiento de muestra, se tomaron 10 mL
de agua y se realizó una extracción en fase sólida
con cartuchos SPE-bond elut, previamente
acondicionados con HCl 0.1M: H2O: MeOH en
proporción 2:2:2. Posteriormente, se eluyeron los
analitos con una mezcla de EtOAc: Acetona: ACN
en proporción 5:15:10. El eluído se recolectó en un
balón de vidrio y las muestras se evaporaron a
sequedad con ayuda de un rotaevaporador.
Finalmente, el extracto concentrado se reconstituyó
con 1 mL de EtOAc: Acetona en proporción 1:1 y se
10
llevó a un vial de cromatografía. Para la
cuantificación de CPF se empleó una metodología
analítica modificada del trabajo de investigación de
Holger y colaboradores, la cual fue modificada y
previamente validada en el laboratorio [15]. Se
inyecto ȝ/ de la muestra en un equipo GC/MS
marca Thermo Scientific con ionización por impacto
electrónico (EI) y detector de simple cuadrupolo en
modo SIM y en modo SCAN bajo las siguientes
condiciones: Temperatura inicial 50°C, se
incrementó la temperatura a una rata de 25°C por
minuto hasta 320°C y allí se mantuvo por 1 minuto.
Se usó gas Helio como gas de arrastre y una
columna Restek para la separación, los
compuestos fueron identificados en cada muestra
por medio de espectrometría de masas usando la
librería NIST MS. Para la cuantificación de TCP se
adicionaron 100 μL de la fracción reconstituida en
LQVHUWRV GH YLGULR \ VH PH]FODURQ FRQ ȝ/ GHO
derivatizante metil-tributil-silil-trifluoro acetamida
(MTBSTFA). Posteriormente, las muestras se
sometieron a derivatización durante 1 hora a 70°C.
Las muestras derivatizadas son estables por un
mes [16]. Finalmente, VHLQ\HFWyȝ/GHODIUDFFLyQ
derivatizada en el GC/MS bajo las mismas
condiciones descritas para CPF.
Ensayos de toxicidad con D. pulex
Para la evaluación de la toxicidad aguda del
extracto hidrolizado con D. pulex, se aplicó el
método analítico de la EPA del 2002 [17]. La Cepa
de D. pulex fue cultivada bajo las siguientes
condiciones: temperatura 22 ± 1°C con un
fotoperiodo de 16 horas luz y 8 horas de oscuridad
e iluminación con 1000 a 1500 lux. La
concentración de oxígeno disuelto se mantuvo en
un nivel superior al 60% de saturación. Diariamente
se suministraron a los cultivos 4.5 ml/L del alimento
(tetramin y alfalfa). Finalmente, en el ensayo de
toxicidad con muestra única, se realizaron 4
réplicas con 10 individuos neonatos de 24 horas de
edad expuestos durante 48 horas al extracto
hidrolizado.
Análisis de los datos
Se aplicó un diseño de experimentos factorial con 2
factores (factor 1 tiempo de hidrolisis factor 2 pH)
con 10 tratamientos y 3 réplicas.
Para el análisis de los resultados se emplearon
pruebas no paramétricas: análisis de varianza
multifactorial (ANOVA), Kruskal-Wallis y diferencia
mínima significativa (LSD) de Fisher; Aceptando un
valor de significancia estadística del 95%.
Fig 1. Corrido cromatográfico (GC/MS full SCAN) para CPF y TCP. Los resultados corresponden al tiempo
cero para la hidrolisis básica del CPF. La identificación por espectrometría de masas demuestra la presencia
de los analitos de interés en las muestras tratadas
11
3.
La reacción que se muestra en la figura 2, indica
los mecanismos bajo los cuales pudo transformarse
el TCP en las muestras sometidas a hidrolisis
química.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Determinación de CPF y TCP en muestras
hidrolizadas por GC/MS.
Los compuestos CPF y TCP fueron cuantificados
usando un ion específico y un ion de confirmación
en modo SIM (tabla 1).
En la figura 2 se observa, como un rompimiento del
enlace
oxígeno-fósforo,
bajo
condiciones
hidrolíticas, lleva a la formación del TCP.
Tabla 1. Tiempo de retención (tR), ion de
cuantificación (IQ) y un ion de detección (ID) de
compuestos identificados en las muestras
hidrolizadas
tR (min)
9.50
8.23
Compuesto
CPF
TCP
IQ
314
254
3.2. Influencia del pH en la tasa de degradación
Al comparar los valores medios de CFP en los
tres tratamientos mediante el método de la
diferencia significativa mínima (LSD) de Fisher, se
evidenciaron
diferencias
estadísticamente
importantes y en consecuencia, es evidente que la
tasa de degradación hidrolítica del CPF en el agua
está afectada por el pH del medio. Además, como
se infiere en las Fig 3. A, B y C, la transformación
del CPF presenta
un decaimiento de tipo
exponencial.
ID
197
256
Los corridos cromatográficos presentados en la
Figura 1, indican una buena separación de los
analitos de interés en full SCAN.
Los resultados en modo SCAN que se muestran en
la figura 1, muestran la presencia de TCP en las
muestras hidrolizadas a pH básico, sin embargo se
encontró la presencia de este metabolito en los
diferentes tratamientos, lo que indica la
degradación primaria del CPF por medio de
mecanismos hidrolíticos.
De acuerdo con el análisis gráfico de las figuras A,
B y C, la transformación hidrolítica del CPF
presentó una cinética de primer orden, tal como ha
sido reportado por otros autores [20].
En todos los procesos hidrolíticos se encontró el
metabolito TCP en modo SCAN y se determinó de
forma cualitativa la presencia de dicho compuesto
(Fig.1), de esta forma, la identificación de TCP en
las muestras, indica un rompimiento del enlace
fosfoester del CPF de forma similar a la propuesta
por algunos autores.
De acuerdo con algunos autores, durante la
degradación
primaria
se
produce
una
transformación que altera la estructura molecular
de las sustancias químicas [18]. En los plaguicidas
organofosforados, se ha reportado hidrólisis en
medios acuosos ácidos, básicos y neutros por
ataques electrofílicos y nucleofílicos, siendo la
hidrólisis básica la vía predominante [19].
Para el CPF, ha sido propuesto un mecanismo de
ruptura homolítica del enlace fosfoester del
plaguicida (Fig. 2).
Cl
Cl
S
Cl
Los resultados de
vida media indican la
degradación del 50% del CPF en menos de 50
horas en los tres tratamientos, lo que muestra una
baja estabilidad del ingrediente activo en
soluciones acuosas aún en condiciones neutras,
como se muestra en la tabla 3.
N
CPF
O
P
S
O
O
CH3
CH3
OH
-
HO
P
O
O
CH3
CH3
Cl
+
Cl
Cl
N
OH
Como se observa en la tabla 3 la vida media de
CPF varió entre 12.45 en el tratamiento con un pH
de 9.46 y 49.79 horas en la solución neutra
(pH=7.83). En la solución ácida (pH=5.74) la vida
media del CPF fue 18.52 horas.
TCP
Fig 2. Ruptura homolítica del CPF y formación del
metabolito TCP. Tomado de Hydrolysis of
chlorpyrifos in natural waters of the Chesapeake
Bay [8]
12
Los valores reportados en la tabla 3, son inferiores
a los reportados en la literatura, los cuales oscilan
entre 10 a 120 días en el agua [8]. En dicho trabajo
se evaluó los efectos hidrolíticos del CPF en agua
natural y por tanto, los altos valores de vida media
del CPF podrían atribuirse al efecto complejante de
la materia orgánica u otras sustancias presentes
en la matriz y que pueden alterar la cinética de
degradación y el tiempo de vida media [9]. Dado
que en
esta investigación se realizaron los
ensayos hidrolíticos en agua desionizada, las
diferencias en la vida media del CPF se pueden
asociar al pH del agua.
3.3. Implicación de los resultados encontrados
en las prácticas agrícolas.
En las prácticas agrícolas, los agricultores aplican
el CPF (polvo) en solución acuosa. De acuerdo
con los resultados de vida media, es importante
que los agricultores no almacenen soluciones del
CPF antes de su aplicación, debido a que una
fracción importante de esta sustancia puede
transformarse hasta TCP. Además, es posible que
la hidrolisis química del CPF en las soluciones de
aspersión modifique el efecto de este insecticida
durante el control de plagas en las fumigaciones.
Los resultados de este trabajo indican la
conveniencia de aplicar rápidamente el CPF
después de su preparación en agua, con el fin de
mejorar su eficacia. Además, para los agricultores
una disminución del poder insecticida del CPF
genera una aplicación de concentraciones mayores
del producto o el empleo de otros plaguicidas.
Además, la degradación del CPF en la solución de
aplicación, representa una disminución en las dosis
sugeridas por los proveedores y por lo tanto se
podría favorecer la resistencia de plagas.
Fig 3. Transformación hidrolítica de CPF bajo
condiciones ácidas (A), básicas (B) y neutras (C).
Los coeficientes de correlación indican un buen
ajuste del modelo de regresión parta el decaimiento
de primer orden
Tabla 3. Vida media del
tratamientos
Tratamiento
5.74
CPF
en los tres
pH
9.46
7.83
3.4. Análisis de la toxicidad de muestras
hidrolizadas
La exposición de neonatos de D. pulex a la
solución hidrolizada pH 9.46 (t=24 horas), produjo
inmovilidad de todos los ejemplares. Estos
resultados indican una alta toxicidad del extracto,
incluso después de una degradación del 90% del
Vida media (h) 18.52 12.45 49.79
13
Las muestras hidrolizadas de CPF en pH básico,
producen la inmovilización de todos los neonatos
de D. pulex indicando una alta toxicidad.
CPF, lo que indica que los sub-productos de
degradación del CPF son tóxicos para los
neonatos. Dado que la hidrólisis del CPF a TCP
produce una pérdida de la actividad insecticida de
la solución, es posible que los efectos sobre D.
pulex estén asociados a la acción del TCP y otros
metabolitos no considerados en la investigación.
Estos resultados indican que en los estudios sobre
las implicaciones de este tipo de sustancias en los
ecosistemas acuáticos, es importante considerar
el análisis del CPF junto con los metabolitos más
importantes.
5.
Los autores agradecen a Elizabeth Gómez G por su
soporte en los ensayos con D. pulex y a Diana
Agudelo E. por la asesoría estadística en este
proyecto. Esta investigación se realizó en el Grupo
de Investigación en Gestión y Modelación
Ambiental-GAIA de la Universidad de Antioquia y
con la cofinanciación de Empresas Públicas de
Medellín.
3.5. Implicación de los resultados encontrados
en el estudio de la dinámica del CPF en el agua.
En los cuerpos de agua con pH similares a los
evaluados, el ingreso de CPF por infiltración o
escorrentía lleva a una degradación hidrolítica de
este plaguicida a TCP, un metabolito del cual no se
posee información relacionada con su toxicidad.
Por lo tanto, para los cuerpos de agua destinados
para la captación de agua en acueductos, se
sugiere el análisis del CPF junto con su producto de
degradación, con el fin de realizar una mejor
valoración de la calidad de agua por contaminación
con esta sustancia.
4.
AGRADECIMIENTOS
6.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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subgerencia de protección vegetal. Estadísticas de
comercialización de plaguicidas químicos de uso
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Aunque en todos los tratamientos, el CPF se
transformó a TCP, el pH básico (9.46) favoreció
una degradación más rápida y por tanto una vida
media más corta.
[3] Kim, H., Lim, Y., Yang, J., Shin, D., Ham, H.,
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exposure to chlorpyrifos and dichlorvos in children
at childcare facilities, Sci Total Environ., 444, 441450, 2013.
Se evidencio una alta tasa de transformación del
CPF a TCP en todos los tratamientos y en
consecuencia, inestabilidad acuosa del CPF. Se
sugiere que después de su
preparación, el
producto se aplique rápidamente con el fin de
asegurar su eficacia. Además la degradación rápida
del CPF a TCP muestra la importancia de incluir
este producto de degradación en los análisis de
calidad de agua.
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Relative risks of transformation products of
pesticides for aquatic ecosystems, The Science of
15
16
ESTUDIO COMPUTACIONAL DE LA REACTIVIDAD EN
COLORANTES TEXTILES DE TIPO INDÓLICO, AZOICO Y
ANTRAQUINÓNICO
1
Nancy Montes Valencia , Eduar A. Tobón Vargas
1
2
MSc. en Ciencias-Química, Docente Auxiliar I.U Pascual Bravo, Grupo de investigación Qualipro,
Calle 73 No. 73A- 226, email: [email protected]
2
MSc. en Ciencias-Química, Docente Municipio de Medellín, email: [email protected]
RESUMEN
En el presente artículo se estudió la reactividad teórica de tres tipos de colorantes de uso común en la
industria textil: el índigo (1) de la familia indólica, el amarillo disperso 3 (2) de la familia azoica y el azul
disperso 3 (3) de la familia antraquinona. Los cálculos computacionales se realizaron con el programa
Spartan-Pro para el análisis conformacional de las moléculas. Luego se procedió a la optimización de los
confórmeros más estables con el software Gaussian 09 por DFT al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d). La
reactividad química se orientó al cálculo de propiedades electrónicas obtenidas por medio de las cargas de
Mulliken y las superficies de potencial electrostático, encontrándose que el azul disperso 3 posee más sitios
reactivos que los otros colorantes, siendo por lo tanto más susceptible de ataques nucleofílicos y
electrofílicos.
Palabras clave: colorante, reactividad química, cargas de Mulliken.
Recibido: 07 de Junio de 2013. Aceptado: 14 de Mayo de 2014.
th
th
Accepted: May 14 , 2014.
Received: June 07 , 2013.
REACTIVITY OF TEXTILES DYES OF INDOLIC, AZOIC AND ANTRAQUINONIC TYPE
ABSTRACT
In this paper the theoretical reactivity of three dyes commonly used in textile industry was studied: indigo (1)
from indolic family, yellow disperse 3 (2) from azoic family and disperse blue 3 (3) from antraquinonic family.
The computational calculations were carried out with the Spartan-Pro Program for performing conformational
analysis. Then, the optimization of the more stable conformers at B3LYP/6-31G(d) level theory with Gaussian
09 program was performed. The chemical reactivity was orientated to the calculation of electronic properties
through of Mulliken charges and electrostatic potential surfaces, finding that disperse blue 3 has more
reactive sites than the other dyes, being therefore more susceptible to nucleophilic and electrophilic attack.
Keywords: dye, chemical reactivity, Mulliken charges.
17
1.
INTRODUCCIÓN
El uso de colorantes ha sido una necesidad del
hombre desde tiempos remotos. Se ha reportado
que el índigo es originario de la India y su fuente de
obtención fue la indigofera tinctoria, utilizado
principalmente en el teñido de tejidos y de papiros,
convirtiéndose este país en el mayor suministrador
de índigo a Europa en la era Greco-Romana [1].
un sitio en diferentes moléculas [11] y [12]. Este
concepto de reactividad química en un colorante es
muy importante para entender los procesos de las
reacciones
químicas
y
comprender
las
interacciones que prevalecen en los mecanismos
de reacción.
Según revisión bibliográfica son pocas las
investigaciones sobre reactividad teórica y
computacional de colorantes. Sin embargo se
reportan algunos trabajos, uno de estos se centró
en los azocolorantes como el amarillo anaranjado y
el rojo allura que son utilizados en la industria de
alimentos. Se realizó una descripción cualitativa de
la reactividad química y estabilidad relativa
mediante el cálculo de descriptores globales de
reactividad como el potencial químico, la dureza y
el índice de electrofilicidad. Otro descriptor local
utilizado fue la función de Fukui calculada
únicamente para el ataque nucleofílico debido a la
interacción de estos colorantes con especies como
el agente reductor ión bisulfito el cual es un
conservante adicionado a los jugos de frutas [13].
Por su parte, el amarillo disperso 3 es uno de los
colorantes
dispersos
aminobenzoicos
más
importantes, siendo su principal aplicación el teñido
de fibras de poliéster [2]. De forma similar el
colorante antraquinónico azul disperso 3 es una
especie neutra muy utilizada en el teñido de fibras
sintéticas como el poliéster [3].
A partir del siglo XIX, con la síntesis del primer
colorante orgánico, comenzó la producción y
desarrollo de esta clase de compuestos,
observándose que cuando son aplicados a las
fibras para dar un color permanente resisten la
decoloración causada por el sudor, la luz, el agua y
los tratamientos en los procesos de teñido, poseen
amplia gama de colores y un menor precio al ser
comparados con los colorantes naturales, lo que ha
incrementado notablemente su consumo [4], [5].
Otro estudio reportado en la literatura, fue la
determinación de la reactividad química teórica de
la rodamina B, el cual es un colorante básico de
uso extendido en textiles y en alimentos. Se
utilizaron descriptores de la reactividad química a
través de la teoría de funcionales de la densidad,
para calcular la electrofilicidad neta obteniéndose
una molécula de naturaleza electrodonante. Otro
cálculo realizado fue la función de Fukui nucleofílica
encontrándose un solo sitio preferido para ataques
nucleofílicos, mientras que no se hallaron sitios
activos para el ataque electrofílico [14].
Se estima que anualmente se producen 700,000
toneladas de colorantes sintéticos los cuales son
usados en diferentes sectores como: cuero,
cosmética, papel, plástico y textil [6], [7].
A pesar de este hecho, existe una gran
preocupación debido a que los colorantes son
liberados a las aguas residuales, impactando
negativamente a los ecosistemas acuáticos y la
salud humana porque son moléculas orgánicas de
estructura compleja y son estables a la luz, al calor
y a los agentes oxidantes haciendo difícil su
remoción [8], [9].
El objetivo de esta investigación fue ampliar el
conocimiento sobre la reactividad teórica de
colorantes de uso extensivo en la industria textil, de
los cuales no se encontraron investigaciones
previas: el índigo cuyo sustrato de aplicación es el
algodón, el amarillo disperso 3 y el azul disperso 3
que son usados para teñir las fibras de poliéster,
los cuales pertenecen a las familias indólica, azóica
y antraquinonica, respectivamente. Las fórmulas
estructurales se presentan en la Figura 1.
El estudio teórico de la reactividad química se ha
basado fundamentalmente en la teoría de
funcionales de la densidad (DFT) que es conocida
como un eficiente y exacto soporte computacional
para el cálculo de estructuras electrónicas [10]. La
aplicación de descriptores en DFT ha sido muy
exitosa, ya que son de tipo global como: la dureza
química, el potencial químico y la electrofilicidad.
Estos descriptores también son de tipo local como:
funciones de Fukui, suavidad e índices de filicidad
que son empleados para describir la selectividad de
Se aplicó la Teoría de los Funcionales de Densidad
(DFT) para determinar parámetros electrónicos,
como el análisis de las cargas de Mulliken, método
empleado para conocer la densidad electrónica de
18
los átomos en una molécula y por consiguiente
entender de forma cuantitativa las zonas donde se
acumula carga electrónica y donde hay déficit de la
misma [15]. Por tanto se elucidaron los centros más
reactivos, es decir los sitios con mayor
nucleofilicidad y electrofilicidad, para predecir la
reactividad hacia otras sustancias aceptoras o
donadoras de electrones que pueden interactuar
con los colorantes seleccionados.
base se aplicó porque ha sido muy exitosa en la
predicción de geometrías para un gran número de
reacciones orgánicas [18].
La reactividad química fue evaluada en función del
análisis poblacional de Mulliken, que es un método
empleado para calcular la distribución de carga en
una molécula porque todos sus electrones están
asignados a un núcleo y sus resultados se
aproximan mucho a los obtenidos cuando se
calculan densidades de carga obtenidas de forma
rigurosa [15]. Para apoyar los resultados anteriores,
se calcularon las superficies de potencial
electrostático que sirven para determinar las
distribuciones de carga en una molécula, ya que
muestran la variabilidad en las regiones cargadas
permitiendo identificar los sitios reactivos. El
potencial electrostático es una forma cualitativa de
conocer la reactividad en una molécula [19].
O
H
N
N
O
H
A)
OH
N
3.
CH3
N
OH
Las colorantes seleccionadas fueron: el índigo, el
amarillo disperso 3 y el azul disperso 3, para los
cuales se optimizó su geometría, se calcularon las
cargas de Mulliken y se obtuvieron las superficies
de potencial electrostático, con el fin de conocer la
reactividad de dichos compuestos.
C
N
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
O
H
B)
OH
H2C
H2C NH
O
H 3C
O
NH
3.1 Análisis de resultados para el colorante
índigo
La geometría optimizada se muestra en la Figura
2A), esta molécula es casi plana con presencia de
átomos de oxígeno y nitrógeno que la hacen muy
polar. La disposición de los sustituyentes en
posición trans permite que posean una mayor
reactividad porque forman parte de un sistema de
enlaces conjugados. En la Figura 2B) se observa la
superficie de potencial electrostático, indicando que
existe mayor acumulación de cargas sobre los
átomos de oxígeno, siendo estos los centros
donadores de carga para posteriores reacciones.
C)
Fig.1 A) Estructrura química del índigo.B)
Estructrura química del amarillo disperso 3. C)
Estructrura química del azul disperso 3.
2.
METODOLOGÍA
En la tabla 1, se indican los valores de las cargas
de Mulliken, estos valores señalan que los sitios
activos de reacción para adiciones electrofílicas
ocurren en los heteroátomos, O-13 y O-22,
señalando que las estructuras resonantes no
afectan mucho la disponibilidad de los pares
electrónicos libres de estos átomos.
Los cálculos se realizaron usando el programa
computacional Spartan-Pro [16], para el análisis
conformacional de las moléculas. Posteriormente
se procedió a la optimización de la geometría del
confórmero más estable de cada colorante
utilizando el software Gaussian 09 [17] por DFT con
el funcional híbrido B3LYP y la base 6-31G(d), esta
19
3.2 Análisis de resultados para el colorante
amarillo disperso 3
En la figura 3A) se presenta la estructura
optimizada, observándose una configuración casi
plana que le facilitará reaccionar con sustancias
aceptoras o donadoras de electrones. En la figura
3B), se muestra la superficie de potencial
electrostático, siendo la densidad electrónica mayor
para los oxígenos, particularmente para el oxígeno
O-7, significando que en este átomo es mayor la
probabilidad de que ocurran reacciones del tipo
adición nucleofílica.
A)
B)
Fig.2 A) Molécula de índigo optimizada con
Gaussian09 al nivel de teoría B3LYP 6-31G(d). B)
Superficie de potencial electrostático obtenido con
el Programa Spartan.
Átomo
O-13
O-22
C-8
C-17
H-15
H-21
A)
cargas
Mulliken
-0.5113
-0.5119
0.367
0.367
0.355
0.355
Tabla 1. Cargas de Mulliken sobre los átomos del
colorante índigo al nivel de nivel de teoría B3LYP 631G(d).
B)
Fig. 3 A) Molécula amarillo disperso 3 optimizada
con Gaussian09 al nivel de teoría B3LYP 6-31G(d).
B) Superficie de potencial electrostático del amarillo
disperso 3 obtenido con el Programa Spartan.
Los centros aceptores de electrones están
localizados en los átomos de carbono del grupo
carbonilo, C-8 y C-17, como resultado de la
polarización del grupo carbonilo. Los hidrógenos
con los mayores valores de las cargas de Mulliken,
son H-15 y H-21, lo cual siguiere la formación de
puentes de hidrógeno intramolecular con los
oxígenos O-22 y O-13, respectivamente. Dicha
interacción atómica, puede ocasionar que los
carbonos carbonílicos sean más deficientes en
carga aumentando su reactividad hacia potenciales
ataques de nucleófilos.
Los valores de las cargas de Mulliken, se muestran
en la tabla 2, notándose que los centros donadores
de electrones son los átomos de oxígeno O-7, O27, O-31, el heteroátomo con mayor carácter
nucleofílico es el O-7 que hace parte del grupo
amido (-NHCOCH3).
20
Átomo
O-7
O-27
O-31
C-5
cargas
Mulliken
-0.444
-0.609
-0.614
0.504
colorante amarillo disperso 3 al nivel de nivel de
teoría B3LYP 6-31G(d).
El sitio activo de reacción para ataques
nucleofílicos es el átomo de carbono C-5, dado que
está enlazado a dos átomos más electronegativos
que alteran su densidad electrónica.
3.3 Análisis de resultados para el colorante azul
disperso 3
La figura 4A) corresponde a la geometría
optimizada indicando que el sistema es totalmente
plano en los anillos, dicha planaridad de la
molécula minimiza los impedimentos estéricos con
posibles nucleófilos o electrófilos. En la figura 4B)
se aprecia la superficie de potencial electrostático,
siendo los átomos de oxígeno los que presentan
una densidad de carga negativa más alta.
A)
En la tabla 3, se encuentran los sitios más
susceptibles de reacciones electrofílicas los cuales
son los átomos de oxígeno O-20, O-21, O-31 y en
menor grado el átomo de nitrógeno N-33. Los
centros aceptores de electrones están ubicados en
los átomos de carbono C-2 y C-7, debido a la
polarización de los enlaces que los unen con los
átomos N-33 y O-20, respectivamente.
Átomo
O-20
O-21
O-31
N-33
C-2
C-7
cargas
Mulliken
-0.512
-0.519
-0.471
-0.652
0.305
0.308
B)
Fig. 4. A) Estructura del azul disperso 3 optimizada
con Gaussian09 al nivel de teoría B3LYP 6-31G(d).
B) Gráfica de superficie de potencial electrostático
del azul disperso 3 obtenido con el Programa
Spartan.
colorante azul disperso 3 al nivel de nivel de teoría
B3LYP 6-31G(d).
21
4.
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2014].
CONCLUSIONES
Se realizó un análisis basado en cálculos
computacionales, encontrando una reactividad
química importante en los tres colorantes
estudiados que se relaciona con factores
electrónicos y con la geometría molecular. Sin
embargo, el azul disperso 3 es el compuesto más
reactivo, evidenciado por poseer más sitios
susceptibles
de
adiciones
electrofílicas
y
nucleofílicas, como se observó con las cargas de
Mulliken y la superficie de potencial electrostático.
Estudios posteriores incluirán el efecto de varios
solventes sobre la reactividad de estos colorantes,
así como el efecto de la temperatura sobre la
solvatación de dichos sistemas.
5.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Institución Universitaria
Pascual Bravo el apoyo brindado para la obtención
de resultados en este trabajo de investigación.
6.
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22
SIMULTANEOUS QUANTIFICATION OF ANTIMALARIAL
STEROIDS IN Solanum nudum EXTRACTS BY HIGH
PERFORMANCE LIQUID CHROMATOGRAPHY (HPLC)
Ena López
1,6,7
2,6
3,9
4,6,7
, Carlos López , Pedronel Araque , Silvia Blair
, Adriana Pabón
5,6,7,8
1
M.Sc. en Ciencias Químicas, Grupo Malaria, [email protected]
M.Sc. en Ciencias Químicas, docente Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, [email protected]
3
M.Sc. en Ciencias Químicas, docente, [email protected]
4
Magister en Historia, Docente Facultad de Medicina, Facultad de Medicina, [email protected]
5
Doctora en Biología, Investigadora Grupo Malaria, docente Programa de Biología, [email protected]
6
Universidad de Antioquia, UdeA Calle 70 No. 52-21, Medellín, Colombia.
7
Sede de Investigación Universitaria, SIU, carrera 53 N° 61 – 30, Medellín, Colombia
8
Universidad del Atlántico, 080001 Barranquilla, Colombia.
9
Escuela de Ingeniería de Antioquia, Km 2 + 200 Vía al Aeropuerto José María Córdova, Envigado-Colombia.
2
ABSTRACT
Steroids with recognized antiplasmodial activity, isolated from leaves of Solanum nudum, were quantified in
hexane extracts, dichloromethane, ethyl acetate and methanol by high performance liquid chromatography.
2
Some validation parameters were checked with desirable acceptance criteria such as linearity (r = 0.9999),
accuracy (R = 88,25 - 102.82%), precision (CV = 0.45 to 4.87%), limits of detection and quantification (0.09
to 2.73 mg / mL). Concentrations were found at 9.73 ± 0.27; 84.58 ± 3.23; 23.32 ± 0.72; 71.34 ± 2.10; 56.50 ±
0.89 and 111.37 ± 3.31 mg compound / mg extract for tumacone A, tumacone B, tumacoside A, tumacosido
B, tumaquenone and diosgenone, respectively. A clear correspondence between the found concentrations
and the polarities of the solvents used in the extraction was evident. This is the first analytical approach to the
study of these metabolites in plant samples of specimens of S. nudum with potential phytopharmaceutical
use. It is concluded that the proposed methodology can be a good tool for the analytical determination of the
studied metabolites.
Key words: Quantification, HPLC, Solanum nudum, Steroids, Antiplasmodial.
Recibido: 09 de Mayo de 2014. Aceptado: 30 de Junio de 2014.
th
th
Accepted: June 30 , 2014.
Received: May 09 , 2014.
CUANTIFICACIÓN SIMULTANEA DE ESTEROIDES ANTIMALÁRICOS EN EXTRACTOS DE
Solanum nudum POR CROMATOGRAFIA LIQUIDA DE ALTA EFICIENCIA (CLAE)
RESUMEN
Los esteroides con reconocida actividad antiplasmódica aislados de las hojas de Solanum nudum, fueron
cuantificados en extractos de hexano, diclorometano, acetato de etilo y metanol mediante cromatografía
liquida de alta eficiencia. Se verificaron algunos parámetros de validación con criterios de aceptación
2
deseables tales como linealidad (r = 0,9999), exactitud (R= 88,25- 102,82%), precisión (CV= 0,45 – 4,87 %),
límites de detección y cuantificación (0,09 - ȝJP/ Se encontraron concentraciones hasta 9,73 ± 0,27;
84,58 ± 3,23; 23,32 ± 0,72; 71,34 ± 2,10; 56,50 ± 0,89 y 111,37 ± 3,31 ȝg de compuesto / mg de extracto
para los metabolitos tumacona A, tumacona B, tumacosido A, tumacosido B, tumaquenona y diosgenona
respectivamente. Se evidenció una clara correspondencia entre las concentraciones halladas y las
polaridades de los solventes empleados en la extracción. Esta es la primera aproximación analítica para el
estudio de estos metabolitos en muestras vegetales de especímenes de S. nudum con potencial uso
fitofarmacéutico. Se concluye que la metodología planteada puede ser una buena herramienta para la
determinación analítica de los metabolitos estudiados.
Palabras clave: Cuantificación, CLAE, Solanum nudum, Esteroides, Antiplasmodial
23
1. INTRODUCTION
Solanum nudum is a shrub belonging to the genus
Solanum section Geminata; in Colombia it is widely
distributed throughout Antioquia, Boyacá, Cauca,
Casanare, Cesar, Chocó, Cundinamarca, Huila,
Magdalena, Meta, Nariño, Norte de Santander,
Putumayo, Risaralda, Santander and Valle [1]. It is
known on the Pacific coast of Colombia as Zapata
or Zapatico and is used by traditional healers of this
region for the treatment of fevers associated with
malaria [1].
and the broad possibilities for the selection of
appropriate conditions for the analysis allows the
separation and quantification of many chemical
compounds and numerous isomers present in
plants [10].
A high number of studies where quantification by
HPLC has been effective in the analysis of various
compounds derived from plant extracts [11,12], has
been reported. Compounds as plant alkaloids and
glycoalkaloids the genus Solanum [12] have also
been quantified by HPLC steroidal. Similarly, this
technique has been used for the characterization of
steroid sapogenines in plant extracts, but not for
their quantization [13], so that HPLC may be an
adequate technique to determine the concentrations
of the different compounds of extracts obtained, for
example, populations of S. nudum from different
sources or locations, since, it lacks an analytical
method to determine the content of the compounds
present in the S. nudum plant.
From the phytochemical point of view, S. nudum
presents steroidal secondary metabolite such as
Solanudina, steroidal alkaloid isolated from fruits
[2]. From the leaves of this plant, steroids such as
tumacone A (SN-1), tumacone B (SN-2),
tumacoside A (SN-3), tumacoside B (SN-4), its
isomer tumaquenone (SN 5) and steroidal
sapogenine, diosgenone (Figure 1) were isolated [3]
These compounds exhibit in vitro antiplasmodial
activity in the FCB-2 strain of P. falciparum [4]. Also,
it has been reported that steroids isolated from this
plant do not have cytotoxic activity [5], or
clastogenic [6], or mutagenic [7]. Furthermore, it
has been shown that the aqueous extracts of S.
nudum exhibit in vivo antimalarial activity, in mice
infected with P. berghei [8]. Taking into account the
promising results of antiplasmodial activity issued
by steroids isolated from S. nudum; it is interesting
to continue studies on this plant leading to the
development
and
implementation
of
new
methodologies to measure antimalarial molecules in
biological matrix for the subsequent development of
a plant protection from standardized extracts,
ensuring the reliability of the results.
This paper reports a first approach to the
simultaneous
quantification
of
secondary
metabolites of S. nudum (SN-1, SN-2, SN-3, SN-4,
SN-5 and diosgenone), by HPLC, reverse phase, in
order to implement it in future studies aimed at
developing a phytopharmaceutical from this plant.
2. MATERIALS AND METHODS.
Solvents and standards.
Solvents such as Acetonitrile and Terahidrofurano
IRU OLTXLG FKURPDWRJUDSK\ SXULW\ ZHUH
obtained from Merck. Ultrapure water was obtained
from a Millipore Simplicity system and the marker
compounds (phytochemicals substance trackers) as
tumacone A (SN-1), tumacone B (SN-2),
tumacoside A (SN-3), tumacoside B (SN 4),
tumaquenone (SN-5) and diosgenone were
previously isolated from S. nudum plant.
Nevertheless, the complexity of botanical extracts
constitute challenges to develop detection methods
that allow rapid analysis of chemical composition of
medicinal plants. In addition, in pharmacokinetic
and pharmacodynamic studies, the identification
and quantification of metabolites of natural products
in complex biological matrices also require the
application of chromatographic analytical methods
[9].
Numerous studies have shown that high-efficiency
liquid chromatography (HPLC) is a very important
technique for separating complex mixtures such as
plant extracts. The high efficiency of this method
Equipment and chromatographic conditions.
A liquid chromatograph Agilent Technologies 1200
Series (Agilent Technologies, Wilmington, USA)
24
with degasser, quaternary pump, autosampler and
diode array detector (DAD), control and acquisition
software
ChemStation
was
used.
The
chromatographic
conditions
were:
column
LiChroCART® C18 (250 x 4 mm ID, 5 um), C18
Guard column, column temperature 25 ° C, 20 ul
injection volume, flow 1.0 mL / min, wavelength 250
nm and mobile phase: acetonitrile - water gradient
with programming during 10 35:65 min, 35:65 to
80:20 in 5 min, to 80:20 for 7 min, 80:20 to 90:10 in
13 min, to 90:10 for 5 min.
to 5 mL with acetonitrile - water (1: 1). The extracts
were passed through a nylon filter of 0,45um and 20
uL of the solution was injected into the liquid
chromatograph. The identification of steroidal
compounds in the different extracts was determined
by comparing the retention times of each analyte
with the marker or tracer substances.
Preparation of standard solution.
5 mg of each of the marker compounds (SN-1, SN2, SN-3, SN-4, SN-5 and diosgenone) were
weighed and 0.5 ml of tetrahydrofuran were added
to ensure solubilization. Later, dilution was
supplemented with acetonitrile / water (1: 1) to
obtain a concentration of 1000 mg / mL
Plant material.
The leaves of S. nudum plant were collected in the
municipality of Tumaco (Nariño Colombia) (1 °
41'03 "N, 78 ° 47'01" W) at 16 meters. A specimen
of the plant is deposited in the Herbarium of the
Universidad de Antioquia (HUA) under the Voucher
179201
catalog
Colombian
flora.
Marker
compounds SN-1, SN-2, SN-3, SN-4, SN-5 and
diosgenone were previously obtained using the
protocol for the isolation and purification of steroid
compounds of malaria S. nudum Group (UdeA)
which is an improved version of the method
proposed by Sáez et al [3]. Briefly, the dried and
ground plant S. nudum leaves were subjected to
extraction by percolation exhaustively with
petroleum ether, dichloromethane, ethyl acetate
and methanol. The extracts obtained are put in the
rotary evaporators to dryness and its fractionation
started repeated times by column chromatography
packed with silica gel and eluted with a gradient of
dichloromethane
/
methanol.
Subsequently
preparative
chromatography
in
thin
layer
chromatography plate for the complete isolation and
purification of plant steroids.
Statistical analysis.
To find the linear analysis of variance (ANOVA) for
determining the significance of both the slopes and
intercepts of the linear equations, the Centurion XVI
STATGRAPHICS software was used.
Chromatographic Method.
The analytical parameters which were validated and
implemented for quantification of steroidal
compounds were: linearity, precision, accuracy, limit
of detection and limit of quantification [14].
Optimization of separation: a stock solution with
six marker compounds (SN-1, SN-2, SN-3, SN-4,
SN-5 and diosgenone) at a concentration of 120 mg
/ mL was prepared, along with a sample of
dichloromethane extract of S nudum and a solution
of acetonitrile: water 1: 1, were taken as a control
(white). Then 20 uL of each of these solutions were
injected into the chromatograph.
Sample preparation.
20 grams of leaves of S. nudum ground with a
particle size of 5 mm were collected and subjected
to Soxhlet extraction in duplicate for five hours,
using 250 mL of solvents of different polarity
(hexane, dichloromethane, ethyl acetate and
methanol) and the corresponding extracts were
obtained.
Afterwards, these were concentrated under reduced
pressure, and weighed 5 mg of each sample of
different polarity; then they were transferred to a 5
mL volumetric flask and 0.5 mL of tetrahydrofuran
were added for good solubilization and were taken
Linearity and linear range: To assess the linearity
of SN-1, SN-2, SN-3 and SN-5 six concentrations
(0.5, 10, 40, 80, 120 and 160 ug / mL) were
prepared. Because quantitation limits SN-4 and
diosgenone were close to 3.0 g / mL, the following
concentrations were tested: 3.0, 10, 40, 80, 120 and
160 mg/mL. Each concentration was prepared from
a stock solution of 1000 g/mL of each marker
compound. These solutions were injected in
triplicate.
25
Precision: to find accuracy, known amounts of
labeling compounds (SN-1, SN-2, SN-3, SN-4, SN5 and diosgenone) were added to a sample of the
dichloromethane extract of the plant S. nudum, up
to three concentration levels (low, medium and
high). The concentrations used were 5, 25 and 50
ug/mL. The tests were performed in triplicate and
the results were expressed as coefficient of
variation (CV).
signal / noise (10: 1). These concentrations
obtained were subsequently injected into the
chromatograph to find out which experimentally
obtained value was equal to that calculated.
3. RESULTS Y DISCUSSIONS
3.1 Parameters for quantification
Accuracy: This parameter was found using the
method of standard addition, which is used when it
is not possible to prepare a blank matrix that does
not contain the analytes of interest [14], therefore it
is added on several real samples and known
quantities of each analyte of interest up to three
concentration levels (low, medium and high). To
find the accuracy of this study, a sample of the
dichloromethane extract of S. nudum was analyzed
in chromatograph; subsequently, a replica of the
same sample was doped with each of the standards
(SN-1, SN-2, and SN-3, SN-4, SN-5 and
diosgenone) up to three concentration levels of 5,
25 and 50 ug/mL. The samples were injected into
the liquid chromatography and the tests were
performed in triplicate. Results were expressed as
percent recovery (% R), which was calculated as
shown in equation (1).
%ܴ =
஼ೄಲ ି஼ೄ
஼ಲ
‫ כ‬100
Optimization of the separation: When performing
a simultaneous measurement of all metabolites
(SN-1, SN-2, SN-3, SN-4, SN-5 and diosgenone) at
a concentration of 120 ug/mL, it was observed that
all the peaks of the compounds were well defined,
had good resolution (greater than 2 in each case)
and did not present problems of co-elusión (figure
2A). Compounds SN-4, SN-5 and SN-3 eluted first
with a retention time (RT) from 12.31 to 14.85
minutes, respectively, compounds SN-2 and SN-1
eluted in a RT from 16.57 to 17.65 minutes
respectively. These results are consistent with the
polarity of the compounds, allowing greater
solubility in the mobile phase. By contrast,
diosgenone eluted in a greater RT: 37.49 minutes,
because it is the less polar metabolite. Likewise, the
chromatogram of a dichloromethane extract of S.
nudum sample was obtained; it was observed that
the compounds have no interference, facilitating the
quantification of steroid compounds (Figure 2B).
(1)
Linearity and linear range: linear regression
analysis was performed and the concentration
versus areas to compound was plotted, yielding
statistical results found in Table 1. Values obtained
LQ WKH VWDWLVWLFDO WHVW Į VKRZ VORSHV
statistically different from zero (p <0.05) which
indicates a good sensitivity of the method, as well
as an intercept for each negligible compound (p>
0.05). It was also observed that all the coefficients
of determination were greater than 0.999 indicating
that there was good proportionality between
concentration and the areas of each analyte, the
errors of the slopes and intercepts show a good fit
to the linear model.
Where:
CS = Concentration of the compound in the sample
of dichloromethane extract of S. nudum
CSA = Concentration of the compound in the
sample of dichloromethane extract of S. nudum,
plus (+) concentration of the compound added to
the sample of dichloromethane extract of S. nudum.
CA = known concentration of the compound marker
added to the sample of dichloromethane extract of
S. nudum.
Limit of detection and quantification: The
concentrations that provided superior results to
three times the signal / noise ratio for the detection
limit and 10 times to the limit of quantification, are
shown in Table 1. It was found that the estimated
values for both, detection and quantitation limits
ranged from 0.09 to 0.82 and from 0.30 to 2.73
Limit of detection and limit of quantification: to
evaluate the detection limit of each steroid
compound, concentration corresponding to three
times the signal / noise ratio (3: 1) was calculated
and for the limit of quantification, the corresponding
concentration was calculated to ten times the ratio
26
g/mL, respectively, indicating that the analytical
method has good sensitivity.
and the methanol extract SN-2 and diosgenone (p =
0.075)
showed
no
significant
differences
statistically. These results are related to the polarity
of molecules and the affinity of each of them with
the solvent. Analyzing molecules structurally and
solvents extraction systems, it was observed that
diosgenona is extracted efficiently with hexane
since it is a compound of low polarity. SN-1 and SN2 with dichloromethane and ethyl acetate for their
medium polarity; and SN-3, SN-4, SN-5 are best
extracted with methanol suggesting that are highly
polar compounds.
Precision: the coefficients of variation (CV) of each
of the steroid compounds at three concentration
levels were in the following ranges: for the low level
was (0.45 to 3.79%), intermediate (0.61- 4.87%)
and high (0.69- 2.15%) (Table 2). According to the
Association of Official Analytical Chemists (AOAC)
[9], a CV less than or equal to 7.3% for
concentrations around 10 mg / mL is accepted; and
for concentrations close to 100ug/mL, the CV must
be less or equal to 5.3% (Table 2). It can be seen
that the CVs of this study are below the maximum
value established by the Association of Official
Analytical Chemists (AOAC) [14], therefore the
method is considered accurate.
Accuracy: The recovery percentages for each of
the steroid compounds at three concentration levels
were in the range: for the low level 89.58% 100.82%, average 88.25 to 95.32% and high level
91.15 to 98.31% (Table 3). Under AOAC acceptable
recovery percentages for low concentrations
(between 5 and 10 mg / mL) is between (80 -110%);
and higher concentrations (between 25 and 100
ug/mL) is (80 - 107%) [14]. The results of this study
are within the stated ranges; this indicates that the
method has no analyte losses (<80%) or matrix
interference
(>
110%);
therefore
the
chromatographic method is considered accurate.
3.2 Application of the method in different
extracts of Solanum nudum.
The quantification of the S. nudum steroids was
performed in extracts prepared with different
polarity solvents (hexane, dichloromethane, ethyl
acetate and methanol). In the hexane extract was
observed that the major component was the
diosgenone, for dichloromethane and ethyl acetate
was SN-2 and for the methanol extract was SN-4
(table 4). The ANOVA test was applied to compare
the concentration of compounds in each extract; it
was found that in all cases at least a concentration
differs from the other (p <0.05). When the test of
pair-wise comparisons of compounds were carried
out to determine what metabolites differed in their
concentration in each extract, it was noticed that
most of the concentrations of these compounds
differ among themselves, except for some cases as
follows: in the ethyl acetate extract, concentrations
of SN-4 and diosgenone compounds (p = 0.326)
27
OH
3.3 Figures
HO
OH
O
O
H
H
OH
H
O
H
CH3
O
O
OH
H
H
H
H
H
H
OH
H
H
O
H
H
O
O
SN-1 Tumacone A (C29H44O5)
16Į-acetoxy-26-hydroxycholest-4-ene-3,22-dione
SN-4 Tumacoside B (C33H52O9)
26-0- ȕ-D-glucopyranosyloxy- Į-acetoxycho lest4-ene-3,22-dione
OH
H
H
H
OH
O
O
OH
OH
HO
H
H
H
H
OH
OH
H
H
H
O
H3C
O
H
CH3
H
H
O
H
O
SN-2 Tumacone B (C27H42O4)
Į-dihydroxycholest-4-ene-3,22-dione
SN-5 Tumaquenone (C33H52O9)
26-O-ȕ-D-glucopyranosyloxy-25(R)-furost-4-en-3one.
OH
HO
O
O
OH
OH
H
H
H
H
O
O
H
H
CH3
H
H
H
H
O
H3C
O
O
H
H
H
O
SN-3 Tumacoside A (C35H54O10)
Į- acetoxy-26-O-ȕ-D- glucopyranosyloxycholest4-ene-3,22-dione.
H
O
Diosgenone (C27H40O3)
5(R)-spirost-4-en-3-one
Figure 1. Solanum nudum isolated steroids
28
A
SN-2
SN-3
SN-1
SN-5
Diosgenone
SN-4
B
Figure 2. Chromatograms of the steroids separation of S. nudum (A) standards or tracking substances
(SN-1, SN-2, SN-3, SN-4, SN-5 and diosgenone). (B) sample of dichloromethane extract.
29
3.4 Tables
Table 1. Chromatographic Parameters for quantification of S. nudum steroids
Marker
Compound
SN-1
SN-2
SN-3
SN-4
Linear range
Regression equation
r
0.5 - 160
0.5 - 160
0.5 - 160
3.0 - 160
Y = 24.7099*C (± 0.1043) - 2.8475 (± 16.1292)
Y = 27.3505*C (±0.1115 )- 9.2484 (± 16.6678)
Y = 16.8008*C (± 0.1320) -12.6908 (± 19.4798 )
Y = 15.6719*C (± 0.0641) - 8.1082 (± 9.1776)
SN-5
0.5 - 160
Diosgenone
3.0 - 160
2
LD
LC
0.999
0.999
0.999
0.999
0.10
0.09
0.14
0.75
0.33
0.30
0.46
2.50
Y = 20.5111*C (± 0.0991 )- 5.0393 (±15.1650 )
0.999
0.15
0.50
Y = 21.5709*C (± 0.1187 ) - 27.7518 (±12.3528 )
0.999
0.82
2.73
2
Y: area, C: concentration and r : coefficient of determination. The linear range and the limits of detection
(LD) and quantification (LC) are expressed in ȝg/mL. SN-1 (Tumacone A), SN-2 (Tumacone B), SN-3
(Tumacoside A), SN-4 (Tumacoside B), SN-5 (Tumaquenone).
Table 2. Precision of the Chromatographic method for the quantification of S. nudum steroids
Compound
SN-1
SN-2
SN-3
SN-4
SN-5
DIOSGENONE
Added
Concentration
5
25
50
5
25
50
5
25
50
5
25
50
5
25
50
5
25
50
Concentration on the
undoped sample (n=3)
9.81
76.09
19.34
65.07
42.50
61.02
Average doped
concentration (n=3)
14.96
33.17
55.39
80.97
99.29
125.20
24.33
41.40
66.70
69.95
88.90
114.22
47.00
65.45
90.21
65.49
83.45
108.31
The concetration used was in ȝg/mL, n: number of repetitions, CV: Coefficient of variation
30
CV
3.79
4.87
2.15
2.00
2.18
0.76
2.20
0.72
0.75
3.62
2.69
1.28
2.15
2.94
1.88
0.45
0.61
0.69
Table 3. Recovery rates of the chromatographic method for the quantification of S. nudum steroids
COMPOUND
SN-1
SN-2
SN-3
SN-4
SN-5
DIOSGENONE
% R1
% R2
%R3
%R
Average
CV
105.91
90.56
93.83
94.59
97.31
98.27
94.88
88.58
94.35
92.08
94.63
96.77
88.10
90.48
98.86
84.88
89.89
93.41
99.99
90.87
88.83
98.64
91.25
101.82
100.71
89.47
97.04
100.31
96.54
101.31
89.12
88.09
92.27
93.83
88.85
94.65
102.59
98.87
90.78
99.67
89.82
94.58
103.57
86.69
92.75
100.31
94.79
96.85
92.39
96.77
95.13
90.03
90.49
95.68
102.82
93.43
91.15
97.63
92.80
98.22
99.72
88.25
94.71
97.56
95.32
98.31
89.87
91.78
95.42
89.58
89.74
94.58
2.90
5.04
2.76
2.75
4.29
3.69
4.44
1.61
2.29
4.89
1.11
2.64
2.49
4.88
3.46
5.01
0.92
1.20
% R: Recovery rate, CV: coefficient of variation
Table 4. Concentration of SNs in extracts obtained from S. nudum (ȝg of compound / mg of extract).
EXTRACT
SN-1
SN-2
SN-3
Me ±SD
Me ±SD
Me ±SD
Hexane
3.22 ± 0.18
6.20 ± 0.29
nd
Dichloromethane 9.73 ± 0.27 84.58 ± 3.23 17.06 ± 0.52
Ethyl acetate
7.57 ± 1.03 61.28 ± 1.70 14.36 ± 1.83
Methanol
1.63 ± 0.07
9.64 ± 0.62
23.32 ± 0.72
Me: average, nd: no data, SD: standard deviation
31
SN-4
Me ±SD
Nd
63.54 ± 3.44
52.21 ± 0.46
71.34 ± 2.10
SN-5
Me ±SD
nd
38.46 ± 1.36
43.06 ± 0.32
56.50 ± 0.89
DIOSGENONE
Me ±SD
111.37 ± 3.31
54.84 ± 1.90
49.88 ± 1.73
12.30 ± 0.85
4.
CONCLUSIONS
In this study, simultaneous quantification of steroid
compounds in S. nudum samples by high efficiency
liquid chromatography (HPLC) on reversed phase
was achieved. This method showed appropriate
separation of the compounds, since there was no
co-elusion between them. The method also showed
acceptable linearity for determining coefficients of
0.999 and desirable precision with CV less than 5%
was obtained according to the AOAC criteria, it
means that, this method complies with the
parameter of repeatability. Furthermore, the method
presented acceptable accuracy with greater
recovery rate of 80% and less than 110%, intervals
that are within the range set by the same
organization. The results obtained in this study
suggest that it is a reliable method and the
methodology can be applied to simultaneous
analysis of steroids SN-1, SN-2, SN-3, SN-4, SN-5
and diosgenone in the vegetable matrix (extracts of
different polarity); process required in the
development of a phytopharmaceutical.
5.
[3].
Saez, J., Cardona, W., Espinal, D., Blair, S.,
Mesa, J., Bocar, M., Jossang, A. Five new steroids
from Solanum nudum, Tetrahedron., 54 (36),
10771-10778, 1998.
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Pabon, A., Carmona, J., Maestre, A.,
Camargo, M., Blair, S. Inhibition of P. falciparum by
steroids isolated from Solanum nudum, Phytother
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ACKNOWLEDGEMENTS
This research study was funded by the Ministry of
Agriculture of Colombia “Ministerio de Agricultura
de Colombia” under the project "evaluation of
antiplasmodial activity of standardized extracts of
the Solanum nudum plant, which is native and
cultivated in vitro" V7552-29-07 code 009-2007. It
was also funded by Universidad de Antioquia
(UDEA), under the program sustainability strategies
2014 - 2015.
The authors want to give special thanks to Felipe
Cardona for the collection and taxonomy of the
plant at Herbario de la Universidad de Antioquia
(HUA) and to Natalia Yepes for her support in the
implementation of the High Efficiency Liquid
Chromatography (HPLC) technique.
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33
34
Fusarium oxysporum PATÓGENO TRANS-REINO, INHIBIDO
POR LA HEMOLINFA DE LARVAS DE Galleria mellonella
1
2
Amalia Muñoz Gómez , Mauricio Corredor , Carlos Peláez
3
1Química
Farmacéutica, M.Sc., Estudiante de doctorado, Facultad de Química Farmacéutica, Grupos de
Investigación: GIEM, GEBIOMIC, GABi, [email protected]
2 Biólogo, M.Sc., Ph.D., Profesor Asociado, Grupos de Investigación GEBIOMIC, GRC
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Instituto de Biología, [email protected]
3Biólogo, Máster, Doctor en Ciencias Químicas. Profesor Asociado, Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales Instituto de Química, Grupo de Investigación: GIEM, [email protected]
Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53 – 108, Medellín, Colombia
Resumen
Con el propósito de validar el modelo de inhibición de crecimiento in vitro del hongo patógeno Fusarium
oxysporum se trataron con él larvas de Galleria mellonella. La hemolinfa de larvas sobrevivientes a la
4
6
inyección de 10 y 10 conidias/mL del hongo, durante 48 horas a 37°C, fue extraída e incorporada a medio
PDA para cultivo de hongos, con el fin de evaluar la capacidad de la hemolinfa de inhibir el crecimiento del
hongo. Las pruebas estadísticas demostraron que las hemolinfas retadas inhibieron el crecimiento del
hongo, indicando que los lípidos y proteínas; principales constituyentes de la hemolinfa inmunizada,
continúan activos, impidiendo el crecimiento normal del hongo. La normalidad, independencia y
homogeneidad de los datos mostraron la rigurosidad del diseño experimental. El presente estudio contribuye
a consolidar a G. mellonella, como una herramienta para estudios de patogenicidad de este hongo, capaz de
atravesar la barrera de los reinos biológicos.
Palabras clave: Fusarium oxysporum, Galleria mellonella, Hemolinfa
Recibido: 15 de Abril de 2014. Aceptado: 30 de Junio de 2014.
th
th
Fusarium oxysporum TRANS-KINGDOM PATHOGEN INHIBITED BY Galleria mellonella LARVAE
HEMOLYMPH
Abstract
In order to validate the model for in vitro growth inhibition of the fungal pathogen Fusarium oxysporum, larval
hemolymph of the Galleria mellonella was used. Hemolymph of surviving larvae after being challenged with
4
6
injection of 10 and 10 conidia/mL from F. oxysporum and incubated at 37°C for 48 hours, was extracted and
incorporated into PDA fungal media, with the aim to evaluate the ability of the hemolymph for inhibiting fungal
growth. Statistical tests showed that the challenged hemolymph inhibited the growth of the fungus, indicating
that the lipids and proteins, main constituents of immunized hemolymph, remain active and prevent the
normal growth of the fungus. Normality, independence and homogeneity of the data showed the rigor of
experimental design. This study contributes to consolidate G. mellonella as a tool for studying the
pathogenicity of this fungus, capable to cross the barrier of the biological kingdoms.
Keywords: Fusarium oxysporum, Galleria mellonella, Hemolymph
35
1.
esófago, ano, recto y paladar duro [22] Las
infecciones en humanos pueden ir desde
superficiales o localmente invasivas, a la fusariosis
diseminada, dependiendo de la respuesta inmune
del individuo [17, 18, 19, 23]. Aislados patogénicos
de F. oxysporum en humanos tienen orígenes
polifiléticos y responden mal a los agentes
antifúngicos disponibles [18, 24]. La disponibilidad
de herramientas moleculares como la eliminación o
disrupción de genes específicos (genes knockout)
[11], o mutagénesis insercional aleatoria [25] así
como la liberación de la secuencia completa del
genoma [3], hacen de F. oxysporum un modelo
ideal para estudiar las bases genéticas de la
patogenicidad de hongos trans-reino [15].
Introducción
Fusarium oxysporum es un patógeno de
importancia económica, que infecta a más de 100
especies de plantas [1], monocotiledóneas y
dicotiledóneas [2] en diversos nichos ecológicos en
todo el mundo [3, 4]. Se conocen F. oxysporum
patógenos y no patógenos que no pueden ser
distinguidos morfológicamente [5]. Los miembros
patógenos están divididos en aproximadamente
120 formas especiales (formae speciales) de
acuerdo a la planta hospedante a la que cause la
enfermedad, [2, 6, 7, 8] invadiendo las raíces y
causando enfermedades de marchitamiento a
través de la colonización de los tejidos del xilema
[2]. Las formas no patógenas son mucho más
diversas [9, 10]. Tanto los F. oxysporum patógenos
como los no patógenos infectan las raíces de
plantas, pero los no patógenos están a menudo
limitados al córtex donde sobreviven como hongos
endofíticos en raíces de plantas, o como saprófitos
en la rizósfera o en la materia orgánica del suelo
[11]. El hongo patógeno puede crecer como
saprófito sobre muchas plantas no hospedantes,
dicha sobrevivencia saprofítica contribuye a la
longevidad del patógeno en el suelo, por esta razón
se cuestiona su especificidad y su utilización como
biocontrolador [12]. F. oxysporum es un hongo
ascomyceto considerado cosmopolita [1], ubicuo
[13] y trans-reino [14, 15]. La capacidad de este
hongo para atravesar la barrera de los reinos se
evidencia en el estudio de Ortoneda et al. 2004
[16], donde se estableció que un solo aislado de F.
oxysporum f. sp. lycopersici, causó enfermedad
tanto en plantas de tomate como en ratones
inmunodeprimidos.
Una limitación en el estudio de la patogénesis de
Fusarium spp. es la disponibilidad de hospederos
apropiados para investigar la virulencia de hongos.
Dos modelos de ratón han sido desarrollados para
Fusarium spp. [26], sin embargo, las cuestiones
éticas y los gastos asociados a utilizar estos
modelos, puede impedir su uso en el laboratorio.
Para evitar estos problemas, las larvas de
lepidóptero Galleria mellonella (L. pyralidae), se
han desarrollado como un modelo hospedero para
investigar la virulencia de Fusarium. Este insecto ha
servido como modelo anfitrión para otros hongos
patógenos de importancia clínica [27, 28],
incluyendo Aspergillus [29, 30]. Es importante
destacar que en estos hongos clínicamente
importantes, muchos de los factores de virulencia,
que se requieren para infectar mamíferos, también
son necesarios para la infección de G. mellonella
[28, 31, 32]. Mediante el uso de este sistema
biológico insecto-hongo, se ha descubierto que
aislamientos clínicos y ambientales de Fusarium
matan las larvas a 37°C, aunque la muerte ocurre
más rápidamente cuando se incuba a 30°C, sin
embargo la muerte es dependiente de otros
factores, incluyendo la cepa de Fusarium, la
morfología de las conidias y la cantidad inyectada.
También se ha encontrado que aislamientos
identificados como patógenos de plantas, son
capaces de matar larvas de G. mellonella [23].
F. oxysporum es también un patógeno emergente
de humanos [17] inmunocomprometidos y otros
mamíferos [16], F. oxysporum complejo y F. solani
complejo son las especies más frecuentemente
aisladas a partir de muestras de laboratorio clínico
[15, 17, 18, 19, 20], llegando a constituir en algunos
centros, la segunda causa más frecuente de
infección por hongos filamentosos después de
Aspergillus sp. [18, 21]. Rabodonirina et al. 1994
[22], plantearon que especies de Fusarium
consideradas previamente habitantes del suelo y
contaminantes del laboratorio, han emergido con
significancia en pacientes inmunosuprimidos, en los
cuales se presenta una alta mortalidad [21]. F.
oxysporum se ha relacionado específicamente con
infecciones de piel, meninges, sangre, cerebro,
En el presente trabajo nos interesamos en la
interacción entre el huésped animal no vertebrado y
el hongo patógeno de plantas y humanos, evaluada
a la temperatura fisiológica de mamíferos, la cual
nos permitió evaluar estadísticamente tanto la
capacidad del huésped para resistir el patógeno
fúngico, como la habilidad del hongo para resistir la
36
respuesta inmune del insecto. Para lograr este
propósito se utilizó hemolinfa de larvas de G.
mellonella retadas con diferentes concentraciones
de conidias del hongo, las cuales se colocaron en
medio de crecimiento del hongo y se evaluó la
capacidad de las muestras de hemolinfa para
inhibir el crecimiento y desarrollo de F. oxysporum.
El estudio de la interacción huésped-patógeno de
estos dos organismos considerados modelo,
contribuye a una compresión más cercana de la
interacción de los mamíferos con este patógeno
fúngico que es capaz de atravesar las barreras de
los reinos biológicos.
2.
2.3 Determinación de la actividad antifúngica de
la hemolinfa de larvas retadas
Se incorporaron 100 μL de cada una de las
muestras de hemolinfa inmune de larvas de G.
mellonella en tubos que contenían 20 mL de PDA
mantenido a 45°C, para evitar su solidificación.
Cada tubo se homogeneizó por agitación manual y
se vertió su contenido en cajas de Petri
esterilizadas. Se cortaron discos de micelio de 6
mm de diámetro de un cultivo joven del hongo y se
inocularon sobre las cajas de forma invertida para
que el micelio tuviera contacto directo con el agar.
Las cajas se incubaron a 25°C en la oscuridad.
Pasados siete días me midieron los diámetros de la
zona de crecimiento. Se utilizó un control de
crecimiento del hongo en PDA (Control) y un
control de inhibición del crecimiento con Fluc
(fluconazol) 100 ȝg/mL. Se determinó el efecto
antimicrobiano de las muestras de hemolinfa sobre
F. oxysporum, mediante la medición de la tasa de
inhibición del crecimiento usando la fórmula de la
ecuación (1) [36]:
Materiales y Métodos
2.1 Material Biológico
Tres grupos de larvas de G. mellonella criadas en
nuestro laboratorio con dieta artificial, con peso
corporal entre 230-330 mg y en el último estadío de
desarrollo, se infectaron con la cepa de F.
oxysporum aislada por el GIEM en campo,
certificada por el CIMIC y mantenida en PDA. El
4
primer grupo de larvas se infectó con 1x10
6
conidias/mL, el segundo grupo, con 1x10
conidias/mL y en el tercer grupo se hizo doble
estimulación,
primero
se
pre-inoculó
con
Lactobacillus plantarum (ATCC 8014), se incubó a
6
25°C por 24 horas y después se infectó con 1x10
conidias/mL del hongo. Los tres grupos de larvas
se incubaron por 48 horas a 37°C, en la oscuridad.
Se realizaron los experimentos en tres réplicas
independientes [23, 33]. Pasadas las 48 horas, se
extrajo la hemolinfa de las larvas retadas y se
procesó para obtener hemolinfa libre de hemocitos
[34, 35].
ܶ =
‫ ݇ܦ‬െ ‫ܦ‬0
× 100
‫݇ܦ‬
(1)
Dk: Diámetro de la colonia de hongos del Control
(mm)
D0: Diámetro de la colonia de hongos en presencia
de la hemolinfa (mm)
T: tasa de inhibición del porcentaje de crecimiento
del micelio
2.4 Recuento de conidias.
Se tomó un área de 5 mm de diámetro de la zona
de micelio uniforme de cada uno de los cultivos al
décimo día de crecimiento, y se colocó en un tubo
esterilizado con 1 mL de agua peptonada, más una
gota de Tween-20 y se sonicó durante 30 minutos
para asegurar la liberación de conidias. Luego se
tomaron 10 ȝL de cada tubo y se realizó el recuento
de conidias con cámara de conteo Neubauer
Improved [37].
2.2 Identificación de las muestras
Las muestras de hemolinfa retada y los controles
se denominaron tratamientos y se identificaron
como: Control para el control positivo de
crecimiento; Fluc (fluconazol) para el control
4
negativo de crecimiento; HF10 para la hemolinfa
4
6
retada con 1x10 conidias/mL; HF10 para la
6
6
hemolinfa retada con 1x10 conidias/mL y HBF10
para la hemolinfa inoculada con L. plantarum
4
seguido de inoculación de 1x10 conidias/mL de F.
oxysporum.
2.5 Análisis estadístico
Se elaboró un diseño experimental de un sólo
factor
con
efectos
fijos,
completamente
aleatorizado. Se realizó un análisis de varianza de
una vía, con su respectiva tabla y se probó la
significancia de los efectos de los tratamientos. Se
trabajó con D = 0.05. La validación del modelo se
llevó a cabo mediante la verificación de los
supuestos del modelo y se realizó por tres partes:
37
la normalidad, la independencia y la homogeneidad
de la varianza. Primero se realizó el cálculo de
normalidad y se graficó la banda de confianza en
un gráfico QQplot. Igualmente se efectuó la prueba
de Shapiro-Wilk para el cálculo de normalidad con
hipótesis Ho: donde los errores tienen distribución
normal y H1: donde los errores no tienen
distribución normal. Luego se realizó la prueba de
Independencia donde se compararon residuales
contra índices con la prueba de Durbin-Watson.
Para medir la homogeneidad de la varianza
(homocedasticidad) se graficaron los residuales
versus los ajustados y se verificó con la prueba de
Levene para paramétricos, y la prueba de FlignerKilleen para no paramétricos. Una vez verificados
los supuestos, se planteó la prueba F para las
medias del crecimiento de las muestras. Finalmente
se realizó la prueba de comparaciones múltiples,
con la prueba de Dunnett. Para todo el análisis del
modelo se utilizó el paquete estadístico R [38]
versión 3.1.0.
3.
presentan distribuciones cuya mediana es diferente
de la mediana del Control (control positivo) y del
control negativo Fluc (fluconazol).
A
B
Resultados
3.1 Actividad anti-fúngica de la hemolinfa de
larvas retadas
Se determinó cuantitativamente la actividad
antimicrobiana de las muestras de hemolinfa y de
los controles, mediante la evaluación de la tasa de
inhibición, como se observa en la figura 1A. El gris
oscuro, representa el porcentaje de crecimiento del
hongo y el gris claro, indica la inhibición que
produjeron las muestras de hemolinfa y el
fluconazol sobre el crecimiento de F. oxysporum.
6
La muestra de hemolinfa HBF10 presentó mayor
inhibición del crecimiento del hongo, seguida de
6
4
HF10 y HF10 presentó la menor inhibición de las
tres muestras de hemolinfa retadas.
Fig. 1. A. Efecto de las muestras de hemolinfa de
larvas de G. mellonella retadas con conidias de
hongo, sobre el crecimiento de F. oxysporum, en
gris oscuro se muestra el crecimiento y en gris claro
la inhibición. B. Recuento de conidias/mL.
Verificación de los supuestos del modelo (con un
nivel de significancia de D = 0.05): los supuesto de
normalidad: de la figura 2B, muestra el gráfico
Cuantil-Cuantil (QQ-plot) con IC95%, se observa
que los residuales están concentrados alrededor de
la recta de igualdad de cuantiles. Con el test de
Shapiro-Wilk, se obtuvo un valor-p = 0.2541 < 0.05
que indicó normalidad.
El recuento de conidias pasados diez días de
desarrollo de F. oxysporum en PDA, con las
diferentes muestras de hemolinfa y los controles se
muestra en la figura 1B. Se observa descenso de la
concentración de conidias de izquierda hacia
derecha.
Supuesto de independencia: la figura 2C muestra la
gráfica de Residuales vs Índices, no se observan
tendencias ni patrones, y los residuales están
distribuidos homogéneamente alrededor del cero.
Con la prueba adicional de Durbin-Watson, se
obtuvo un valor-p = 0.1329 > 0.05 que indicó que
los datos eran independientes.
3.3 Análisis estadístico
El análisis de varianza de la figura 2A, muestra el
diagrama de cajas y bigotes (boxplot) para los
datos. Ningún boxplot presenta valores extremos.
También se observa que las muestras de hemolinfa
38
A
B
C
D
Fig. 2. Análisis de varianza y verificación de supuestos
A. Diagrama de análisis de varianza que muestra la variabilidad de los diámetros. B. La normalidad se
observa mediante el gráfico Cuartil-Cuartil (QQ-plot) con intervalo de confianza de 95%. C. La independencia
de los datos se determinó con la gráfica de Residuales vs Índices. D. La homogeneidad de varianza se
observa en la gráfica de Residuales vs Ajustados.
39
Supuesto de homocedasticidad: la figura 2D
muestra la gráfica de Residuales vs Ajustados,
donde se aprecia variabilidad en los residuales de
4
6
HF10 ; se observa menor dispersión en HBF10 ,
6
mientras que en HF10 no se presenta dispersión.
Con las dos pruebas adicionales para verificar
homocedasticidad se obtuvieron valores-p menores
que 0.05, Levene (valor-p = 0.5271) y FlignerKilleen (valor-p = 0.4933) Los valores-p indicaron
homogeneidad de varianza en los errores.
4.
Discusión
4.1 Actividad anti-fúngica de la hemolinfa de
larvas retadas
Una alternativa para el estudio del versátil patógeno
fúngico, F. oxysporum, es otro organismo
igualmente adaptable: G. mellonella, que gracias a
su eficaz respuesta inmune innata, ofrece varias
ventajas, entre ellas, desarrollarse a temperaturas
en los límites de 25 a 37°C. La posibilidad de
estudiar patógenos a 37°C, permite el estudio de
rasgos de virulencia relacionados con la
temperatura. Las larvas son fácilmente inoculadas
por inyección, lo que permite entregar una cantidad
exacta de células fúngicas, que es más ventajoso
que el método alimenticio de inoculación usado con
otros huéspedes no mamíferos. La hemolinfa de G.
mellonella posee un complejo sistema celular
(hemocitos), que desempeña un papel fundamental
en la defensa contra patógenos fúngicos. [33, 39,
40]. Además, la talla relativamente grande de estas
larvas las hace más fáciles de manejar y convierte
a Galleria en un modelo atractivo de usar, cuando
se
requieren
inyecciones
repetidas
de
microorganismos o de compuestos antimicrobianos.
La prueba F para las medias del crecimiento de los
tratamientos, indicó que todas las medias fueron
diferentes y por lo tanto los efectos de los
tratamientos fueron significativos. Se construyó la
tabla ANOVA, con un nivel de significancia de D =
0.05, obteniéndose un valor-p < 0.01, que confirmó
que los efectos de los tratamientos no fueron nulos.
Fig. 3. Análisis ANOVA, datos directos de programa
R.
Con la prueba de comparaciones múltiples de
Dunnett (figura 4), se comparó la media de
crecimiento de cada tratamiento frente a la media
de crecimiento del Control positivo, el valor-t (tvalue) que se obtuvo fue mayor que el cuantil Q
esperado (Quantile = 2.8909). Se concluye que
todas
las
diferencias
de
medias
son
estadísticamente significativas a un nivel de
significancia de D = 0.05.
Fig. 4. Prueba de comparaciones múltiples de
Dunnett, datos directos de programa R
El IC95% para cada una de las diferencias de
medias respecto al Control positivo (figura 5),
muestra que el cero no está en ningún IC95%, lo
que confirma que la media de crecimiento de cada
tratamiento es diferente a la media de crecimiento
del control positivo (figura 6).
Fig. 5. Prueba de diferencia de medias. La grafica
se obtiene con el test de Dunnett, corrido y
graficado en R.
40
conidias por mL es directamente proporcional al
porcentaje de crecimiento del hongo.
4.3 Significancia estadística
El diagrama de cajas y bigotes (boxplot) de la figura
2A para el análisis de varianza mostró, que ningún
boxplot presentó valores extremos. El boxplot
Control (control positivo) evidenció una distribución
con valores de crecimiento muy altos, lo que es
consecuente con que el hongo no tiene ningún
agente antimicrobiano que lo haya inhibido; el caso
contrario se observó en el boxplot de Fluc (control
negativo), en donde el hongo creció muy poco por
efecto del antimicótico. Respecto a
los
tratamientos, se observó que se presentó muy poca
6
6
variabilidad en HF10 y HBF10 , lo que indica un
efecto de inhibición del crecimiento casi constante,
6
aunque HBF10 se presenta con valores menores,
como efecto de la inoculación previa con la bacteria
láctica, desencadenando una mayor actividad
antimicrobiana en la hemolinfa y limitando el
4
crecimiento del hongo. El tratamiento HF10 es el
que presentó mayor variabilidad, lo que coincide
con el hecho de que ésta hemolinfa presentó la
menor actividad antimicrobiana.
Fig. 6. IC95%. Datos directos del programa R
Los volúmenes grandes de hemolinfa de las larvas,
facilitan los análisis bioquímicos, y el hecho de que
puedan ser incubados a 37°C, en última instancia,
los califica como modelos más exactos de
interacción [32, 33]. F. oxysporum se caracteriza
por producir colonias de rápido crecimiento, con
una tasa diaria cercana a un centímetro en medio
agar papa dextrosa a 25°C [1], por lo tanto el
método
de
contacto
directo
permitió
la
cuantificación de la actividad de la hemolinfa. La
muestra de hemolinfa procedente de larvas
inoculadas previamente con la bacteria láctica L.
6
plantarum, con posterior infección con 10
conidias/mL de F. oxysporum (figura 1A), presentó
el mayor porcentaje de inhibición; de todas las
muestras de hemolifa en tanto que la muestra que
causó menor inhibición fue la hemolinfa retada con
4
10 conidias/mL. El empleo de la bacteria láctica
sirve para estimular la respuesta inmune de las
larvas previamente a la infección fúngica, como lo
realizan los estudios de Begin et al. 2006 [33],
quienes demostraron que la pre-exposición de
larvas de G. mellonella a Saccharomyces
cerevisiae aumentó su respuesta inmune frente a la
infección con Candida albicans. Se encontró
igualmente que el fluconazol causó un efecto
fungistático en la cepa de F. oxysporum aislada de
suelo, puesto que al inicio del ensayo (datos no
mostrados), se inhibió el crecimiento del hongo, sin
embargo pasados tres días el hongo creció, pero
en menor proporción que el control positivo de
crecimiento, debido a la concentración del
fluconazol empleada.
Evaluación del modelo estadístico: considerando
que se tiene un sólo factor el cual fue el crecimiento
del hongo, con 5 tratamientos (muestras y
controles), y que en cada uno de éstos se tienen 3
observaciones, se puede decir que el diseño fue
balanceado. Se observó que el crecimiento (en
mm/día) es función de una media global, también
del efecto asociado a cada uno de los tratamientos,
los cuales son significativos y de un error aleatorio
normal no controlable pero minimizado.
Verificación de los tres supuestos del modelo (se
empleó con un nivel de significancia de D = 0.05):
i- Supuesto de normalidad: “los errores fueron
normales e idénticamente distribuidos”.
En el gráfico Cuantil-Cuantil (QQ-plot) con su
banda de confianza de 95%, mostrado en la figura
2B, se observó que los residuales están
concentrados alrededor de la recta de igualdad de
cuantiles y no se observaron colas pesadas, lo cual
es indicativo de normalidad. Adicionalmente se
realizó el test de Shapiro-Wilk, cuya hipótesis nula
fue Ho: los errores tienen una distribución normal,
obteniéndose un valor-p = 0.2541 siendo menor de
0.05, por lo tanto no se rechaza Ho, es decir, se
En la figura 1B, al comparar las muestras de
hemolinfa con reto fúngico tanto con el Control de
crecimiento (máximo recuento de conidias) como
con el control de inhibición Fluc (mínimo recuento
de conidias), se encontró el mayor número de
4
conidias/ mL en HF10 , el número de conidias
6
6
disminuyó en HF10 , y fue menor en HBF10 se
observa una relación inversamente proporcional al
porcentaje de la inhibición producido por las
diferentes muestras de hemolinfa con reto fúngico,
es decir, a mayor inhibición del hongo, menor
recuento de conidias por mL. La cantidad de
41
concluye que los errores del modelo estuvieron
normalmente distribuidos.
menos un tratamiento con efecto no nulo. Se valida
que todas las medidas de crecimiento fueron
diferentes y que los efectos de los tratamientos no
fueron nulos.
ii- Supuesto de independencia: “los datos son
independientes”.
La figura 2C corresponde a la gráfica de Residuales
vs Índices, en la que no se observó tendencias ni
patrones, y se ve que los residuales estuvieron
distribuidos casi homogéneamente alrededor del
cero, lo que indica que los datos muestrales fueron
tomados aleatoriamente. Así, podemos concluir que
el supuesto de independencia se cumplió y esto se
debió a que se hizo una adecuada aleatorización
para llevar a cabo el experimento. Adicionalmente
se realizó el test de Durbin-Watson, cuya hipótesis
nula fue Ho: la autocorrelación de los datos es igual
a cero y la hipótesis alternativa fue Ha: la
autocorrelación de los datos es diferente de cero (lo
que por la normalidad de los errores implica que los
datos son independientes), donde se obtuvo un
valor-p = 0.1329 que es mayor de 0.05, lo cual
indica que no se rechaza Ho, es decir, concluimos
que se considera que los datos fueron
incorrelacionados, y por tanto los datos fueron
independientes.
Se procedió a construir la tabla ANDEVA, Figura 3
(o ANOVA, por sus siglas en inglés) con un nivel de
significancia de D = 0.05, en donde vemos que el
valor-p < 0.01, lleva a rechazar Ho, concluyéndose
que a un nivel de significancia de D = 0.05 los
efectos de los tratamientos no fueron nulos, es
decir fueron significativos, dicho de otra forma, las
medias de crecimiento en cada tratamiento fueron
distintas para al menos una pareja de tratamientos.
Posteriormente se realizó la prueba de
comparaciones múltiples de Dunnett (figura 4), la
cual se debe utilizar cuándo se pretende comparar
los tratamientos con un control, como fue nuestro
caso. Se observó que al comparar la media de
crecimiento de cada tratamiento frente a la media
de crecimiento del Control positivo, el valor-t (tvalue), en valor absoluto, fue mayor que el cuantil
Q esperado (Quantile = 2.8909), por lo tanto todas
las diferencias de medias resultaron ser
estadísticamente significativas a un nivel de
significancia de D = 0.05, lo cual fue confirmado por
los valores-p < 0.01. Además, los signos negativos
de los valores de diferencias de media estimados
confirmaron que el promedio de crecimiento del
control fue el más alto de todos los tratamientos.
iii- Supuesto de homocedasticidad: “existe
homogeneidad de varianza en los errores”.
La figura 2D muestra la gráfica de Residuales vs
Ajustados, en la que se observó que no se presentó
6
variabilidad en los residuales de HF10 , y que se
presentó menor dispersión en los residuales de
6
HBF10 , aunque no fue muy distinta a la
presentada por los otros tratamientos, lo que indicó
que hubo homogeneidad en la varianza.
Adicionalmente se realizaron dos pruebas para
verificar
homocedasticidad,
cuya
hipótesis
alternativa fue Ha: existen al menos dos muestras
con varianza diferente, una paramétrica (prueba de
Levene, valor-p = 0.5271) y una no paramétrica
(prueba de Fligner-Killeen, valor-p = 0.4933). Los
valores-p menores que 0.05 indicaron que no se
rechaza Ho, es decir, concluimos que se presentó
homogeneidad en la varianza en los errores.
Se calculó además el IC95% para cada una de las
diferencias de medias respecto al Control positivo
(figura 5). Se observó que el cero no estuvo
incluido en ningún IC95%, lo que confirma que la
media de crecimiento de cada uno de los
tratamientos del hongo fue diferente a la media de
crecimiento del control positivo de crecimiento del
hongo, como se observó en la figura 6.
5.
Conclusiones
Los extractos de hemolinfa inmunizada de G.
mellonella, por reto fúngico producen inhibición in
vitro del crecimiento de F. oxysporum en medio
clásico para hongos (PDA), aun tratándose de
muestras crudas de hemolinfa, es decir, sin ningún
tipo de tratamiento posterior a la extracción y que
se encuentran en el medio PDA bastante diluidas,
estas hemolinfas impiden el normal crecimiento del
hongo.
Una vez verificados los supuestos, se planteó la
prueba F para las medias del crecimiento de los
tratamientos, la cual fue Ho: las medias de
crecimiento de todos los tratamientos son iguales, y
Ha: existen al menos un par de tratamientos con
medias de crecimiento distintas, que sería los
mismo que decir que en Ho: todos los efectos de
los tratamientos son iguales y nulos y Ha: existen al
42
El análisis de varianza, la evaluación de supuestos,
las pruebas de Dunnett y F, de los datos de
diámetros tomados al día 7, y la homogeneidad o
poca dispersión de las medias, nos permiten
concluir, que los ensayos de inhibición fueron
consistentes y que el valor de inhibición fueron
significativos. De esta forma esta investigación
permite encarar un estudio más complejo que
incluya dosis dependencia y concentración mínima
inhibitoria.
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Fusarium oxysporum as a Multihost Model for the
Genetic Dissection of Fungal Virulence in Plants
El presente estudio contribuye a consolidar el
modelo patógeno-huésped entre F. oxysporum y G.
mellonella, como una herramienta para estudios de
patogenicidad de hongos trans-reino. Los
resultados y los análisis estadísticos muestran que
el modelo es equilibrado y reproducible.
Ensayos previos in vivo, mostraron que G.
6
mellonella sobrevive el ataque del hongo hasta 10
conidias/mL, y la posibilidad de que los extractos de
hemolinfa funcionen fuera del organismo, abre una
perspectiva frente al estudio del control del
patógeno trans-reino F. oxysporum.
6.
Agradecimientos
Al posgrado de Química Farmacéutica de la
Universidad de Antioquia. Al fondo de Estrategia de
Sostenibilidad 2011-2012, para el grupo GIEM de la
Vicerrectoría de Investigaciones de la Universidad
de Antioquia. A Diego Chávez por su valiosa ayuda
con el manejo del paquete R y el análisis
estadístico.
7.
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45
46
VARIABILIDAD ESPACIAL DEL GRADO DE REPELENCIA AL
AGUA EN UN ANDISOL DE ANTIOQUIA BAJO COBERTURA DE
Pinus patula
1
Daniel f. Jaramillo J. , Bibiana Caballero M.
2
1
Profesor Titular. Universidad Nacional de Colombia. Escuela de Geociencias. Calle 59A N° 63-20 Bloque 14
Oficina 238, Medellín. E-mail: [email protected]
2
Profesora de Cátedra. Universidad Nacional de Colombia. Escuela de Geociencias. Medellín
[email protected]
RESUMEN
En un Andisol de Antioquia, con cobertura de Pinus patula, muestreado sistemáticamente con dos intensidades
en mallas de 5*5 m y 1*1 m, y sometido a varias temperaturas de secado en el laboratorio, se estudió la
variabilidad espacial de la severidad de la repelencia al agua. No hubo correlación entre la severidad de la
repelencia al agua en una determinada condición de secado y la humedad de la muestra en esa condición, ni
entre la severidad y el espesor de la capa de acículas acumulada sobre el suelo.
Al aumentar el secado del suelo aumentó la magnitud de la severidad pero disminuyó su variabilidad. Sólo se
presentó dependencia espacial, alta y de rango corto, cuando el suelo se secó a 75 °C o más. En la malla de
1*1 m, con muestras secadas al aire, se detectó una distribución superficial de la repelencia al agua en parches
pequeños.
Palabras clave: Geoestadística, Kriging, Porcentaje de etanol, Semivarianza, Severidad de la repelencia al
agua.
th
th
SPACE VARIABILITY FOR THE DEGREE OF WATER REPELLENCY IN AN ANDISOLES WITH Pinus
patula COVERAGE LOCATED IN ANTIOQUIA
ABSTRACT
The spatial variability of the water repellency severity was studied in an Andisol of Antioquia, planted with
Pinus patula, sampled systematically with two intensities in grids of 5*5 m and 1*1 m, and subjected to
several drying temperatures in the laboratory. There was no correlation between the severity of water
repellency in a certain condition of drying and moisture of the sample in that condition. No significant
statistical correlation was found between the thick of the litter bed accumulated over the soil.
When soil drying was increased, the magnitude of severity was also increased but the variability decreased.
Only spatial dependence, high and short range, was presented when the soil was dried at 75 °C or more.
Superficial distribution of the water repellency in small patches was detected in the grid of 1*1 m, for air dried
samples.
Key words: Geostatistics, Kriging, Percentage of ethanol, Semivariance, Severity of the water repellency.
47
1.
[22], [3], [6], [7], [11], [23] y [8] encontraron que en
suelos arenosos de dunas en Holanda, con
cobertura herbácea, se presentaba una amplia
variación en el WDPT de muestras, tanto
superficiales como subsuperficiales, en cortas
distancias horizontales y verticales. [3] y [5] tuvieron
una alta variabilidad espacial de rango muy corto
en los valores de repelencia al agua evaluada con
el método del porcentaje de alcohol, en suelos de
Holanda.
INTRODUCCIÓN
La repelencia al agua en el suelo es una función de
su química superficial y más específicamente, de la
energía libre de la interface sólido-gas en el suelo.
El grado de resistencia que opone el suelo al
humedecimiento, durante un tiempo de contacto
limitado entre él y el agua, se denomina severidad
o grado de la repelencia al agua [1] y desde 1981
se evalúa estableciendo la concentración de la
solución de etanol que entra al suelo en 10
segundos, expresándola como molaridad: Molarity
of Ethanol Droplet, método conocido como MED [2].
[3] cambiaron la manera de definir las
concentraciones de la solución de molaridad a
porcentaje y redefinieron el grado de repelencia
como el menor porcentaje de alcohol de la solución
de etanol que penetra en el suelo en 5 segundos o
menos. Aparte de la severidad, la repelencia al
agua también se mide en términos de persistencia,
es decir, el tiempo que tarda en entrar una gota de
agua completamente en el suelo: Water Drop
Penetration Time (WDPT) [4].
En Andisoles con cobertura de Pinus patula,
Cupressus lusitanica y Quercus humboldtii, [12],
[13], [24] y [25] encontraron alta variabilidad
espacial en el WDPT, tanto superficial como en
profundidad, de rango muy corto (pocos
centímetros). También [16] detectaron una alta
dependencia espacial en el WDPT medido en
Calcic Chernozems sometidos a pastoreo con
ovejas y cabras. La hidrofobicidad presentó
coeficientes de variación entre 17 % y 58 %,
dependió del estado de humedad de las muestras y
se
correlacionó
significativamente
con
la
conductividad hidráulica, la resistencia al corte, con
los contenidos de arena, limo y carbono orgánico, y
con la densidad aparente. Además, junto con otras
variables hidrológicas, la hidrofobicidad fue
identificada como una función espacio-temporal
compleja.
Tanto el grado como la persistencia de la
repelencia al agua en el suelo presentan una alta
variabilidad, tanto aleatoria como sistemática, y
dentro de esta última, temporal y espacial [3], [5],
[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16].
[10] estudiaron la distribución espacial de la
repelencia al agua, hasta 30 cm de profundidad, en
suelos afectados por derrames de petróleo, y
encontraron una alta variabilidad en los valores de
MED, sin que pudieran definir claramente
gradientes laterales y/o verticales en ellos.
El fenómeno de la repelencia al agua se presenta
frecuentemente en forma de parches, lo que de por
sí ya implica una variabilidad (aunque no
necesariamente
dependencia)
espacial
de
consideración. [17], [12], [18] y [19], encontraron
parches con diferentes grados de hidrofobicidad, de
centímetros a decímetros, alternando con suelo
completamente humectable en Andisoles de
Antioquia. [10] describen parches hidrofóbicos de
entre 0.03 a 6.4 ha, con una mediana de 0.38 ha,
en suelos de Canadá y [15] demostraron que la
hidrofobicidad se presentaba en parches desde
2
centimétricos hasta de más de 10 m en suelos
sometidos a incendios en Montana y Colorado,
USA.
[26] estudiaron el comportamiento de los valores
del MED a medida que se iban alejando del tronco
de árboles de eucalipto haciendo las evaluaciones
y encontraron que la repelencia al agua disminuía
al aumentar la distancia a la planta. Esta tendencia
la observaron en las dos profundidades que
estudiaron (3 y 8 cm). Además, obtuvieron
diferencias estadísticamente significativas entre los
valores de MED registrados a 5, 40 y 100 cm de
distancia del tronco, en las 25 ocasiones en que
realizaron las medidas en campo durante un año.
De los primeros trabajos en que se ha cartografiado
la variabilidad espacial de la repelencia al agua en
suelos están los de [20] y [21], en plantaciones de
cítricos de La Florida. Encontraron cuerpos de
suelo difíciles de humedecer, de tamaño
considerable, alrededor de los árboles que
afectaban su producción.
[27] encontraron variabilidad espacial alta en el
MED de Oxisoles y Ultisoles de la Amazonia
brasilera con cobertura de bosque y de pasto
Brachiaria brizantha, después de que la cobertura
fue sometida a incendio. La hidrofobicidad fue
48
disminuyendo a medida que aumentaba el tiempo
desde el incendio y el cambio fue más rápido en los
suelos con pastos que en los de bosque.
En los Andisoles de la cuenca de la quebrada
Piedras Blancas se ha evaluado la variabilidad
espacial de la persistencia de la repelencia al agua
(WDPT) pero no se ha hecho esta evaluación con
la severidad de la misma. Con este trabajo se
estudió la dependencia espacial de la severidad de
la repelencia al agua, expresada como % de la
solución de etanol que penetró en menos de 5
segundos, en un Andisol de dicha cuenca con
cobertura de Pinus patula, sometido a varias
temperaturas de secado en el laboratorio.
2.
2.1.
Descripción y localización del área de
estudio
El estudio se realizó en el lote La Chavarra,
localizado en la cuenca hidrográfica de la quebrada
Piedras Blancas a 17 km al oriente de Medellín, en
las coordenadas planas 1185311 de latitud Norte y
841466 de longitud Oeste. Tiene cobertura vegetal
de Pinus patula de más de 30 años de edad, una
pendiente promedia de 10 % y una capa de
acículas de 8 cm en promedio (Figura 1). Los
suelos son Andisoles fuertemente ácidos, con bajo
contenido de bases y de fósforo, altos en materia
orgánica y en aluminio intercambiable, y tienen un
bajo nivel de fertilidad. La cuenca tiene 2911 ha,
altitudinalmente está ubicada entre los 2340 y 2680
msnm, presenta una precipitación promedia anual
de 1815 mm, con distribución bimodal, y una
temperatura media anual de 14.7°C [28].
Figura 1. Aspecto general del lote experimental y
mallas de muestreo.
2.2.
Muestreo
En vista de que la hidrofobicidad se presenta en
forma de parches pequeños en la cuenca [17], se
hizo un muestreo intensivo del suelo en dos mallas
regulares con espaciamiento diferente: una con
cuadrícula de 5x5 m, y otra de 1x1 m, incluida en la
primera (Figura 1). Con este diseño se tomaron 81
muestras separadas a 5 m, y 121 muestras
separadas a 1 m, para un total de 193 muestras (9
pertenecen a las dos mallas simultáneamente). Las
muestras se tomaron con barreno de los primeros
10 cm del suelo mineral, inmediatamente debajo de
la capa de acículas acumulada en la superficie.
2.3.
Procedimiento
La variable a medir fue la severidad de la
repelencia al agua, mediante el método del % de
alcohol etílico (PE) de la solución acuosa de éste
que penetró en el suelo en 5 segundos o menos.
Se prepararon soluciones de etanol con
concentraciones de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12.5 y
15% y, en adelante, soluciones con incrementos de
2.5 % de etanol hasta llegar a una concentración de
35 %, con base en volumen [3].
Después de materializar las cuadrículas de
muestreo, en cada uno de los sitios seleccionados
se procedió a remover la capa de acículas presente
49
(Figura 1), se midió su espesor (EA) y se hizo una
prueba rápida de hidrofobicidad por el método del
WDPT, tomando el tiempo promedio de entrada de
tres gotas de agua en el suelo como valor de la
persistencia de la repelencia al agua. Para esta
prueba se tuvo como tiempo máximo de
observación 300 segundos y aquellos sitios en
donde el agua entró en menos de 5 segundos se
consideraron humectables. A continuación se tomó
una muestra del suelo con un barreno holandés, la
cual se empacó inmediatamente en una bolsa
plástica hermética.
Tabla 1. Clasificación de la severidad de la
repelencia al agua medida por el método del % de
etanol, propuesta por [3].
Clase*
1
2
3
4
Las muestras recolectadas se trajeron al laboratorio
de suelos de la Universidad Nacional de Colombia,
se tomó una submuestra para determinar el
contenido de humedad gravimétrica de campo (Hc)
y el resto de la muestra se dejó secar al aire
durante tres días. Una vez que las muestras
estuvieron secas al aire se tamizaron a 1 mm [1],
se les determinó el contenido de humedad
gravimétrica (Ha) y se procedió a determinar el
grado de repelencia de cada una seca al aire
(PEa), colocando suficiente cantidad de suelo en
una caja de Petri y adicionándole gotas de solución
de etanol de diferente concentración hasta
encontrar aquella que penetró en el suelo en
menos de 5 segundos. Después se llevó la muestra
al horno, a 30 °C, durante tres días, se retiró del
horno y se le determinó el grado de repelencia de la
forma en que se indicó anteriormente (PE30). Se
tomó una submuestra para determinar el contenido
de humedad gravimétrica del suelo seco a 30 °C
(H30). Todo el proceso desde el secado al horno
descrito se repitió para secar las muestras a 50 °C,
75 °C y 105 °C y determinar en cada una el grado
de repelencia (PE50, PE75 y PE105) y la humedad
gravimétrica (H50 y H75) correspondientes. La
severidad de la repelencia al agua se clasificó de
acuerdo con la propuesta hecha por [3] y la cual se
presenta en la Tabla 1.
5
6
Categoría*
No repelente
Ligeramente
repelente
Moderadamente
repelente
Fuertemente
repelente
Severamente
repelente
Extremadamente
repelente
Valores del %
de etanol en la
solución (PE)
0
1-3
4-6
7 - 14
15 - 20
> 20
* Ni las clases ni los nombres fueron propuestos
por los autores de la clasificación; son propuestos
por [19].
A todas las variables se les hicieron análisis de
variabilidad espacial que incluyeron la confirmación
de los supuestos de normalidad en la distribución,
mediante el estadístico de Shapiro-Wilk, y de
estacionaridad en los datos, con base en una
regresión múltiple cuadrática entre la variable
medida y las coordenadas de cada punto de la
malla [29], [30] y [31]. Se obtuvieron los
semivariogramas que modelaron la estructura
espacial y se hicieron mapas por interpolación
kriging para aquellas variables que presentaron
dicha estructura espacial. Los mapas de las
variables sin dependencia espacial (modelo nugget)
se obtuvieron por interpolación con base en el
inverso de la distancia. Todos los análisis descritos
se hicieron en las mallas de 5 m y de 1 m,
independientemente, con el fin de determinar si
hubo efecto de escala en el comportamiento
espacial de las variables. Los análisis básicos se
hicieron con el programa Statgraphics Plus 5.1 y los
de variabilidad espacial con el GS+, versión 9.0.
2.4.
Análisis estadísticos
Se hicieron análisis exploratorios de los datos
obtenidos y se determinaron los estadísticos
básicos
que
caracterizaron
las
variables
estudiadas: media, mediana, desviación estándar,
valor máximo, valor mínimo, coeficiente de
variación y simetría. Además, se hicieron análisis
de correlación entre todas las variables para
establecer posibles relaciones de variación entre
ellas.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En condiciones de campo, 156 sitios no mostraron
repelencia al agua: presentaron un WDPT < 5
segundos; en 34 sitios se obtuvo un WDPT de 60
segundos y sólo en 3 se manifestó una repelencia
fuerte al agua, con un WDPT > 300 segundos. De
los 34 sitios que tuvieron WDPT igual a 60 s, 27 se
presentaron en la malla de 1 m, y de los 3 cuyo
50
WDPT fue > 300 s, dos estuvieron en esa misma
malla.
estudiados anteriormente [12], [32], [13], [33] y [24].
La capa de acículas fue delgada (Tabla 3), si se
compara con el promedio de 18.95 cm obtenido por
[17] de 77 sitios medidos en la cuenta.
Tabla 2. Estadísticos básicos de la severidad de la
repelencia al agua en los suelos, sometidos a
diferentes condiciones de secado (n = 193).
Estadístico*
PEa
PE30
PE50
PE75
PE105
Promedio
9.02
9.2
9.38
14.62
19.58
Mediana
8.0
8.0
10.0
16.0
20.0
DE
5.45
5.32
5.26
3.94
3.48
CV (%)
60.44
57.83
56.01
26.98
17.8
Mínimo
1.0
1.0
1.0
1.0
3.0
Máximo
22.0
22.0
22.0
23.0
28.0
Sesgo
1.66
1.57E11
1.36
1.77E10
1.24
3.02E9
-5.05
5.86E11
-7.3
3.33E16
p de W
A medida que se incrementó el secado de las
muestras aumentó la severidad general de la
repelencia al agua: cuando se secaron a 75 °C, un
poco más de la mitad de ellas estuvieron en las
clases 5 y 6 de severidad, es decir, se requirieron
concentraciones de más de 15 % de etanol en las
soluciones para que entraran en el suelo, y a 105
°C, el 93.26 % de los suelos estuvieron en dichas
clases (Figura 2). Este comportamiento ya había
sido descrito para el WDPT por [12] y por [13].
* DE: Desviación Estándar. CV: Coeficiente de
Variación. p de W: Valor p del estadístico de
Shapiro-Wilk para normalidad en la distribución de
los datos (si p > 0.05, la distribución es normal).
Tabla 3. Estadísticos básicos del espesor de la
capa de acículas y del contenido de humedad de
las muestras en diferentes condiciones de secado.
Estadístico*
EA
Hc
Ha
H30
H50
H75
Promedio
8.01
90.76
24.68
15.41
7.77
3.09
Mediana
7.8
94.83
23.22
15.26
7.72
3.06
DE
2.497
20.41
5.82
1.63
0.88
0.74
CV (%)
31.15
22.49
23.57
10.58
11.31
24.00
Mínimo
1.3
40.65
17.44
11.78
5.22
0.9
Máximo
16.6
127.98
57.1
22.78
10.73
7.23
Sesgo
2.87
-3.83
15.61
4.74
1.33
3.39
Figura 2. Frecuencia de distribución de las clases
de severidad de la repelencia al agua en un Andisol
de Antioquia secado a diferentes temperaturas.
Al hacer análisis de correlación entre las variables
estudiadas
no
se
encontró
relación
estadísticamente significativa entre los valores del
PE y el contenido de humedad de las muestras, en
las diferentes condiciones de secado en que se
trabajó, así como tampoco la hubo entre PE y el
espesor de la capa de acículas. Esto mismo
encontró [17] cuando evaluó la persistencia de la
repelencia al agua (WDPT) en la cuenca.
Variación.
Según la propuesta de clasificación de la Tabla 1,
la mayoría de las muestras estuvieron entre fuerte y
extremadamente repelentes al agua, en todos los
estados de humedad evaluados (Tabla 2). Además,
los coeficientes de variación fueron relativamente
altos; hubo dos condiciones de humedad en que la
distribución de los valores de PE fue asimétrica
(PE75 y PE105) y ninguna de las distribuciones de
los PE fue normal. Los contenidos de humedad de
las muestras en las diferentes condiciones de
secado fueron altos (Tabla 3), lo que coincide con
el comportamiento de los Andisoles de la cuenca
3.1.
Malla con cuadrícula de 5*5 m
En general el comportamiento de la severidad de la
repelencia al agua evaluada en esta malla fue muy
similar al observado en el conjunto total de
muestras (Tabla 4). Como se describió
anteriormente para el total de las muestras, en este
muestreo también al aumentar la intensidad del
secado aumentó el promedio de la concentración
de etanol para que la solución entrara en el suelo y
disminuyó el coeficiente de variación en las
medidas.
Tampoco
se
presentó
ninguna
51
distribución normal en el PE y dos valores de él,
PE75 y PE105 fueron, además, asimétricos.
Tabla 5. Análisis de semivarianza de los residuales
de la tendencia de la severidad de la repelencia al
agua en los suelos, bajo diferentes condiciones de
secado (Lag activo = 28.28 m, intervalo lag = 5 m,
pares en el lag 1 = 272).
En todas las condiciones de secado de las
muestras se presentó tendencia espacial entre el
respectivo PE y las coordenadas de los puntos de
muestreo (resultados no mostrados), por lo que fue
necesario hacer el análisis de semivarianza con los
residuales de la regresión [29], [30] y [34]. Los
resultados del análisis de dependencia espacial se
aprecian en la Tabla 5 y la Figura 3.
diferentes condiciones de secado (malla de 5*5 m,
n = 81).
Estadístico*
PEa
PE30
PE50
PE75
PE105
Promedio
9.46
9.58
9.9
14.68
19.78
Mediana
10.0
10.0
10.0
16.0
21.0
DE
6.23
6.14
6.03
4.98
4.60
CV (%)
65.91
64.09
60.95
33.91
23.25
Mínimo
1.0
1.0
1.0
1.0
3.0
Máximo
22.0
22.0
22.0
23.0
28.0
Sesgo
0.95
0.905
0.617
-3.25
-5.26
p de W
1.36E-5
4.26E-5
2.61E-4
3.77E-5
3.63E-9
Variable
Modelo
Nugget
Sill
Rango
(m)
C*/Sill
(%)
R2
(%)
PEa
Nugget
21.5
21.5
-
0
23.6
PE30
Nugget
20.7
20.7
-
0
36.1
PE50
Nugget
20.88
20.88
-
0
14.5
PE75
Esférico
0.51
12.37
10.08
95.9
81.2
PE105
Esférico
0.72
7.97
10.62
91
87.2
*C: Variabilidad estructurada.
Los resultados de la Tabla 5 muestran que sólo se
detectó dependencia espacial en la severidad de la
repelencia al agua cuando las muestras se secaron
a 75 y a 105 °C y que en las demás condiciones de
secado de las muestras la variabilidad fue
completamente aleatoria. Además, cuando se
presentó dependencia espacial, ésta fue muy alta
(C/Sill > 75%), teniendo en cuenta la clasificación
de [35].
Los mapas de la Figura 4 muestran que la
repelencia al agua en la parcela experimental
tiende a ser más severa en la parte inferior
derecha, la cual coincide, aproximadamente, con la
parte topográficamente más baja de la misma.
También se observa que al aumentar la intensidad
del secado se incrementa el área afectada por una
mayor severidad de la repelencia al agua, efecto
notado por [25].
Figura 3. Semivariogramas (seleccionados) de la
severidad de la repelencia al agua en muestras de
Andisoles tomadas en malla de 5*5 m, secadas al
aire y a 105 °C.
52
En los mapas de PEa y PE50 (Figura 4) se alcanza
a apreciar el desarrollo de parches en la
distribución de la severidad de la repelencia al
agua, patrón ampliamente documentado para la
persistencia de la misma, tanto en la cuenca de
Piedras Blancas [17], [12], [36] y [25],como en otros
sitios: Holanda [5], Alemania [14] y USA [15]. [10]
encontraron el mismo patrón de parches para el
MED en suelos afectados por derrames de petróleo
en Canadá.
3.2.
Malla con cuadrícula de 1*1 m
El comportamiento general de la severidad de la
repelencia al agua se mantiene muy similar al
descrito para la malla de 5*5 m, excepto que en la
de 1*1 m, la distribución de los valores de PE105
es simétrica (Tabla 6).
diferentes condiciones de secado (malla de 1*1 m,
n = 121).
Estadístico*
PEa
PE30
PE50
PE75
PE105
Promedio
8.69
8.91
9.0
14.59
19.46
Mediana
8.0
8.0
8.0
15.0
20.0
DE
4.74
4.59
4.54
2.95
2.34
CV (%)
54.51
51.5
50.47
20.23
12.03
Mínimo
1.0
1.0
1.0
3.0
14.0
Máximo
20.0
18.0
18.0
20.0
24.0
Sesgo
0.945
0.416
0.565
-3.125
-0.71
p de W
3.56E-5
1.8E-6
4.67E-6
4.376E-8
1.84E-5
En esta malla también se presentó tendencia
espacial del PE en todas las condiciones de secado
de las muestras y sólo se presentó estructura
espacial de la semivarianza en PE105, en las
demás medidas de PE toda la variabilidad fue
aleatoria (Tabla 7, Figura 5).
Al comparar los mapas producidos con la malla de
1*1 m (Figura 6), con los de la malla de 5*5 m
(Figura 4), se observan diferencias importantes
relacionadas con la escala de muestreo.
Figura 4. Mapas de isolíneas (seleccionados) de la
severidad de la repelencia al agua en Andisoles
muestreados en malla de 5*5 m y sometidos a
diferentes condiciones de secado.
53
Tabla 7. Análisis de semivarianza de los residuales
de la tendencia de la severidad de la repelencia al
agua en los suelos, bajo diferentes condiciones de
secado (Lag activo = 7.07 m, intervalo lag = 1 m,
pares en el lag 1 = 420).
2
Variable
Modelo
Nugget
Sill
Rango
(m)
C*/Sill
(%)
R
(%)
PEa
Nugget
19.64
19.64
-
0
41.5
PE30
Nugget
18.19
18.19
-
0
53.8
PE50
Nugget
17.3
17.3
-
0
29.5
PE75
Nugget
6.22
6.22
-
0
1.1
PE105
Exponencial
0.51
4.67
2.28
89.1
88.5
Residuales tendencia PEa
Semivarianza
20.8
15.6
10.4
5.2
0.0
0.00
2.36
4.71
7.07
Distancia (m)
Residuales tendencia PE105
Semivarianza
4.78
3.59
2.39
1.20
0.00
0.00
2.36
4.71
7.07
Distancia (m)
Figura 5. Semivariogramas (seleccionados) de la
severidad de la repelencia al agua en muestras de
Andisoles tomadas en malla de 1*1 m, secadas al
aire y a 105 °C.
Figura 6. Mapas de isolíneas (seleccionados) de la
severidad de la repelencia al agua en Andisoles
muestreados en malla de 1*1 m y sometidos a
diferentes condiciones de secado.
54
En la malla más densa se alcanzó a detectar el
patrón de parches típico de la distribución de la
repelencia al agua en la cuenca de Piedras Blancas
[17], [12], [36] y [25], sobre todo en el mapa de
PEa, más cercano a la condición de humedad que
puede caracterizar la repelencia del suelo en
campo, en época de verano (repelencia real).
Claramente hay un efecto de la escala en la
configuración estructural de la repelencia al agua
que debe ser tenido en cuenta para estudiar este
fenómeno, máxime sabiendo que dicha variabilidad
puede presentarse a escalas aún de milímetros [36]
y [14].
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4.
CONCLUSIÓN
El comportamiento estructural observado en este
trabajo hace pensar en que la severidad de la
repelencia al agua en Andisoles con cobertura de
Pinus patula presenta alta variabilidad, la cual
puede ser predominantemente aleatoria, aunque
queda la posibilidad de que también sea una
variabilidad espacial de rango muy corto, a nivel de
centímetros, como se ha observado en el WDPT.
Con métodos sencillos de interpolación como el
inverso de la distancia, en una malla densa de
muestreo, se puede detectar el patrón de
distribución de la severidad superficial del suelo en
el campo, en forma de parches.
Sería importante hacer estudios similares al que se
presenta, haciendo un muestreo sistemático con
mayor densidad para resolver dos aspectos
fundamentales: primero, si hay variabilidad espacial
de rango muy corto, y segundo, si se puede
mejorar la representación cartográfica de la
repelencia al agua en el suelo.
5.
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231-232: 105-111. 2000.
56
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA PLANIFICACIÓN DE
PROYECTOS INFORMÁTICOS BAJO EL ESTÁNDAR PMI
Sara María Romero
1
1
Magister en Administración de Proyectos, Coordinadora del programa de Ingeniería de Sistemas e
Investigadora del Grupo de Investigación GISOFT, Universidad de Santander – UDES, Cúcuta - Colombia.
Email: [email protected].
RESUMEN
Para nadie es un secreto que la inadecuada planeación de un proyecto causa pérdidas económicas, retrasos
en la entrega de los proyectos y debilita la imagen institucional, por lo que debe planearse de tal forma que
garantice las expectativas de calidad, costo y tiempo asegurando de esta manera el éxito del mismo.
Se presenta una propuesta metodológica para la Planificación de proyectos informáticos bajo el estándar
PMI, la cual puede ser usada en organizaciones que desarrollen proyectos de esta área. Para su desarrollo,
se hizo un diagnóstico de la situación actual de la planificación de proyectos en las empresas que gestionan
proyectos informáticos en la ciudad de San José de Cúcuta (NS); posteriormente se elaboró un análisis de
las herramientas y/o técnicas en la planificación de los proyectos incluidas en el PMBOK.
Palabras clave: Planificación, Proyecto, PMI.
Recibido: 21 de abril de 2014. Aceptado 30 de Junio de 2014.
st
th
METHODOLOGICAL PROPOSAL PLANNING COMPUTER PROJECTS UNDER THE PMI STANDARD
ABSTRACT
It is not secret that the inadequate planning in a project causes economic loss, delays in the delivery of
projects and weakens the institutional image, so it should be planned in such a way as to ensure the
expectations of quality, cost and time thus ensuring so its success.
A proposal for the Planning of IT projects under the PMI standard is presented hereby, it can be used in
organizations to develop projects in this area. An assessment of the current status of project planning in
companies managing IT projects in the city of San José de Cucuta (NS) was done for developing it. Then an
analysis of tools and / or techniques in planning projects included in the PMBOK was developed.
Key Words: Planning, Project, PMI.
57
1.
de desarrollo de software por subcontratación
en la empresa Bnvital S.A. [13].
INTRODUCCIÓN
El crecimiento del grado de innovación requerido
para mantener la cuota de mercado tanto en las
industrias tradicionales como en las de alta
tecnología resalta la importancia de las técnicas de
dirección y administración de proyectos [1] y un
buen plan determina el curso de acción para el
éxito del proyecto [2], siendo muy común participar
en uno o varios proyectos, algunos sencillos, otros
complejos y otros más de carácter personal [3].
El objetivo g e n e r a l de l a i n v e s t i g a c i ó n f u e
e l d e proponer una metodología para la
Planificación de proyectos Informáticos bajo el
estándar PMI que ayude en gran parte a la
ejecución exitosa de los proyectos con el alcance
establecido, dentro del tiempo y costo estimado,
cumpliendo en alto grado los criterios de calidad
propuestos y en el cual se cumplan las expectativas
de todos los involucrados del mismo.
Así mismo, a nivel mundial cada día es mayor el
número de empresas que trabajan por proyectos y
la mayor parte del crecimiento futuro en las
empresas seré el resultado de proyectos de
desarrollo exitosos que generan nuevos productos,
servicios o procedimientos [4].
2.
La investigación se desarrolló en dos fases, en la
primera fase se realizó un diagnóstico de la
situación actual de la planificación de proyectos en
las empresas que gestionan proyectos informáticos
en la ciudad de San José de Cúcuta, en la segunda
fase se hizo un estudio de la documentación
relacionada con proyectos y se analizaron las
herramientas y/o técnicas en la planificación de los
proyectos incluidas en el PMBOK, a partir de la cual
se diseñó la propuesta metodológica.
La propuesta metodológica nació como una
necesidad de la problemática a la que se ven
afrontadas la mayoría de las empresas de Cúcuta y
Norte de Santander, como es la ausencia de
metodologías exitosas
para desarrollar la
planificación de los proyectos en detrimento del
desarrollo de la región debido a que se pierden
muchos recursos por la deficiente estructuración de
los mismos.
Para realizar el diagnóstico se aplicó una
encuesta estructurada y se obtuvieron las
siguientes conclusiones:
Como antecedentes de la propuesta se tienen los
trabajos de investigación: Propuesta para una
metodología de gestión de proyectos
para
plataformas WEB en Aurora Technology On
Line [5]; Propuesta de metodología para la gestión
de proyectos de software siguiendo el estándar
PMBOK DEL PMI para la Universidad de Santander
UDES, Sede Cúcuta [6]; Propuesta de metodología
para la gestión de proyectos informáticos en GTI
Consultores SAS [7]; Metodología para el desarrollo
de
auditorías
informáticas
realizadas
por
Consultores de Tecnologías de Información, GTI
Consultores SAS [8], Propuesta de una
metodología de gestión de proyectos en Itecsa
Software S.A. [9], Modelo para la gestión de
recursos humanos en CIMA bajo los lineamientos y
mejores prácticas presentadas en el PMBOK del
Project Management Institute (PMI) [10], Plan de
proyecto para el desarrollo de estándares Web para
la empresa L.L.BEAN [11], Gestión de proyectos
ecoturísticos orientados al mercado internacional
con
impacto en el desarrollo local mediante
aplicación del estándar PMBOK [12], Propuesta de
metodología para la administración de proyectos
* Aunque se cuenta con avances en el diseño de
formatos para la definición e iniciación de
proyectos,
es necesario que se diseñen e
implemente la plantilla del Acta de Constitución
que estandarice los procesos de definición e
iniciación de proyectos que faciliten el posterior
seguimiento y control de los mismos.
* Actualmente no se encuentran estandarizadas
en todos los departamentos la plantilla de
definición del alcance WBS o EDT (Estructura
de Desglose del Trabajo), que permitan
establecer las actividades para su posterior
seguimiento y control.
* Se observa la inexistencia de formatos para la
evaluación del desempeño del equipo de trabajo
de un proyecto.
* No se evidencian procedimientos para la
administración del control de cambios de los
proyectos que se ejecutan.
58
* El 90% de las organizaciones no cuentan con
el plan de respuesta a los riesgos del proyecto.
un proyecto ya existente, mediante la obtención de
la autorización para comenzar dicho proyecto o
fase.
3.
Dentro de los procesos de iniciación, se define el
alcance inicial y se comprometen los recursos
financieros iniciales, se identifican los interesados
internos y externos que van a interactuar y ejercer
alguna influencia sobre el resultado global del
proyecto. Cuando el acta de constitución del
proyecto recibe aprobación, el proyecto se
considera autorizado oficialmente.
RESULTADOS
3.1 Marco teórico
Un proyecto es un desafío temporal que se enfrenta
para crear un único producto o servicio. Todo
proyecto tiene un resultado deseado, una fecha
límite y un presupuesto limitado [14]. En el PMBOK
se define un proyecto como un esfuerzo temporal
que se lleva a cabo para crear un producto, servicio
o resultado único [15] y surge como respuesta a
una "idea" que busca la solución de un problema o
la manera de aprovechar una oportunidad de
negocio [16].
Grupo del Proceso de Planificación:
Según el PMI, el grupo del Proceso de Planificación
está compuesto por aquellos procesos realizados
para establecer el alcance total del esfuerzo, definir
y refinar los objetivos, y desarrollar la línea de
acción requerida para alcanzar dichos objetivos.
Los procesos de planificación desarrollan el plan
para la dirección del proyecto y los documentos del
proyecto que se utilizarán para llevarlo a cabo.
Para que un proyecto se considere exitoso debe
cumplir con lo planificado en el Alcance, el
Cronograma establecido, el Presupuesto asignado,
los criterios de calidad definidos y que satisfaga las
expectativas de los interesados en el proyecto.
El grupo de procesos de planificación es el que
mayor cantidad de procesos abarca. A continuación
se relacionan los 24 procesos que la componen
[18].
El PMBOK [17] identifica 5 grupos de procesos de
la Dirección de Proyectos que se vinculan entre sí a
través de los resultados que producen. Los
procesos de dirección de proyectos se agrupan en
cinco categorías conocidas como Grupos de
Procesos de la Dirección de Proyectos (o grupos de
procesos).
Estos 5 grupos de procesos son:
Iniciación, Planificación, Ejecución, Monitoreo y
Control, Cierre.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Dirigir un proyecto por lo general implica:
x
Identificar requisitos,
x
Abordar
las
diversas
necesidades,
inquietudes
y expectativas
de los
interesados según se planifica y efectúa el
proyecto,
x
Equilibrar las restricciones contrapuestas
del proyecto que se relacionan, entre otros
aspectos, con el alcance, la calidad, el
cronograma, el presupuesto, los recursos y
el riesgo.
Grupo del Proceso de Iniciación:
Según el PMI, el Grupo del Proceso de Iniciación
está compuesto por aquellos procesos realizados
para definir un nuevo proyecto o una nueva fase de
59
Desarrollar el Plan de Gestión del Proyecto
Planificar el Alcance
Recopilar requisitos
Definir el Alcance
Crear la EDT
Planificar tiempos
Definir las actividades
Secuenciar las actividades
Estimar los recursos de las actividades
Estimar la duración de las actividades
Desarrollar el cronograma
Planificar los costos
Estimar los costos
Preparar el Presupuesto de costos
Desarrollar el Plan de Recursos Humanos
Planificar la calidad
Planificar las comunicaciones
Planificar la gestión del riesgo
Identificar los riesgos
Realizar el análisis cualitativo de riesgos
Realizar el análisis cuantitativo de riesgos
Planificar la Respuesta a los Riesgos
Planificar las adquisiciones
x Archivar toda la información con índices que
faciliten su futura localización.
Grupo del Proceso de Ejecución:
Durante el grupo de procesos de ejecución se
invierte la mayor parte del presupuesto. En esta
etapa el DP tiene un rol pro-activo para llevar a
cabo, entre otras, las siguientes actividades [19]:
x Dejar por escrito las lecciones aprendidas [21].
x Implementar el plan para la dirección del
proyecto.
x Coordinar todos los procesos.
x Asegurar que se cumpla con la calidad preestablecida.
x Adquirir el equipo de proyectos, desarrollarlo y
gestionarlo.
x Distribuir la información con los avances del
proyecto.
Figura 1.
proyectos
x Gestionar las expectativas de los interesados.
x Efectuar las adquisiciones de los bienes y
servicios necesarios para el proyecto.
Grupo de procesos de dirección de
No se debe confundir el ciclo de vida del proyecto
con los cinco grupos de procesos enunciados. El
ciclo de vida del proyecto se refiere a las distintas
fases del proyecto desde su inicio hasta su fin.
Grupo del Proceso de Monitoreo y Control:
Este grupo lo constituyen los procesos requeridos
para dar seguimiento, analizar y regular el progreso
y el desempeño del proyecto, para identificar áreas
en las que el plan requiera cambios y para iniciar
los cambios correspondientes.
Cada fase del proyecto por lo general termina con
un entregable que habilita o no a continuar con la
siguiente fase y puede ser considerada como un
proyecto. Todo proyecto requiere procesos. En
grandes proyectos los cinco grupos de procesos se
repiten para cada fase del proyecto [22].
Durante los procesos de Monitoreo y control el DP
debe asegurarse que sólo se implementen los
cambios aprobados.
En todo proyecto es fundamental determinar el
Alcance, el cual debe incluir los procesos
necesarios para asegurar que el proyecto
comprenda todo el trabajo que permita completarlo
en forma exitosa y debe incluir sólo el trabajo
necesario [23].
Esta es una etapa de retroalimentación continua
que permite detectar acciones preventivas y
recomendar acciones correctivas.
A excepción del área de recursos humanos, cada
área del conocimiento se controla [20].
Un aspecto importante para decir que un proyecto
fue exitoso es la satisfacción de los interesados o
involucrados del proyecto, los cuales son personas
u
organizaciones
(por
ejemplo,
clientes,
patrocinadores, la organización ejecutante o el
público).
Grupo del Proceso de Cierre:
Los dos procesos de cierre son: cierre del contrato
y cierre del proyecto.
Durante el cierre del proyecto se realizan
actividades de cierre administrativo o cierre interno
tales como:
El director del proyecto (DP) debe gestionar la
influencia de los diversos interesados con relación
a los requisitos del proyecto, para asegurar un
resultado exitoso [24].
x Re-integrar los recursos que ya no se utilizarán.
60
Entre las habilidades interpersonales más
importantes del DP podemos mencionar: liderazgo,
trabajo en equipo, motivación, comunicación, toma
de decisiones, conocimientos y negociación [25].
Gestión de la Integración:
x Desarrollar el Plan de Administración del
Proyecto
Gestión del Alcance:
x Planificar alcance
x Recopilar requisitos
x Definir el Alcance
x Crear la Estructura de Desglose de Trabajo
3.2 Propuesta metodológica
Para el desarrollo de la Metodología se plantearon
los siguientes objetivos que permitieron la
aplicación de la metodología propuesta en la
planificación de proyectos informáticos bajo el
estándar PMI:
Gestión del Tiempo:
x Planificar Tiempo
x Definir las Actividades
x Secuenciar las Actividades
x Estimar Recursos por Actividad
x Estimar la Duración de las Actividades
x Desarrollar el Cronograma
x Desarrollar las plantillas del Acta de Constitución
y de la Identificación de Involucrados.
x Definir los formatos y procedimientos para
gestionar el Alcance y la Estructura de Desglose
del Trabajo (EDT).
Gestión del Costo:
x Planificar costo
x Estimar Costos
x Determinar el Presupuesto
x Establecer los pasos para la elaboración del
Cronograma y la Estimación de los recursos
de las actividades.
x Definir las plantillas para la elaboración del
Presupuesto y el Flujo de Caja del Proyecto.
Gestión de la Calidad:
x Planificar Calidad
x Establecer los procedimientos y componentes
para el diligenciamiento de las plantillas de
Aseguramiento de la Calidad e Identificación y
respuesta a los riesgos del proyecto.
Gestión de RRHH:
x Desarrollar el Plan de Recursos Humanos
Gestión de las Comunicaciones:
x Desarrollar el Plan de Comunicaciones
x Aplicar la metodología en la Planificación de
Proyectos de Software y de Auditoría
Informática en empresas de la ciudad de
Cúcuta y zona de frontera.
Gestión de Riesgos:
x Planificar los Riesgos
x Identificar los Riesgos
x Realizar análisis cualitativo de los Riesgos
Realizar análisis cuantitativo de los Riesgos
Planear respuesta a los riesgos
El intentar realizar un proyecto sin un plan es como
intentar armar la bicicleta de un niño sin leer
primero las instrucciones. Las personas que
piensan que la planeación es innecesaria o que es
una pérdida de tiempo, invariablemente después,
necesitarán dedicar más tiempo para volver a hacer
las cosas [26].
Gestión de las Adquisiciones:
x Planificar las Adquisiciones
Gestión de los Interesados:
x Planificar los Interesados
Chamoun, indica que el Plan del proyecto
funciona como un plan de vuelo o navegación
contra el cual se comparará el avance, para
evaluar periódicamente el desempeño del
proyecto [27].
La fase de Planificación inicia con el desarrollo del
Plan de Administración del Proyecto el cual
requiere varias iteraciones e interrelaciones con las
distintas áreas del conocimiento para poder
completarlo.
Según [28], el grupo de procesos de planeación
incluye los siguientes procesos de dirección de
proyectos:
61
Este plan debe ser realista y aprobado por
los principales interesados [29].
Tabla 1. Plantilla Acta de Constitución del proyecto
ACTA DEL PROYECTO
Fecha de elaboración del Código
Acta del proyecto
proyecto
El insumo para realizar el Plan de Administración
del proyecto es el Acta de Constitución del
proyecto, el cual es un documento firmado por el
patrocinador que formaliza el comienzo de un
proyecto nombrando al Director del Proyecto y su
nivel de autoridad.
del
INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO
Área funcional que solicita Director
del
el proyecto
proyecto
Este documento escrito, denominado en inglés
Project Charter, representa las siguientes ventajas
para la empresa [30]:
ENFOQUE DEL PROYECTO
Descripción del proyecto:
Problema o Necesidad
Organizacional a resolver:
de
Negocio
u
Objetivos estratégicos:
Objetivo Del Proyecto: <Criterios Enfocados A
La Entrega Del Proyecto, (Acción Del Verbo En
Infinitivo + Entrega Principal Del Proyecto + Marco
De Tiempo (Para El / Antes Del Dd/Mm/Aaaa) +
Costo >
ABORDAJE DEL PROYECTO
Entregas:
Supuestos y Exclusiones
Restricciones o limitaciones
<Factores que limitan las opciones disponibles
para el equipo del proyecto, por ejemplo,
presupuesto, asignacion de personal y tiempo>
Figura 2. Ventajas del Acta de Constitución
En la elaboración del Acta de Constitución se
identifican tres grandes componentes:
Asuntos, Riesgos y Problemas: <Indentificar los
posibles Asuntos, Riesgos y Problemas>
Enfoque del proyecto: Identifica el problema de
negocio a resolver.
Equipo de Trabajo: Definición de Roles
Abordaje del proyecto: Describe la estrategia
para desarrollar el proyecto.
PROYECTOS RELACIONADOS
Proyectos relacionados: Proyectos precedentes
y siguientes que se pueden desarrollar.
AUTORIZACIÓN DEL PROYECTO
Patrocinador
Fecha
Director del proyecto
Fecha
Para la exitosa ejecución de los proyectos es
importante establecer los interesados y su rol en el
mismo. Según el PMBOK, los stakeholders o
62
interesados, son personas y organizaciones que
están activamente involucrados en el proyecto, o
cuyos intereses pueden verse afectados de manera
positiva o negativa por la ejecución del proyecto,
por lo tanto, se constituyen en un aspecto
fundamental para el éxito o fracaso del mismo; de
allí la importancia de identificar y analizar sus
niveles de interés, expectativas, importancia e
impacto que pueden generar en los procesos en los
que participan.
El documento Definición del Alcance, garantizará la
verificación adecuada de los procesos y
subprocesos a evaluar mediante la incorporación
de los criterios de aceptación que debe cumplir
cada uno de los entregables, asignando el
responsable de su ejecución y la fecha de entrega.
La herramienta utilizada para la identificación de los
involucrados es el Análisis de Interesados
propuesto por el PMBOK, para lo cual se
desarrollan los siguientes pasos:
x Paso 1: Identificar los potenciales interesados
mediante la utilización de lluvia de ideas y del
Juicio Experto de los miembros del equipo del
proyecto que han trabajado en proyectos
similares.
x Paso 2: Identificar los procesos en los que
participa el involucrado en el proyecto.
Figura 3. Definición del Alcance
x Paso 3: Establecer la importancia del interesado
en el desarrollo del proyecto [31].
En la tabla adjunta se presenta la plantilla para
diligenciar la Definición del Alcance de las
actividades del proyecto.
En la tabla se describe la plantilla para la
descripción de los interesados.
Tabla 3. Plantilla Definición del Alcance
Tabla 2. Plantilla Identificación de Involucrados
DEFINICIÓN DEL ALCANCE
IDENTIFICACIÓN DE INVOLUCRADOS
(PARTICIPANTES)
INVOLU
CRADO
PROCESOS/ACTIVID
ADES EN LOS QUE
PARTICIPA
PROYECTO:
IMPORTAN
CIA
No.
Fecha
aprobación:
ENTREGABLES Y CRITERIOS DE
ACEPTACIÓN
FASE:
Nombre
Entregable
En el ítem de Importancia se describe si es Alta,
Media o Baja de acuerdo al impacto del interesado
en el proyecto.
Responsable
Criterios
de
aceptaci
ón
Fecha
entrega
El tercer paso en la planificación es la Definición del
Alcance, en la cual se profundiza el nivel de detalle
del proyecto y del producto. El insumo de entrada
es el Acta de Constitución y el plan de gestión del
Alcance [32].
Por cada Fase se hará la descripción
de los entregables correspondientes y
la información correspondiente.
63
Para los proyectos de Software se diligencian
adicionalmente las plantillas: Identificación de
actores y casos de uso, así como el Diagrama de
casos de uso, cuya documentación proporcionará
una definición detallada del producto a desarrollar.
Una vez establecido el Alcance del proyecto, es
necesario definir cuáles son los elementos o
actividades necesarios para lograrlo. Con la
estructura de desglose del trabajo (EDT) se dividirá
el proyecto en partidas menores con el objeto de
poder definir qué hay que hacer, quién lo hará,
cuánto demorará y cuánto costará.
Figura 5. EDT del producto
El siguiente paso en la Planificación del
proyecto es la elaboración del Cronograma del
proyecto, para lo cual se debe realizar un
análisis secuencial de las actividades en la cual
se analiza qué tipo de dependencias existe entre
las distintas actividades.
Figura 4. Características de la EDT
Por lo general, muchas organizaciones cometen el
error de saltearse este proceso al momento de
planificar sus proyectos. En su lugar, comienzan a
descomponer el proyecto a nivel de tareas y esto
no favorece para un proyecto exitoso.
La EDT es una especie de organigrama jerárquico
del proyecto donde se sub-divide el mismo en
menores componentes.
El nivel más bajo de cada división se denomina
“paquete de trabajo”. Por otro lado, también suelen
existir “cuentas de control” que son lugares para
medir el avance del alcance, el cronograma o los
costos. Cada cuenta de control incluye uno o más
paquetes de trabajo [33]. Ver figura adjunta.
Figura 6. Programación de Actividades
64
Entre las herramientas a utilizar en la
secuenciación de las actividades se encuentran
la descomposición que consiste en subdividir
los paquetes de trabajo de la EDT en
actividades, la planificación gradual y la
Diagramación por precedencia, la cual permite
cuatro tipos de dependencias entre las actividades:
final a inicio, final a final, inicio a inicio, e inicio a
final. Esta última no se utiliza, siendo la más
utilizada la relación final a inicio [34].
La plantilla del Cronograma
siguientes elementos:
x
x
x
x
x
x
x
x
incluirá
Tabla 4. Plantilla Estimación de los recursos de
las actividades
ESTIMACIÓN DE LOS RECURSOS
PROYECTO:
Entregable:
los
Nombre
de la
actividad
Nombre y Numero del Proyecto
Fecha de aprobación del cronograma
Identificador y nombre de la Actividad
Duración
Fecha de inicio
Fecha de finalización
Responsable
Predecesoras de la actividad
FASE:
Costo Entregable:
Cantid
ad
Costo
unit.
Costo
Total
Al finalizar de registrar los recursos de las
actividades de cada entregable y de elaborar el
cálculo del Costo Total para todas las
actividades, se obtiene la Suma de los valores
de la columna Costo Total para obtener el Costo
del Entregable.
A continuación se elabora la Estimación de los
recursos de las actividades que se necesitan
para completar las fases del proyecto. Antes de
poder estimar la duración de cada actividad es
necesario calcular los recursos disponibles y
necesarios para cada una de ellas. Por ejemplo, no
durará lo mismo una actividad en la cual se dispone
de cinco personas, a otra en la cual solamente se
tienen dos personas disponibles [35].
Finalizado el paso anterior se determina el
Presupuesto, que consiste en realizar la
sumatoria de los costos estimados por tipos de
recurso permitiendo así determinar los fondos
autorizados para la ejecución del proyecto.
En la plantilla se agrupan por cada Fase, los
recursos que se utilizarán en el desarrollo de
cada uno de los entregables.
Para registrar los recursos de cada entregable
se describe la siguiente información:
x
x
x
Fecha
Aprobación:
La suma de todos los Costos de los
Entregables corresponderá al Costo Total
del Proyecto.
Para desarrollar el cronograma del proyecto se
pueden utilizar herramientas como Microsoft
®
Project u OpenProj.
x
x
Recur
so
No.
Identificador y nombre de la Actividad
Recurso a utilizar (Equipos, material de
difusión y promoción, entre otros)
Cantidad
Costo unitario
Costo total
65
x Observaciones que
Conformidades.
Tabla 5. Plantilla Presupuesto del proyecto
PRESUPUESTO DEL PROYECTO
Proyecto:
TIPO DE
RECURSO
TOTAL
IMPREVISTOS
PRESUPUEST
O TOTAL DEL
PROYECTO
No.
fundamenten
las
No
Tabla 6. Plantilla Flujo de Caja del proyecto
Fecha
aproba
ción:
FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO
Proyecto: <colocar
el nombre del
proyecto>
PRESUPUESTO
ENTIDA
D
ENTIDAD
EJECUT FINANCIA
COSTO
ORA
DORA
No.
PERIODO 1
TIPO DE
RECURSO
Sumator
ia de
Sumator
costos
ia de
Sumatoria
totales
costos de costos
10% del
Total
Fecha de
aprobación:
PERIODO N
ENTID.
ENT.
ENTID.
FINAN
EJECU
EJECU
CIADO
TORA
TORA
RA
ENT.FI
NANCI
ADOR
A
NOMBRE: responsable del documento
NOMBRE: persona que revisó y aprobó el
documento
Total +
Imprevis
tos
Así mismo, uno de los factores por los cuales un
proyecto fracasa es la deficiente administración
de riesgos [36], por lo tanto, se hace necesario
realizar la Identificación y respuesta de
riesgos, que pueden impactar negativa o
positivamente cualquier fase del proyecto.
Posteriormente a la elaboración del presupuesto
se desarrolla el Flujo de Caja del Proyecto,
mediante el cual se distribuyen los rubros que
se ejecutarán en cada periodo, tanto de la
entidad ejecutora como de la entidad
financiadora.
El riesgo representa el impacto potencial de
todas las amenazas u oportunidades que
podrían afectar los logros de los objetivos del
proyecto.
Para identificar los riesgos del
proyecto se recomienda hacer uso de la RBS
(Risk Breakdown Structure) ó EDR (Estructura
Desglosada del Riesgo) propuesta por el PMI,
en la cual se describen jerárquicamente los
riesgos del proyecto, identificados y organizados
por categoría y subcategoría de riesgo y que
identifica las distintas áreas y causas de
posibles riesgos.
El Aseguramiento de la Calidad es un factor
importante para la ejecución exitosa de un proyecto
debido a la interrelación que existe entre todos los
componentes del proyecto, por tanto, un pequeño
descuido en alguno de ellos puede hacer fracasar
al resto.
En la plantilla de Aseguramiento de la Calidad se
debe registrar:
x Cumplimiento o la No Conformidad de los
Criterios de Aceptación establecidos para cada
uno de los entregables
66
un seguro o colocar una penalidad en el
contrato con el proveedor.
Mitigar: disminuir la probabilidad de ocurrencia
y/o el impacto. Por ejemplo, instalar un sistema
de alarmas en caso de incendio.
Aceptar: no cambiar el plan original. Una
aceptación activa consiste en dejar establecida
una política de cómo actuar en caso que ocurra
el evento negativo. Por ejemplo, instrucciones
de cómo seguir facturando en forma manual en
caso que exista un corte de energía. Mientras
que una aceptación pasiva consiste en no hacer
absolutamente
nada
con
algún
riesgo
identificado [37].
Por su parte, para los riesgos positivos u
oportunidades se suelen utilizar las siguientes
estrategias o herramientas: explotar, compartir,
mejorar, aceptar.
Explotar: realizar acciones para concretar la
oportunidad para el beneficio del proyecto.
Figura 7. Estructura Desglosada del Riesgo

Compartir: aprovechar las sinergias de otra
persona u organización mejor capacitada para
capturar las oportunidades del mercado. Por
ejemplo, una unión transitoria de empresas.
Cabe resaltar que RBS es una sugerencia,
por lo que puede ser modificada de
acuerdo a las necesidades del proyecto,
es decir, se le pueden añadir o eliminar
otras subcategorías de riesgos.
Mejorar: realizar acciones para aumentar la
probabilidad de ocurrencia y/o el impacto.
En la elaboración de la plantilla de Riesgos es
importante determinar las estrategias de
acuerdo al impacto positivo o negativo de la
situación presentada.
Aceptar: no cambia el plan del proyecto.
Teniendo definidas las estrategias anteriores, se
diligencia el cuadro de Identificación y respuesta
a los riesgos del proyecto.
Para los riesgos negativos o amenazas se
suelen utilizar las siguientes estrategias o
herramientas: evitar, transferir, mitigar o
aceptar.
Tabla 7. Plantilla de Identificación y respuesta a
los riesgos del proyecto
Evitar: cambiar las condiciones originales de
realización del proyecto para eliminar el riesgo
identificado. Por ejemplo, si traer una tecnología
importada traerá graves problemas en los
servicios de post-venta, evitar sería desestimar
la utilización de esa tecnología y reemplazarla
por alguna otra. Esta estrategia a veces implica
la cancelación del proyecto.
IDENTIFICACIÓN Y RESPUESTA A LOS
RIESGOS DEL PROYECTO
Cate Dispa Priori Estrat Accio Resp
gorí rador
zació
egia
nes
onsa
a
n
ble
Transferir: trasladar el impacto negativo del
riesgo hacia un tercero. Por ejemplo, contratar
67
A continuación se describe la información que
se registra en la tabla:
Categoría: De acuerdo al riesgo identificado en la
RBS.
Informática, así como en proyectos de investigación
del grupo GISOFT de la UDES, constituyéndose en
herramienta fundamental para la apropiación de
conocimientos en el área de proyectos de los
programas que tienen este énfasis.
Disparador: Listar las causas asociadas al riesgo
en mención.
5. CONCLUSIÓN
El diseño de la Propuesta para la Planificación de
proyectos Informáticos bajo el estándar PMI se
convertirá en una herramienta valiosa para que los
Gerentes de Proyectos de empresas, centros y
grupos de investigación, administren eficientemente
los proyectos a cargo y los finalicen cumpliendo los
alcances establecidos, en el tiempo proyectado y
con el costo estimado, dentro de los criterios de
calidad planificados.
Priorización: Establezca si el riesgo es de
prioridad Alta, Media o Baja.
Estrategia: Indique el tipo de estrategia (Evitar Transferir - Mitigar - Explotar - Compartir - Mejorar Aceptar).
Acciones: Liste las acciones principales para dar
respuesta al riesgo.
Responsable: Nombre
ejecutar cada acción.
4.
del
responsable
En la metodología planteada se cumplieron los
objetivos planteados al inicio de la investigación
orientando los lineamientos para la planificación
eficiente de los documentos:
de
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Acta de Constitución, el cual se constituye en el
documento que formaliza el proyecto y se asigna al
Director del mismo.
El objetivo g e n e r a l de l a i n v e s t i g a c i ó n d e
proponer una metodología para la Planificación de
proyectos Informáticos bajo el estándar PMI que
ayude en gran parte a la ejecución exitosa de los
proyectos con el alcance establecido, dentro del
tiempo y costo estimado, cumpliendo en alto grado
los criterios de calidad propuestos y en el cual se
cumplan las expectativas de todos los involucrados;
el mismo se cumplió.
Definición del Alcance, la cual garantizará la
verificación adecuada de los procesos y
subprocesos a evaluar mediante la incorporación
de los criterios de aceptación que debe cumplir
cada uno de los entregables, asignando el
responsable de su ejecución y la fecha de entrega.
Creación de la EDT, la cual se representa como
organigrama jerárquico del proyecto donde se subdivide el mismo en menores componentes.
La metodología propuesta otorga las siguientes
ventajas a los miembros del equipo del proyecto en
la cual se aplica:
x
x
x
x
El nivel más bajo de cada división se denomina
“paquete de trabajo”. En el EDT del producto se
desglosa por cada fase, los entregables y las
actividades necesarias en el desarrollo del
proyecto.
Guía la ejecución y el control del proyecto.
Establece el estándar o punto de referencia
contra el cual evaluar el apego al
cumplimiento; en otras palabras, el éxito
del proyecto.
Facilita la comunicación entre
los
involucrados.
Documenta los criterios y su aprobación.
Cronograma del proyecto, en el cual se realiza
un análisis secuencial de las actividades en la
cual se analiza qué tipo de dependencias existe
entre las distintas actividades.
Así mismo, es importante destacar la aplicación con
gran éxito, de la metodología propuesta en
importantes empresas de Cúcuta y la zona de
frontera en proyectos de Software y Auditoría
Estimación de los recursos de las actividades,
para lo cual es necesario calcular los recursos
disponibles y necesarios para cada una de ellas.
En la plantilla se agrupan por cada Fase, los
68
recursos que se utilizarán en el desarrollo de
cada uno de los entregables y en el que la suma
de todos los Costos de los Entregables
corresponderá al Costo Total del Proyecto.
[6] Arévalo, M. y Garnica, G. Propuesta de
metodología para la gestión de proyectos de
software siguiendo el estándar PMBOK DEL PMI
para la Universidad de Santander UDES, Sede
Cúcuta. 2012.
[7] Rojas, P. Propuesta de metodología para la
gestión de proyectos informáticos en GTI
Consultores
SAS [MAP Tesis]. Costa Rica:
Universidad para la Cooperación Internacional,
2011.
[8] Romero, S. Metodología para el desarrollo de
auditorías informáticas realizadas por Consultores
de
Tecnologías
de
Información,
GTI
Consultores SAS [MAP Tesis].
Costa Rica:
Universidad para la Cooperación Internacional,
2011.
[9] Vásquez, O. Propuesta de una metodología
de gestión de proyectos en Itecsa Software S.A.
[MAP Tesis]. Costa Rica: Universidad para la
Cooperación Internacional, 2008.
[10] Mosquera, L. Modelo para la gestión de
recursos humanos en CIMA bajo los lineamientos y
mejores prácticas presentadas en el PMBOK del
Project Management Institute (PMI) [MAP Tesis].
Costa Rica: Universidad para la Cooperación
Internacional, 2012.
[11] Von, D. Plan de proyecto para el desarrollo de
estándares Web para la empresa L.L.BEAN [MAP
Tesis].
Costa Rica: Universidad para la
[12] Romero, JA.
Gestión de proyectos
ecoturísticos orientados al mercado internacional
con
impacto en el desarrollo local mediante
aplicación del estándar PMBOK: EAN, 75, 152-175,
2012.
[13] Chicas, R. Propuesta de metodología para
la administración de proyectos de desarrollo de
software por subcontratación en la empresa
Bnvital S.A. [MAP Tesis]. Costa Rica: Universidad
para la Cooperación Internacional, 2008.
[14] Lledo, P. & Rivarola, G., Gestión de proyectos:
Cómo dirigir proyectos exitosos, coordinar los
recursos
humanos y administrar riesgos,
Buenos Aires: Prentice Hall - Pearson Education,
pp 4, 2007.
[15] Project Management Institute, Guía de los
Fundamentos de la Dirección de Proyectos,
Pennsylvannia: PMI Publications, pp 11, 2012.
[16] Sapag, N,
Preparación y Evaluación de
Proyectos, México: McGraw-Hill, pp 2, 2008.
[17] Project Management Institute. Guía de los
Pennsylvannia: PMI Publications, pp 41-42, 2012.
[18] Lledo, P., Director de proyectos: Cómo aprobar
Plantilla para la elaboración del Presupuesto, en la
cual se realiza la sumatoria de los costos
estimados por tipos de recurso permitiendo así
determinar los fondos autorizados para la
ejecución del proyecto.
En la planeación financiera es muy importante la
elaboración del Flujo de Caja del Proyecto, en el
cual se distribuyen los rubros que se ejecutarán
en cada periodo, tanto de la entidad ejecutora
como de la entidad financiadora.
.
Finalmente se establecieron los procedimientos y
componentes para el diligenciamiento de las
plantillas de Aseguramiento de la Calidad e
Identificación y respuesta a los riesgos del
proyecto.
6.
AGRADECIMIENTOS
La autora expresa sus agradecimientos a la
Universidad de Santander, UDES, por su apoyo
incondicional en las actividades relacionadas con
los procesos de investigación y a los integrantes del
grupo de investigación GISOFT por el trabajo en
equipo que siempre los ha caracterizado y el
interés por culminar exitosamente los proyectos
formulados.
7.
[1] Drudis, A. Gestión de Proyectos, Barcelona:
Gestión 2000, pp 7, 2002.
®
el examen PMP sin morir en el intento, Canadá:
el autor, pp 46, 2013.
[3] Chamoun Y., Administración Profesional de
Proyectos: La Guía, México: McGraw-Hill, pp 27,
2002.
[4] Graham, R. & Englund, R., Administración de
Proyectos Exitosos. México: Pearson Educación,
1999.
[5]
Mendieta,
E.
Propuesta
para
una
metodología de gestión de proyectos
para
plataformas WEB en Aurora Technology On
Line [MAP Tesis]. Costa Rica: Universidad para la
69
®
el examen PMP sin morir en el intento, Canadá: el
autor, pp 41, 2013.
®
autor, pp 43, 2013.
[20] Lledo, P., Técnico en Gestión de Proyectos:
®
Claves para aprobar el examen CAPM , Canadá: el
autor, pp 55, 2013.
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[22] Lledo, P., Administrador de proyectos: El ABC
para un Director de proyectos exitoso, Canadá: el
autor, pp 26-28, 2013.
recursos
pp 17-18, 2007.
[24] Project Management Institute. Guía de los
Pennsylvannia: PMI Publications, pp 29, 2012.
autor, pp 30, 2013.
[26] Clements, G. Administración exitosa de
proyectos, México: Thomson Editores, 2003.
[27] Chamoun Y., Administración Profesional de
Proyectos: La Guía, México: McGraw-Hill, pp 71,
2002.
®
autor, pp 50, 2013.
®
autor, pp 84, 2013.
de
Tecnologías
de
Información,
GTI
Costa Rica:
Universidad para la Cooperación Internacional, pp
54, 2011.
de
Tecnologías
de
Información,
GTI
Costa Rica:
Universidad para la Cooperación Internacional, pp
60, 2011.
®,
Claves para aprobar el examen CAPM . 2da ed. –
Victoria, BC, Canadá, pp 94, 2013.
autor, pp 84, 2013.
autor, pp 96-98, 2013.
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Claves para aprobar el examen CAPM , Canadá:
el autor, pp 117, 2013.
recursos
pp 28 - 29, 2007.
®
autor, pp 300, 2013.
70
EXPLORACIÓN DE LA PERCEPCIÓN DE UN MECANISMO DE
COOPERACIÓN ENTRE ESTUDIANTES CARACTERIZADOS
DESDE LA NOCIÓN DE NATIVO DIGITAL
1
2
Claudia Esperanza Saavedra Bautista , Jorge Andrick Parra Valencia
1
Esp. Informática para la docencia, Maestría en Tecnología Informática (en curso), Licenciado en informática
educativa, Grupo de Investigación CETIN, Facultad Ciencias de la educación, Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia, [email protected]
2
Ph.D. Doctor en Ingeniería Área Sistemas, Magister en Informática, Ingeniero de Sistemas, Grupo de
Investigación en Pensamiento Sistémico, Universidad Autónoma de Bucaramanga, Colombia,
[email protected]
RESUMEN
Este artículo presenta una exploración de percepción de un mecanismo de cooperación basado en confianza
para superar dilemas sociales entre estudiantes que tienen características similares a las que recoge la noción
nativos digitales en el aula de una universidad colombiana. Se aplicaron técnicas mixtas de investigación
que contribuyeron con los resultados encontrados en los cursos interdisciplinares de semestres iniciales de la
facultad de ciencias de la educación de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. El estudio
concluye que el mecanismo de cooperación basado en confianza, da cuenta de la acción colectiva de los
nativos digitales en el aula de clase. Esto sugiere que la adopción de reglas, estrategias y normas que
promuevan la construcción de confianza podrían mejorar el nivel de cooperación en el aula.
Palabras clave: Cooperación, Dilemas sociales, Inteligencia colectiva, Nativo digital, Confianza, Mecanismo
Recibido: 30 de Septiembre de 2013. Aceptado: 13 de Marzo de 2014.
th
th
Accepted: March 13 , 2014.
Received: September 30 , 2013.
AN EXPLORATION OF PERCEPTION ABOUT A COOPERATION MECHANISM ON STUDENTS
CHARACTERIZED BY A NOTION OF DIGITAL NATIVE
ABSTRACT
This paper presents an exploration about the perception of a cooperation mechanism based on confidence to
overcome social dilemmas among students characterized as digital natives in the classroom in a Colombian
university. A mixed research method was conducted in the first semesters of interdisciplinary courses of the
Faculty of Education Sciences of the Pedagogical and Technological University of Colombia. The results
suggested that the mechanism for cooperation based on trust promoted the collective action of the students
in the classroom. As a conclusion we suggest that the adoption of rules, strategies and standards which
promote confidence building could improve the level of cooperation in the classroom.
Keywords: Cooperation, Social Dilemmas, Collective Intelligence, Digital Native, Trust, Mechanism.
71
1.
en el contexto y la realidad de los sujetos y que
denomina “sabiduría digital”, donde señala que la
capacidad cognitiva de los nativos digitales puede
mejorar a través del uso racional e inteligente de
las tecnologías de la información y la comunicación.
Esta discusión se ha venido posicionando en la
literatura educativa como la descripción de un
cambio generacional entre docentes y estudiantes,
reconocidos como “nativos e inmigrantes digitales”
[3]; aunque sin desconocer otras denominaciones
que han aparecido y consolidan autores en la
siguiente tabla:
INTRODUCCIÓN
Algunos elementos comunes que recoge la
literatura sobre nativos digitales son su capacidad
de realizar procesos simultáneos de forma rápida,
su preferencia por el lenguaje gráfico al textual y
su competencia al maniobrar de forma ágil con un
amplio abanico de recursos tecnológicos; Así
mismo, se sitúa al estudiante nativo digital como
un experto lector visual que opta por procesos
aleatorios y no secuenciales; y se le reconocen
habilidades para construir y aprender en red a
través de la interacción con usuarios y contenidos
[1], pero
se desconoce el mecanismo de
cooperación que utilizan al momento de la acción
colectiva para superar dilemas sociales. Es así, que
este estudio ha depositado su interés en darle una
mirada al aprendizaje y a la forma de cooperación
de los nativos digitales, teniendo en cuenta que
dentro de la revisión realizada no se encontraron
referentes sobre su capacidad de acción colectiva
en el aula a través de un mecanismo de
cooperación basado en confianza, por lo que se
propuso como objetivo explorar la capacidad de un
mecanismo de cooperación basado en confianza
para dar cuenta de la acción colectiva en nativos
digitales para resolver dilemas sociales o conflictos
de racionalidad individual dentro del aula.
Tabla 1. Denominaciones del nuevo perfil del
estudiante. De Digital learners: la competencia
digital de los estudiantes universitarios [4].
Denominación
Autor
Año
Millenials
Howe y Strauss
Lancaster y Stillman
Martin y Tulgan
1991
2002
2002
2005
Oblinger y Oblinger
Generación Digital
Generación Net
Nexters
Nativos e
inmigrantes digitales
Generación Instant
Message o SMS
Hablar de la aparición de nuevas generaciones a
las
aulas universitarias exige una mirada al
sistema educativo actual donde se analice la
capacidad del sistema en ofrecer ambientes
educativos acordes a las necesidades cognitivas de
los denominados “Nativos Digitales” que según el
precursor de esta metáfora “nacen en la era digital
y son usuarios permanentes de tecnologías con
una habilidad consumada, donde su característica
1
principal es sin duda su tecnofilia y su atracción
por todo lo relacionado con las nuevas tecnologías”
[2], esta designación hace alusión a aquellos
jóvenes
que viven inmersos en un profundo
andamiaje tecnológico y quienes consideran un
factor importante la velocidad en los procesos que
realizan.
Generación Y
Homo Zappiens
Gamer Generation
New Millennial
Learners
72
2001
Lenhart, Rainie y
Lewis
Lancaster y Stillman
Jorgensen
Oblinger y Oblinger
Weiler
McCrindle
Veen
2002
2003
2005
2005
2006
2003
Carstens y Beck
2005
Pedró
2006
2001
Kitsis
Hamel
2008
2009
i-Generation
Rosen et al.
2010
Visitantes y
Residentes
White
2010
Digital Learners
Generación F /
Facebook
Generation
Es aquella adicción por el uso permanente de las
Tecnologías de la información y la comunicación.
Prensky
1999
2008
Google Generation
1
1998
1998
2005
Duncan-Howell y
Lee
Rowlands y
Nicholas
Bullen
Generación C
Con el paso del tiempo Prensky [3]
ha
evolucionado la concepción del “nativo digital”
llevándola a una definición que responde a
características de la sociedad actual, pensada más
Tapscott
Tapscott
Oblinger y Oblinger
Zemke, Raines y
Filipczak
2007
2008
Como se observa en la Tabla 1. la literatura sugiere
diferentes denominaciones para aquellos jóvenes
que tienen un marcado uso y apropiación de las
tecnologías; lo que conlleva a analizar si los
mecanismos de cooperación conocidos explican
cómo cooperan los nativos digitales y si el grado de
adopción de un mecanismo en particular explica su
inteligencia colectiva, reconociendo este último
como aquella inteligencia repartida en todas partes
resultado de la suma de inteligencias individuales,
donde solamente cuando cooperan los individuos
se promueve una ampliación del saber y las ideas
individuales se potencian
en un colectivo de
personas, así como Lévy [5] afirma: “Nunca
pensamos solos, sino que lo hacemos en el
transcurso de un diálogo con uno o más
interlocutores, reales o imaginarios”. Por otro lado
el trabajo propuesto por Fajardo [6], recomienda
que los docentes deberían asistir a los mismos
espacios digitales que sus alumnos nativos
digitales para promover la cooperación y
creatividad lúdica de la enseñanza.
contempla “aprovechar la inteligencia colectiva” [10]
como un principio constitutivo que se sustenta en la
inteligencia que nace de la colaboración,
participación e interacción activa de los usuarios y
que se orienta a la creación y actualización de
contenidos; actividad reconocida por Berners - lee
[11] como “intercreatividad”, donde se fusiona la
interacción y la creatividad ocasionado un
intercambio creativo digital. Para ilustrar esta
afirmación con un ejemplo se puede mencionar
Wikipedia como un producto de inteligencia
colectiva, generada a partir de la colaboración y los
intereses de los usuarios, donde no solo se
publican y se actualizan contenidos, sino que se
consultan y se distribuyen por los cibernautas que
en dado momento complementan los aportes de
otros usuarios, colectivizando de esta manera el
saber y promoviendo la gestión del conocimiento.
La inteligencia colectiva llevada al aula abre
espacios para alcanzar objetivos comunes, donde
se puede aprovechar las ideas de los estudiantes
como materia prima para la construcción de
proyectos investigativos pensados desde sus
intereses y disciplina, práctica conocida en el
campo de la economía como “Crowsourcing” donde
se aprovechan las ideas de los clientes para el
mejoramiento de las corporaciones [12]. Este tipo
de inteligencia sin duda mejora el aprendizaje en la
medida que los grupos de estudiantes aprenden a
trabajar de forma sincronizada y eficiente, donde
las turbulencias producto de la diferencias de
personalidad se superan y se acelera el flujo de
interacciones que dinamiza el proceso, es así que
la inteligencia colectiva eleva la participación
voluntaria de los estudiantes en las temáticas
planteadas,
incrementando
la
“suma
de
inteligencias individuales”, y lo que conlleva hablar
de la
“sabiduría de las multitudes” [13],
consideradas como aquel colectivo de personas
que podrían dar una solución a un problema de
mejor manera que un mismo experto en el tema.
De acuerdo a lo anterior y atendiendo a la premisa
“Nadie lo sabe todo, todo el mundo sabe algo, todo
el conocimiento está en la humanidad” [7], no se
requiere ser experto ni tener el conocimiento
absoluto para poder aportar al interior de un grupo
de trabajo, dado que cada integrante sabe o ignora
algo diferente. Es así que a través de este artículo
se analiza cómo a partir de un mecanismo de
cooperación basado en confianza se puede dar
cuenta de la acción colectiva entre nativos digitales
para resolver conflictos de racionalidad individual
dentro del aula, donde prevalezca el ritmo de
trabajo y se promueva una nutrida movilización de
competencias traducidas en el enriquecimiento
mutuo de los sujetos que eleva las posibilidades
de saber colectivo y de aprendizaje, como Cabero
[8] sostiene: “el aprendizaje se incrementa cuando
los estudiantes desarrollan destrezas cooperativas
para aprender y solucionar los
problemas y
acciones educativas en las cuales se ven
inmersos”.
La hipótesis que se postuló para este estudio
afirma que un mecanismo de cooperación basado
en confianza puede contribuir en la solución de
dilemas sociales y en consecuencia promover
condiciones
de
inteligencia
colectiva
que
propendan por el bienestar general de un grupo.
Por su lado Piscitelli [9] reconoce que: “La
alfabetización digital forma parte de una nueva
infraestructura del conocimiento”, por lo que se
propone aprovechar el andamiaje de tecnologías de
la información y la comunicación
al que se
exponen los nativos digitales, como una forma de
maximizar acciones de inteligencia colectiva y más
aún cuando dentro de la teoría de la web 2.0 se
73
2.
cooperación para superar dilemas sociales que se
enfrentan en el interior de un grupo.
DILEMAS SOCIALES Y MECANISMO DE
COOPERACION
Forma de solución del dilema social
mediante cooperación: construcción
de la confianza de cooperación
Dilemas sociales producto de la racionalidad
individual
Dentro de
las bondades que pueden surgir
producto de la interacción entre los sujetos, ocurren
situaciones de incompatibilidad conocidas como
dilemas sociales, que se traducen en conflictos
entre la racionalidad individual y el bienestar
colectivo [14]; Es decir, todo encuentro entre dos
seres humanos supone la posibilidad de este tipo
de conflictos. Desde la racionalidad económica
individual, las personas tratan de maximizar sus
beneficios en cada situación desde una perspectiva
individual [15]. Esta racionalidad se encuentra en la
base del pensamiento económico de occidente. Las
naciones, para construir su riqueza deben fomentar
la búsqueda del interés individual para lograr un
mayor bienestar colectivo que si se persiguiera el
interés colectivo de forma intencionada [16]. En la
mayoría de situaciones, sobre todo en aquellas de
interdependencia alrededor de recursos comunes y
bienes públicos, la búsqueda del interés individual
conduce a un menor beneficio general. Si los
individuos persiguen su interés individual en el
corto plazo, en el largo plazo pueden agotar o sub
proveer los recursos comunes. Este tipo de
situaciones son comunes en crisis de electricidad,
cambio climático, congestión vehicular, entre otras.
El estudio de un mecanismo de cooperación en
crisis de electricidad demuestra que en situaciones
de complejidad dinámica las percepciones, y las
expectativas juegan un papel primordial en la
explicación de la cooperación [17].
En la medida que los individuos tengan mejores
expectativas de que su cooperación será
respondida con cooperación entonces cooperaran
más. Dicha confianza de cooperación en el grupo
supone que se llevan registros de reputación de
cooperación alrededor de la construcción de
aprendizaje colectivo. Quienes más aporten en el
entendimiento de las temáticas, quienes más
contribuyan en el entendimiento de los conceptos
en los foros, tendrán la mayor reputación.
Fig. 1. Representación del mecanismo de
cooperación basado en confianza que permite a los
nativos digitales superar un dilema social.
Fuente: Is dynamic management of cooperation in
large scale social dilemmas possible? The case of
the 1992 Colombian electricity crisis, con
información obtenida de Ostrom. [19].
Los dilemas sociales no han sido profundamente
estudiados en los ambientes educativos, por lo que
nace la preocupación por indagar acerca de la
superación de situaciones de conflicto a través de
un mecanismo de cooperación basado en
confianza [18]. Cuando los seres humanos se
encuentran para formarse, enfrentan dilemas
sociales producto de la racionalidad individual, que
dependiendo de la forma como sean resueltos por
los grupos, se puede lograr el bienestar general y
promover condiciones de inteligencia colectiva que
mejoren la toma de decisiones grupales .en este
sentido se cuestiona sobre si los nativos digitales
podrían incrementar la producción de inteligencia
colectiva en la medida que apliquen mejores reglas
estratégicas y normas que promuevan la
3.
MÉTODO
El estudio adelantado es descriptivo con enfoque
mixto el cual inició con la construcción del estado
de arte para ubicar experiencias similares a nivel
nacional e internacional; siguiente a esta etapa se
consolidó la base teórica y se procedió al diseño y
aplicación de una encuesta junto con una
observación directa a los grupos, estos
instrumentos sirvieron como insumo para evaluar
la hipótesis y lograr el objetivo del estudio. Para
74
seleccionar la población se realizó un muestreo
intencional, logrando encuestar a 195 estudiantes
con edad promedio de 19 años, quienes cursaban
semestres iniciales de diversas carreras de la
facultad de educación de la Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia; la
aplicación de esta encuesta se realizó en línea, en
horario de clase y bajo la supervisión del docente;
además se llevó a cabo un proceso de observación
directa a los grupos durante 2 semestres
académicos consecutivos, finalmente se procedió a
analizar los datos recogidos siguiendo las técnicas
de análisis de datos cuantitativa y cualitativa. Para
el tratamiento de la información se utilizaron las
2
herramientas excel versión 2010 y encuesta fácil ,
la cual es una herramienta en línea que facilita la
recolección, análisis e interpretación de los datos,
4.
individual
Búsqueda del
Bienestar
general
posiciones de los demás o teniéndolas en
cuenta sólo en lo mínimo, resuelve participar
sólo para cumplir con un requisito de clase,
sin preparar la participación y demuestra que
de ninguna manera le interesa lograr un
aprendizaje colectivo compartido.
Supone participar con toda la capacidad y
voluntad para mejorar el entendimiento
colectivo del tema o la superación de un
conflicto, se consideran a profundidad los
puntos de vista ajenos y se construye sobre
ellos. Aunque no se puede desconocer que
resulta conflictivo aportar al aprendizaje
colectivo porque participar supone tiempo y
esfuerzo que pudiera no ser reconocido por la
nota aplicada de forma individual.
En la siguiente tabla se presenta una descripción
de los recursos comunes que se comparten dentro
de un aula de clase, los conflictos de racionalidad
individual y bienestar colectivo que se pueden
generar y la forma en que se pueden resolver a
través de un mecanismo de cooperación basado en
confianza.
RESULTADOS
Los resultados se orientan a la identificación de los
bienes públicos y recursos comunes
que
comparten los nativos digitales en el aula y cómo el
bien común dentro de un grupo puede promover
acciones de inteligencia colectiva que benefician la
toma de decisiones. En la tabla 2 se describen los
bienes públicos que se determinaron con la
muestra de nativos digitales que se realizó el
estudio.
Tabla 3. Descripción de los recursos comunes
RECURSOS
COMUNES
Tabla 2. Descripción de los bienes públicos
2
BIENES
PUBLICOS
DESCRIPCION
Aprendizaje
Colectivo
Se puede construir mediante la discusión
comprometida y la reflexión compartida,
donde la suma de inteligencias individuales
promueve el aprendizaje colectivo y mejora la
toma de decisiones colectivas, este tipo de
bien público se refleja en foros de trabajo,
chat de discusión y trabajos en grupo, donde
realmente los nativos hacen esfuerzos por
entender las intervenciones de los demás y
aportar en el entendimiento colectivo,
desapareciendo de esta manera
la
concepción del conocimiento como bien
privado y pasando a ser un bien público que
puede ser aprovechado por todos en el grupo,
ocasionando así el enriquecimiento mutuo de
los sujetos en el marco de
inteligencia
colectiva.
Interés
Ocurre cuando el estudiante decide realizar el
mínimo aporte posible sin tener en cuenta las
Página
de
acceso
a
http://www.encuestafacil.com/
encuesta
La atención del profesor
fácil:
75
DESCRIPCION
Si bien en teoría el profesor
está disponible para todos
sus estudiantes, su tiempo
es limitado. Los estudiantes
pueden entrar a competir
por el tiempo del docente
sin tener en consideración
que dicho tiempo es un
recurso escaso que debería
utilizarse en el bien de
todos los miembros del
grupo
y
no
en
particularidades
individuales.
Algunos
estudiantes
podrían
simplemente
tratar
de
acaparar la atención y el
tiempo del profesor para su
propio entendimiento pero
no
para
mejorar
el
entendimiento colectivo.
Racionalidad
individual
Generación de
Conflictos
Bienestar
individual
Solución del conflictos mediante
cooperación
Se refleja en el hecho de
que entre más tiempo
ocupe
al
docente
la
solución de un problema de
entendimiento
de
un
estudiante más aprenderá,
lo que corresponde a un
pensamiento de bienestar
individual. Otro ejemplo de
racionalidad individual se
da cuando el estudiante en
su deseo de obtener un
mejor promedio aprovecha
las
oportunidades
que
ofrece el docente para
alcanzar tal fin, ignorando o
excluyendo los aportes que
podría
realizar
un
compañero
para
enriquecimiento de todo el
grupo y desconociendo de
esta manera las ideas de
su
compañero
como
materia prima para su
propio aprendizaje.
si el trabajo colectivo entre
nativos digitales
permite superar
con mayor facilidad dilemas
sociales.
Fig. 2. Trabajo colectivo como estrategia de
superación de conflictos
Ocurre cuando el tiempo
del docente es escaso y
debe ser utilizado para
mejorar el entendimiento de
todo el grupo, por lo que un
estudiante pensando en su
bienestar individual puede
limitar su tiempo y tratar de
aprender algo de manera
autónoma
para
luego
corroborar con el profesor,
y en consecuencia dicho
aprendizaje sea compartido
con los compañeros del
grupo.
Tabla 4. Condiciones iniciales de la prueba Fig. 2
Condiciones iniciales de la prueba
Media
Intervalo de confianza (95%)
Tamaño de la muestra
Desviación típica
Error estándar
1,190
[1,124 - 1,255]
195
0,465
0,033
Luego de recolectar la información y analizar las
gráficas resultó que el 84% de los 195 estudiantes
encuestados manifiestan que efectivamente una
situación de
conflicto en un ambiente de
aprendizaje puede ser superada a través de la
acción colectiva, donde la suma de aportes de cada
uno de los miembros del grupo es el resultado de
una solución cooperativa basada en confianza.
Los conflictos generados
producto de la racionalidad
individual
pueden
ser
superados si aplica el
mecanismo de cooperación
planteado, donde
se
generan reputaciones sobre
el nivel de uso pertinente y
para el bien de los demás
que se hace del tiempo del
profesor.
Las
mayores
reputaciones por mejor uso
del tiempo del docente en
función del aprendizaje
colectivo reciben mejores
notas y reconocimiento
social por parte del grupo.
Si todos cooperan se
maximizaran
las
posibilidades
de
enriquecimiento mutuo y se
aprovechara la inteligencia
colectiva que se genera la
interior
del
grupo
ocasionando
bienestar
general.
El estudio explora si la cooperación basada en
confianza puede explicar
cómo superar
situaciones de conflicto entre los sujetos
involucrados en un grupo. La siguiente figura ilustra
Fig. 3 Decisiones colectivas para favorecer el
aprendizaje
76
acción cooperativa entre miembros, de tal forma
que cada sujeto que participa en el grupo aporta
sus ideas como una especie de materia prima para
que las acciones de cooperación realizadas
conduzcan al bienestar de los miembros.
Tabla 4. Condiciones iniciales de la prueba Fig 3
Media
1,138
Intervalo de confianza (95%) [1,079 - 1,198]
195
Desviación típica
0,426
Error estándar
0,031
La figura 3 muestra cómo la toma de decisiones
colectivas favorece el aprendizaje en los nativos
digitales, lo cual supone un reconocimiento a la
capacidad del grupo para orientarse a la búsqueda
del bien común. Cuando los estudiantes se
encuentran ante una situación problemática
prefieren buscar soluciones colectivas que
conlleven al bienestar del grupo teniendo en cuenta
que confían en su compañero y lo reconocen como
una fuente de conocimiento donde sus ideas son el
insumo que contribuye en la toma de decisiones en
el grupo.
Fig. 5. Interés colectivo prima sobre el interés
individual
Condiciones iniciales de la
prueba
Media
1,667
195
Desviación típica
0,544
Error estándar
0,039
Según los datos de la figura 5 gracias a la
percepción de confianza que los individuos tienen
del grupo, prefieren el bienestar colectivo sobre el
interés individual, por lo que cooperan esperando
que su acción cooperativa sea respondida con otra
acción de cooperación de similar magnitud, de
modo que prime en el grupo el bienestar colectivo y
la cooperación pueda ser premiada con buenas
calificaciones, y con reconocimiento por parte del
grupo.
Fig. 4. Interés grupal que se persigue desde el
trabajo en grupo
Media
1,754
195
Desviación típica
0,455
Error estándar
0,033
5.
DISCUSIÓN
El mecanismo de cooperación basado en confianza
define aspectos importantes para promover la
cooperación y lograr el bienestar colectivo, como
son la identificación del recurso común o bien
público donde ocurra el dilema social, así mismo
rescata la importancia de establecer acciones de
racionalidad individual y de bienestar colectivo, de
modo que se beneficien todos los integrantes del
La coordinación y cooperación en el grupo es
fundamental para que se persiga el interés grupal,
la figura 4 muestra que los miembros del grupo
definen reglas y estrategias que promuevan la
77
grupo ocasionando un enriquecimiento mutuo entre
los actores involucrados, tal como afirma Lévy
[20] afirma: “el intelecto colectivo es una especie de
sociedad anónima a la que cada accionario aporta
como capital su conocimiento, sus conversaciones,
su capacidad de aprender y enseñar. Por esta
razón, la suma de inteligencias no se somete ni se
limita a las inteligencias individuales, sino por el
contrario, las exalta, las hace fructificar y les abre
nuevas potencias, creando una especie de cerebro
compartido”.
Rheingold [23] describe los dilemas sociales como
aquellas “situaciones que surgen de la tensión
entre el interés propio y el beneficio colectivo. El
actuar según el interés propio acaba perjudicando o
dejando de satisfacer los intereses del conjunto”
algo que se vivencia comúnmente en un aula de
clase; por esta razón la preocupación de cómo la
teoría de la cooperación puede contribuir en la
solución de dilemas sociales.
Por otro lado, Wheeler [24] sostiene que sujetos
independientes pueden cooperar en tal sentido que
pueden
volverse indistinguibles de un solo
organismo. Este autor observó esta práctica
colaborativa en un trabajo con hormigas donde
analizaba que actuaban como las células de un
solo animal con una mente colectiva que les
permitía mejorar sus condiciones de vida.
Aunque dentro del estudio adelantado se refleja la
empatía de los estudiantes por actividades
colectivas donde prima la cooperación como una
estrategia para la solución de conflictos en el aula;
la revisión de literatura realizada sobre la acción de
cooperación ha permitido dar cuenta que en
situaciones de conflicto por causas de la falta de
cooperación prima el interés individual afectando el
bienestar colectivo de los sujetos involucrados,
situación similar que plantea Axelrod (1981), con el
dilema del prisionero donde la racionalidad
individual conduce al fracaso colectivo [21].
Así mismo Surowiecki [25], plantea otra situación y
afirma que ante una situación de competencia, los
equipos de trabajo deciden cooperar de forma
activa, con el fin de obtener un mejor puntaje frente
a otros grupos, entonces solamente cuando toman
las mejores decisiones de manera conjunta, puede
ofrecer mejores respuestas que las de un mismo
experto; denominando esta práctica como la
“sabiduría de las multitudes”.
Kollock (1998), define un dilema social como
aquellas situaciones en las cuales la suma de
racionalidades
individuales
genera
una
irracionalidad colectiva, afectando el bienestar de
un colectivo de los sujetos [22]. Es así, que uno de
los factores claves que pueden ocasionar un dilema
social dentro de un aula de clase es la
competencia; aquella a la que el sistema tiene
expuestos a los sujetos donde se termina obrando
a partir de la racionalidad individual y no desde el
bienestar colectivo; un ejemplo común en clase se
refleja cuando los estudiantes en su deseo de
obtener una mejor nota (interés individual),
terminan afectando el bienestar de su semejante, lo
cual se les vera retribuido en bienes como un
promedio
elevado,
estímulos
de
becas,
reconocimientos, entre otros; razón que sustenta
una vez más que el sistema es uno de los
promotores de dilemas sociales dentro de una
comunidad. En este sentido algunos estudiantes se
acercan a los objetivos planteados por el sistema
pero otros se distancian de los propósitos
establecidos; es decir, el logro de un estudiante
puede ser una derrota para otro; ya que se han
aplicado en las aulas de clase más incentivos para
la competencia y el individualismo que para el
trabajo en equipo y la cooperación.
El estudio deja como aporte que los nativos
digitales podrían incrementar la producción de
inteligencia colectiva en la medida que apliquen
mejores reglas estratégicas y normas que
promuevan la cooperación para superar dilemas
sociales. Es decir, si se identifican los bienes
públicos y recursos comunes que comparten los
nativos digitales en el aula, se puede promover
acciones de inteligencia colectiva que contribuyan
con la superación de conflictos que puedan surgir al
interior de un grupo. En este sentido se recomienda
como una acción importante abrir espacios de
diálogo en el aula que fortalezcan el espíritu crítico,
reflexivo y creativo del estudiante, de modo que se
pueda estudiar cómo incentivar a la confianza
entre pares para lograr el bienestar colectivo.
Aunque el marco de referencia no es muy amplio,
por la falta de información sobre mecanismos que
expliquen la cooperación entre nativos digitales los
resultados obtenidos soportan la conclusión que
presenta el artículo. Además se reconoce que los
estudiantes
nativos digitales de Colombia
presentan características diferentes que los nativos
digitales de otros países, por lo que vale la pena
78
evaluar la efectividad del mecanismo de
cooperación basado en confianza en otros
escenarios demográficos, por lo se deja abierta la
posibilidad de estudios futuros.
6.
[5] P. Lévy and D. Levis, ¿Qué es lo virtual?,
Barcelona: Paidós. Barcelona, 1999. Recuperado
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[7] P. Lévy, L’Intelligence collective. Pour une
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[8] J. Cabero, Principios pedagógicos, psicológicos
y sociológicos del trabajo colaborativo: su
proyección en la teleenseñanza, en MARTÍNEZ, F.
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nuevas
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trabajo
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[9] A. Piscitelli, Nativos Digitales: dieta cognitiva,
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participación. Buenos Aires: Santillana, 2009
[10] R. Cobo, Cristóbal and H. Pardo, Planeta Web
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Vic. Flacso México. Barcelona / México DF, 2007.
[11] R. Cobo, Cristóbal and H. Pardo, Planeta
Web 2.0. Inteligencia colectiva o medios fastfood.
Group de Recerca d'Interaccions Digitals,
Universitat de Vic. Flacso México. Barcelona /
México DF, 2007.
[12] C. Ortega. M. (02 de 11 de 2011).
[13] J. Surowieck, Cien mejor que uno, la sabiduría
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inteligente que la minoría. Urano: Tendencias.
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[17] J. Valencia and D. Rezonzew, Mecanismo para
la cooperación en crisis de electricidad y otros
dilemas sociales de recurso de gran escala, 2009.
[18] E. Ostrom, Behavioral Approach to the Rational
Choice Theory of Collective Action Presidential
Address, American Political Science Association,
Indiana University, 1997.
CONCLUSIÓN
Un mecanismo de cooperación basado en
confianza puede incrementar la producción de
inteligencia colectiva en la medida que se apliquen
mejores reglas estratégicas y normas que
promuevan la cooperación para superar dilemas
sociales en el aula. Así que ante la situación de
conflicto el sujeto nativo digital decide confiar en su
compañero y resolver la situación en forma
colectiva, sin desconocer que en situaciones de
conflicto el interés individual de un sujeto puede
generar malestar colectivo afectando los bienes
comunes del grupo.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento a la
Universidad Pedagógica y Tecnológica de
Colombia por el espacio otorgado para realizar la
investigación.
7.
BIBLIOGRAFÍA
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inteligencia colectiva y arquitecturas de la
participación. Buenos Aires: Santillana, 2009
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79
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la cooperación en crisis de electricidad y otros
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http://www.journaldunet.com/itws/it_plevy.shtml
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[22] P. Kollock, Social dilemmas: The anatomy of
cooperation. Annual review of sociology, 1998, 183214.
[23] H. Rheingold, Multitudes Inteligentes: la
próxima revolución social, 2002.
[24] R. Axelrod, The Evolution of Cooperation. NY,
United States: Basic Books, 1984.
[25] J. Surowiecki, The wisdom of crowds. United
States: Doubleday; Anchor, 2004.
80
BATTERY CERTIFICATION FOR SPACE PROTOTYPE
APPLICATIONS
1,4
2,4
Ittalo Pezzotti , Juan Bernardo Cano , Gianni Pezzotti
3,4,5
1
Institute for Biomedical Technology, Department of Bioinformatics, CNR Segrate Milan – Italy.
Universidad de Antioquia, Department of Electrical Engineering, Medellin-Colombia.
3
Institute for Crystallography, AdR1 Department of Agrofood, CNR Monterotondo Scalo- Rome - Italy.
4
Department of Electronic Engineering, University of Rome “Tor Vergata”, 00133 Rome- Italy.
5
Biosensor srl, Via degli Olmetti 44, 00060 Formello - Rome - Italy.
Corresponding author: e-mail: [email protected]
2
ABSTRACT
Night Vision experiment, on Endeavour’s STS-134 mission, consisted on exposing micro-algae, with cellular
organelles similar to human retina, to space conditions. The experiment required the development of a nonrechargeable battery-powered instrument for biological material life support. Crew and ship safety is vital in
space flight; thus, the experiment’s use of batteries must be certified through a series of technical tests required
by NASA. This article describes the certification process, including: the protection of circuits, and the electrical,
vibration and vacuum tests. Finally, test results, that allowed the use of the instrument in space, are shown.
Keywords: ShuttleMissionSTS134, Endeavour Shuttle, DAMA, Batteries, Spaceflight, Vacuum test, Vibration
test.
rd
th
CERTIFICACIÓN DE BATERÍAS PARA APLICACIONES EN PROTOTIPOS ESPACIALES
RESUMEN
El experimento Night Vision, realizado en la misión STS-134 del transbordador Endeavour, consistió en la
exposición a las condiciones espaciales de microalgas con organelos celulares similares a la retina humana.
Para el experimento, se construyó un instrumento capaz de mantener en vida el material biológico y dotado de
una alimentación autónoma utilizando baterías no recargables. La seguridad de la tripulación y la nave es vital
en los vuelos espaciales, por lo que los experimentos que utilizan baterías deben ser certificados a través de
una serie de pruebas técnicas exigidas por la NASA. Este artículo presenta el proceso de certificación de
baterías para permitir su uso en el vuelo espacial: se describen las protecciones eléctricas implementadas en el
circuito, las pruebas eléctricas, de vacío y de vibraciones, y finalmente se ilustran los resultados de dichas
pruebas que permitieron la utilización del instrumento en el espacio.
Palabras clave: Misión STS 134, Transbordador espacial Endeavour, DAMA, Baterías, Vuelo espacial,
Pruebas de vacío, Pruebas de vibración.
81
1.
independent source of energy, which, taking into
account prices and weight, was made up of nonrechargeable lithium batteries (LiMnO2).
INTRODUCTION
Since the beginning, space exploration has been a
very important part of scientific development.
Experimentation in non-gravity conditions through
the use of different instruments in spaceships [1],[2]
has had a big impact on many applications [3],[4].
Many of these are concerned with the possibility of
human permanence in space for long periods.
The DAMA (DArkMAtter) Project [5], of the Italian
Space Agency (ASI) and the Italian Military
Aeronautics, made it possible to send scientific
experiments to the International Space Station (ISS)
with Mission STS-134 of the Endeavour Space
Shuttle. The mission was launched from Cape
th
Cañaveral on May 16 , 2011. One of its main
objectives was the installation of the AMS (Alpha
Magnetic Spectrometer) in the ISS.
Figure 1–Photograph of the Night Vision Instrument
The DAMA Project was made up of 12 experiments:
DAMA: APE, FOAM, IENOS, VIABLE ISS, NIGHT
VISION, BIOKIS with 7 experiments (BioS-PORE,
Photo-Evolution, HiDOSE, TARDIKISS, 3DISS,
nDOSE, Arabidops-ISS). The DAMA project was
conceived to allow the participation of different
institutions: scientific, industrial, social, both Italian
and international, with the intention to allow them to
use the space station and distribute the costs.
To be allowed on the shuttle, a series of
certifications are necessary, with the intention to
guarantee that there are no risks for the
crewmembers of the ship. One of the main sources
of risk in electronic equipment is the batteries. If the
batteries were mechanically or electronically
handled in an inadequate manner, there could be
an explosion, gas or dangerous chemical substance
emissions.
The Night-Vision Experiment was developed by the
Institute of Crystallography (IC) of the Italian
National Research Board in collaboration with a
private company (Biosensor SRL). Its objective is to
evaluate substances that diminish the impact of
cosmic radiation on astronauts’ visual capacity, so
that these substances may be incorporated into
their food supplies in the future. Specifically, some
natural compounds of the Xanthophyll family were
evaluated for their ability to block intense radiation.
This article illustrates the process for the
certification of the batteries that were used in the
Night Vision space instrument.
The first section describes the Night Vision
Instrument, its structure and function, emphasizing
the power supply and the necessary circuits for the
protection of the batteries.
The second section describes the technical
qualification tests (electric, vacuum and vibration).
The materials and methods used are described for
each test.
The substratum was administered to microalgae
characterized by having ocular stains similar to the
human eye. The microalgae were exposed to the
conditions of the space station for the 16 days the
mission lasted, and were later analyzed in the lab to
verify their level of damage.
Subsequently, the obtained results are showcased.
Finally, there is a conclusion about the process of
certification that was carried out and the usability or
non-usability of the batteries.
An instrument (Figure 1) was developed to contain
and keep alive the biological material during the
stages of pre-flight, flight, and post-flight of the
mission. The design requisites demand an
82
2.
independent control circuit. The control circuits
were designed using special chips of modular
sequential logic (counters), certified for space
applications [8][9].
MATERIALS AND METHODS
2.1
NIGHT VISION INSTRUMENT
The main objective of the Instrument is to keep
microalgae alive during the extension of the
mission. Thus, enough luminous energy must be
administered to maintain the algae’s photosynthesis
process.
x
Nomex covering, a fireproof material that NASA
requires as a safety measure.
2.1.1
Power Supply
This is achieved with the use of high-intensity, low
consumption white LEDs. For biological and energy
consumption reasons, a night/day cycle is
simulated, during which the algae are stimulated
with light for 7 hours and kept in the dark for the
remainder of the 24 hour day [7].
Due to the costs and the availability of electrical
power in the space environment, it was necessary
to dote the instrument with an autonomous power
supply that would be able to keep it running during
the entire mission (pre, flight and post-flight
periods).
The Night Vision instrument, presented in Figure 2,
is composed of:
The Night Vision Instrument requires a 6 VDC
power supply with a maximum current of 3 mA
(peak). Lithium Manganese Oxide (Li/MnO2) nonrechargeable, CR2477 type batteries were chosen.
These have a nominal voltage of 3v and a capacity
of 950 mAh; plus, their low profile, weight and cost
made them ideal [10][11]. The batteries were
grouped forming series of two elements. Each
series must feed one of the three blocks (floors) of
cells in the Instrument, which are electrically
isolated. Space limitations made it necessary for all
6 batteries to be located on top of the instrument.
x
36 measuring cells made of delrin (a
biocompatible material), divided in 3 blocks
(floors) of 12 cells each. The object of these
cells is to contain the biological material,
allowing the light in through a polycarbonate
(Lexan) window.
2.1.2
Autonomy Verification
Before proceeding with the certification process, it
was necessary to confirm that the selected batteries
would give the necessary autonomy to keep the
instrument running during the entire mission.
For this purpose, the following test was conducted,
the results of which are illustrated in Section 3.1:
x
To run the equipment for the estimated duration
of the mission (16 days). To continually sample
the current consumption of the system and the
voltage level of the batteries.
x
At the end of this time, to calculate the total
capacity consumed by the battery (Ah) and the
final voltage.
x
Verify that the battery’s nominal capacity be
superior to the capacity that was consumed,
and that the final voltage be superior to the
Figure 2 -Night Vision Instrument, prepared for
flight, 24 hours before the launch.
x
A source of light (LED) per measuring cell, with
the purpose of keeping the biological material
alive [7].
x
Control circuits to power on the light sources.
Each of the three cell blocks has its own
83
minimum
running.
2.1.3
voltage to keep the
instrument
Electrical Protection
To be accepted on a NASA space flight, every
instrument that uses batteries must take into
account the following considerations and electrical
circuit protections [12].
x
Protection against short circuits: A short circuit
would produce an excessive dissipation on the
battery, causing it to heat up and possibly be
destroyed because of gas accumulation. To
avoid this risk situation, special fuses were used
that are suitable for operation with few
milliamperes.
x
Protection against an accidental overcharge:
The non-rechargeable batteries can explode if
they receive an inverse current. This could
occur during transitions due to the operation of
inductive or capacitive elements (parasites) in
the circuit. As a means of protection, a low
forward voltage diode is used in series with the
battery.
x
Figure 3: Battery protection circuit.
2.2
BATTERY CERTIFICATION
This section details the tests that were performed
on the batteries to receive the approval for space
flight.
2.2.1
Certification Process:
Protection against inverse overcharge: On
some occasions, when a battery is totally run
down, the polarity becomes inverted. In these
conditions, the battery can become heated or
explode. As a protection, anti-parallel diodes
are used with each of the batteries.
x
Initially, an electronic circuit is designed and
implemented to measure electric variables
(open circuit voltage and charged voltage) of
the batteries. This circuit is connected to a
computer software that acquires and manages
data. (Section 2.2.2).
Figure 3 illustrates the implemented protection
circuit. The two batteries (BAT1 and BAT2) in series
to produce the required voltage can be observed.
x
Using said circuit, an initial set of batteries is
measured to determine their initial conditions
(electric testing) and other physical variables
that may be of interest. (Section 2.3).
x
Some batteries from this set are selected and
they are submitted to vibration tests. Then they
are again submitted to electrical testing.
x
These selected batteries mentioned above are
submitted to a vacuum test and then to
electrical testing once more.
x
The data
variations
batteries.
complete
Each battery is accompanied by its corresponding
fuse. The D1 and D2 diodes act as a protection
against the overcharge of the BAT1 battery. Two
diodes are used because NASA requires two levels
of protection, and if one diode fails, the second is
there as a backup. This is also true for diodes D3
and D4 with the BAT2 battery.
The D5 through D7 diodes are the protection
against accidental recharge. Again, repeated diodes
are placed parallel (as a second level of protection
against the diode that may fail and remains open)
and in series (protection against the diodes that
may fail and short-circuit).
84
is analyzed to see if there are any
in the electric parameters of the
This data will be the foundation to
the technical sheets required by
NASA and to select the best batteries to use in
the qualification and flight prototypes.
2.2.2
Acquisition Software.
The software was developed on a Microsoft
Platform, using Visual Basic language [15], making
use of National Instruments’ libraries for acquisition
cards [14].
Selected Circuits and Software
To carry out the tests, it is necessary to measure
the voltage of the battery in an open circuit, and
under similar charge conditions than the ones used
in the application [13]. Figure 4 shows the
acquisition circuit.
The software allows the team to manage the OCV
CCV data acquisition for each battery, to analyze
them in reference to the description of each test,
identification code, date, photo and observation. It is
also possible to control process parameters such as
sampling rate, acquisition times and measuring
cycles.
Figure 4 – Electronic Diagram for the Acquisition
The measurements are used in an automated way,
using a Data Acquisition Card (National Instruments
DAQ-6032E, coupled with theSBC-68 terminal
block card) [14], including an electronic circuit that
controls the connection/disconnection from a
charge resistance (AQZ202 solid state relay) and a
control software installed on a computer for data
management.
The measurement of the battery’s tension is carried
out through the analog input of the acquisition card,
configured in a differential way with the purpose of
reducing noise coupling. The measurement
procedure of the acquisition card is as follows:
x
The solid state relay is opened and the data
corresponding to the open circuit voltage (OCV)
is captured.
x
When 500ms have elapsed, the solid state relay
is switched. The data for the closed circuit
battery voltage (CCV) are captured.
Figure 5– Diagram of the data structure
The software’s objective is to facilitate the handling
of information, taking into account the great number
of tests that have to be conducted, and with the
intention of avoiding unnecessary data loss or
repetition.
85
The software allows the creation of a directory
structure according to the sequential names
comprised of the country, battery name, date and
the time when it was first used.
100 batteries. This was the record of the initial
conditions, before the experiments they were
subjected to. Figure 7 shows a collage of images
concerning these measurements.
The diagram in Figure 5 shows the open circuit and
closed circuit processes carried out by the software,
and the file creation process.
The process organizes measurement in a
sequential way according to the established
parameters. It proceeds to create the file and the
directory with the system’s configuration, then it
stores the file in a text and csv format, and finally, it
automatically takes photos of the system.
The software was conceived to allow future
expansions, like the use of neuronal nets [16][17] to
provide a characterization of the battery, for
example.
2.3
Initial Tests
Figure 7 – Physical control measurements.
Out of the initial set composed of 120 batteries, a
visual inspection was conducted and 100 batteries
were selected; they were tagged (with a unique
code) and packed for the execution of the tests
(Figure 6).
The batteries were then evaluated using the system
described previously (open circuit and closed circuit
tests). Table 1 shows the type of data that was
obtained.
Figure 6 – Lithium battery disposition for
certification tests.
The initial tests consisted in the verification of the
diameter, weight and vacuum voltage of each of the
Table 1 – Examples of the data obtained in the
preliminary open circuit/closed circuit tests.
86
2.4
The batteries must be exposed to vibrations in their
X, Y and Z axes. This is accomplished with
mechanical systems powered by sensors that
control acceleration in a precise manner. Figure 8
shows part of the vibration system.
Vibration Tests
The vibration tests were conducted to confirm the
resistance of the batteries to the strong
accelerations experienced during the launch of the
mission. Said vibrations can cause the battery’s
electrochemical cells to rupture, implying internal
short circuits, loss of the material and/or the
collapse of the structure [18].
The acceleration applied to the batteries is not
constant and has to follow a profile clearly specified
by NASA that simulates the shuttle launch process.
This graphic profile is illustrated in Figure 9.
Each battery in the qualification and acceptance
groups suffer these tests, where each space axis
(XYZ) experiences changes in acceleration, on
different positions for a period of 20 minutes[19].
Once exposed to the vibration, the batteries were
inspected once more, using the same procedure
that was described for the preliminary tests. A
change (decrease) in the CCV or OCV voltages of
the batteries indicates internal damage.
2.5
Figure 8 – Vibration system for battery testing
(courtesy of SERMS)
Vacuum Tests
These tests consist of exposing the batteries to low
pressure (0.288 mbar) conditions for a period of 6
hours and then verifying their integrity.
The tests were conducted in the SERMS Laboratory
(Terni-Italia), which has all the process and
equipment calibration requirements to certify the
results to NASA.
To do this, the vacuum system presented in the
instrumentation diagram of Figure 10 was used
(Certification carried out in the laboratories of the
Crystallography Institute, CNR Rome).
Figure 10–Vacuum tests measurement system.
Figure 9 – Acceleration profile applied to the
batteries during the tests (Y axis).
87
The materials used in this test were the following:
x
The instrument’s generation of the photo-period is
evident. When the LEDs are on, the current values
are close to 1mA for 7 hours, and with the LEDs off,
the current levels are close to 0.2mA for the rest of
the 24 hour period.
Vacuum pump: with two DIVAC 0.8 LT
Leybold(GE) diaphragms, certified by the
producer according to DIN 28.426, part 1
regulations. Vacuums of 0.5 mbar(a) and
pumping capacity of 0.60 m3 h-1(p.atm) and
0.15 m3h-1(p=5.0 mbar).
x
Vacuum meter: A Leybold (GE) IONIVAC ITR
90(S/N 120-91) type meter was used. The
measuring range goes from 1000 to 5*10(-10)
mbar, the measurements can have a 15%
uncertainty rate over the measured value, and
can reproduce the measured value up to 5%.
x
Glass testing chamber: The testing chamber is
made in clean metallic glass (boron silicate I330) for high pressure, according to the DIN
12491, of ACE inc. (GB), with a total volume of
5 liters.
By calculating the area under the curve for the time
between 0-16 days, a total consumption of
192.87mAh is obtained. Compared to the total
capacity of the batteries (950mAh), the safety
requirements are satisfied with a high safety factor.
This high safety factor is necessary in case there
are any unforeseen incidents in the mission (launch
or landing delays) and taking into account the
effects of the space environment on the batteries.
The data obtained validated the battery selection
and allowed the continuity of the certification
process.
After the exposure to vacuum, the open and closed
electrical circuit measurements were conducted
once more.
3.
3.1
3.2
As it was previously mentioned, two groups of
batteries were selected to be used in the prototype:
a qualification group, and an acceptance group. To
preserve the article’s clarity, only the results for
these two groups are showcased.
RESULTS AND DISCUSSION
Autonomy Verification
Figure 11 illustrates the data
consumption of the instrument.
clarity, they correspond only to a
(out of the total 16 days of
consumption corresponds to only
blocks in the instrument (12 cells).
Vibration Test
for the current
For the article’s
period of 3 days
the test). The
one of the three
Once exposed to the vibration tests, the batteries
were inspected once more following the same
procedure described for the preliminary tests.
Visual inspection after vibration test: The visual
inspection detected mechanical damage on only
one of the batteries. This damage can be attributed
to a faulty placement on the support during the
tests. The rest of the set showed no damage.
Electrical measurements after vibration test:
Figures 12a and 12b illustrate the data obtained in
the CCV and OCV tests after the vibration test. (For
visual clarity, the data concerning some batteries is
not shown).
In these charts, the open circuit voltage for time <
500ms, and closed circuit voltage for time > 500ms
can be observed.. These values were compared to
the data from the preliminary tests.
Figure 11: Current consumed by the Instrument
against time (hours).
In the acceptance battery group, there was an
average decrease of tension of 0.42% (taking into
88
account CCV and OCV values). In the qualification
battery group, the decrease was 0.49%.
For the acceptance group, there was an average
tension reduction of 0.31% compared to the
preliminary tests. For the qualification group, the
changes were between 0.35% and 0.41% (Figure
14).
Figure 12a – Tension measurements after vibration
test (batteries in acceptance group).
Figure 13 –Vacuum test for acceptance group
Figure 12b - Tension measurements after vibration
test (batteries in qualification group).
The measurements for all the 100 batteries in the
set where similar with these measurements, except
for one of the batteries, which was discarded for
showing major differences in the CCV and OCV
measurements.
3.3
Figure 14 –Vacuum test for qualification group
3.4
Vacuum Test
Authorization for use in space flight
The results that were obtained both for the
acceptance and the qualification groups, as well as
the total set, were submitted for evaluation from a
group of Battery Experts from NASA [12]. They
were responsible for the certification or disproval of
the batteries in the experiment.
Visual inspection after vacuum test: No
mechanical damage was detected in any of the
batteries after vacuum exposure.
Electrical measurements after vacuum test: After
the exposure to vacuum conditions, the open and
close circuit electrical tests were conducted once
more. Figures 13 and 14 illustrate the results (for
qualification and acceptance groups).
Apart from the previous results, a design sheet and
a battery evaluation form Battery Design Evaluation
89
Form –EP5) [12] were elaborated, in which the
following relevant information was accounted for:
x
x
x
x
The entity using the battery.
The working environment for the battery:
Temperature (ranges from -30 y 70°C, with
operational point at 25°C)Type of Activity:
Intra Vehicular Activity (IVA).
Battery
Characteristics:
Composition
(Li/MnO2), size (CR2477), maximum charge
conditions (1.2mA). Total capacity of the
battery, self-discharge (1%), lifetime of the
battery (8 years). Most of this data was
obtained
from
the
manufacturer’s
datasheets [11][10].
Finally, certifications of the different entities
that conducted the tests were annexed. The
datasheets for the circuits and the
components used in the protection of the
batteries were also annexed.
x
x
x
When this documentation was turned in, the
evaluation process was successfully concluded,
and the approval for the use of these batteries
in flight in the Night Vision Instrument was
obtained.
3.5
5.
st
The mission landed on June 1 , 2011, after 16
days. Following the post-flight operations, the
Instrument was delivered and it was confirmed that
it was still functioning properly (the LEDs were on at
the moment). The batteries showed no visible
mechanical damage and the voltage was still
enough to maintain the system operation.
4.
x
ACKNOWLEDGEMENTS
x
To the Italian Space Agency (ASI), funding
entity and active coordinator in the DAMA
Project’s concerns with space flight.
x
To the researcher Doctor Andrea Margonelli
from the Italian National Research Council
(CNR) of the Crystallography Institute (IC),for
their help with vacuum testing.
x
Judith Jeevarajan, NASA expert in the Johnson
Space Center JSC, as the final evaluator to
certify the batteries for the mission
x
Schneider Hansjoerg of Renata Batteries, for
the information he provided concerning the
batteries.
In-flight behavior:
The Night Vision Instrument was launched on May
th
th
16 , 2011, after an attempt on April 29 that was
aborted due to problems with the heating device in
the power units of the shuttle [6].
the ship and the crew. In a space context,
batteries are potentially dangerous elements.
This is why their use is strongly regulated and
must be submitted to the necessary certification
and
electrical
protection
system
implementation.
NASA’s certification process for the use of
batteries implies a series of tests to guarantee
the resistance of said batteries to the vibrations
and low-pressure conditions of space.
Through the process described in this article, it
was possible to obtain the authorization for the
use of Renata CR2477 batteries in a space
flight. This certification is exclusively for the
Night Vision Instrument, but thanks to the
similar case criteria, they may be used in other
space projects with only a few further tests.
The design criteria used for the selection of the
batteries, which implied a high safety factor,
were appropriated for the application. The
capacity of the batteries kept the instrument
running appropriately for the entire duration of
the mission.
6.
REFERENCES
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A.Tibuzzi,
V.Scognamiglio,
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mondosenzagravità”, (ISSBB), 31 March – 2
April 2009, Santa MargheritaLigure, Italy.
CONCLUSIONS
Space instrumentation for missions in the
shuttle or the Space Station must be
constructed in a way that minimizes all risks for
2. A.Tibuzzi,
G.Pezzotti,
V.Scognamiglio,
I.Pezzotti,
90
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implementación de un sistema de adquisición
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91
92
Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Volumen 10, Año 10, Número 18, páginas 93-101, Enero-Junio 2014
MODELADO Y CONTROL DE UN PROTOTIPO DE AERONAVE
NO TRIPULADO DE ALA FIJA
1
1
Doctor en Ingeniería. Profesor asociado de la Universidad Militar Nueva Granada y adscrito al programa de
Ingeniería Mecatrónica. E-mail: [email protected]
RESUMEN
El propósito de este trabajo es dar un acercamiento al modelado y control de aviones no tripulados de pequeña
envergadura, orientado a hacer una implementación real. Una representación matemática se presenta,
mostrando la dificultad del comportamiento aerodinámico. Un control no lineal a partir del desacople del vuelo
lateral y longitudinal es presentado. Al final, se muestra resultados en simulación y se propone un trabajo futuro
de implementación en un prototipo real, construido en la Universidad Militar Nueva Granada
Palabras clave: UAV, Modelado dinámico, Control, Desacople, Vuelo lateral, Vuelo Longitudinal.
Recibido: 09 de Diciembre de 2013. Aceptado: 29 de Mayo de 2014.
th
th
Accepted: May 29 , 2014.
Received: December 09 , 2013.
MODELING AND CONTROL OF A PROTOTYPE OF UNMANNED AIRCRAFT WITH FIXED WING
ABSTRACT
The purpose of this work is giving an approach to the modeling and control of small scale UAVs, in order to
make a real implementation. A mathematical representation is presented evidencing the difficulty of modeling
the aerodynamic behavior. A non-lineal control based on decoupling of lateral and longitudinal flight is
presented. In the end of the article, the simulation results are shown and the implementation on a real
prototype to be built in the Military University Nueva Granada is proposed as future work.
Keywords: UAV, Dynamic modeling, Control, Decoupling, Lateral flight, Longitudinal flight.
93
1.
Universidad de Sidney [3], realiza un concurso
abierto al público en UAV, además de realizar
investigación permanente en el campo, con aportes
en la navegación autónoma y formación de robots
para tareas cooperativas. De igual manera lo hace
el MIT [4], desarrollando aplicaciones en trabajo
cooperativo o tareas especificas en misiones.
INTRODUCCIÓN
En el contexto de aviones no tripulados, conocido
como UAV por su nombre en ingles Unmanned
Aereal Vehicle, la Universidad Militar Nueva
Granada - UMNG viene incursionando en el tema,
mediante proyectos de investigación, con
financiación interna y adscritos al programa de
Ingeniería Mecatrónica. En estos, se ha planteado
el diseño y construcción de una aeronave de ala fija
de pequeña envergadura, tal como se presenta en
la Fig. 1.
En un contexto nacional, se encuentran desarrollos
aislados. La Universidad Eafit, en cabeza de Carlos
Mario Vélez [5], presenta desarrollos en
helicópteros autónomos, modelado e identificación
paramétrica. La Universidad del Cauca, en cabeza
de Jorge Andrés Córdoba [6], desarrolla prototipos
de ala fija y controles basados en lógica difusa.
Otros exponentes en el contexto nacional son la
Universidad Bolivariana de Medellín y la San
Buenaventura-sede Bogotá, entre otras.
A nivel de desarrollos o incursión en técnicas de
control, identificación o misiones, muchos trabajos
pueden ser referenciados. Kerr [7] presenta
desarrollos con compensadores y controles
saturados. MicroPilot [1], implementa en sus
autopilotos, controles tipo PID anidados. Chalmers
[8] presenta trabajos cooperativos, donde usan
tecnología de MicroPilot para hacer telemetría. El
ENAC [9] trabaja en cooperación de robots aéreos
y terrestres, cartografía y formación en misiones.
Así, el tema está abierto a la optimización y
aplicaciones propias, bajo entornos específicos. En
[10] se presenta el control de un avión de ala fija
con dependencia y no dependencia del GPS,
debido a que nacen dificultades cuando sobrevuela
en terrenos bajos y con obstáculos, y se genera
pérdidas en datos del GPS. [11] realiza diseño de
controles propios, mediante la técnica de
compensadores de adelanto de fase y PID para
controlar altitud. Un controlador PID integrado con
Filtro de Kalman Extendido (EKF) para el control de
attitude a nivel simulación es mostrado en [12]. En
[13] se presenta sintonización por Ziegler-Nichols
para el control de attitude y altitud, realizando
pruebas usando Hardware in the Loop. [14]
Presenta
estimación
de
parámetros
para
sintonización de los controles de aeronaves de ala
fija. [15] presenta técnicas Backstepping y modos
deslizantes para la estabilización de un avión de ala
fija. La aplicación de un nuevo sistema de control,
que consiste en combinar la inversión dinámica no
lineal con la asignación de control multivariado
basado en spline-simplex, es presentado en [16].
Un esquema de compensación no lineal con
antiwindup, es propuesto en [17], donde el sistema
Fig.1. Aeromodelo de ala fija – diseñado y
construido en la UMNG.
En la conceptualización, diseño mecánico y
construcción de la aeronave, se consideró un
prototipo capaz de realizar vuelos con bajo
consumo energético, sistema de propulsión
eléctrica y carga paga de por lo menos 2kg.
Con esta plataforma, se ha hecho el recorrido de
plantear un modelo dinámico y prueba de controles
de vuelo a nivel simulación, bajo el concepto de
desacople en la fase de vuelo crucero, en vuelo
lateral y vuelo longitudinal, con fines futuros de
implementación en hardware.
En la literatura, muchas empresas, centros de
investigación e instituciones Universitarias vienen
adelantando estudios permanentes en estas
plataformas. MicroPilot [1] es un ejemplo de la
industria, que presenta desarrollos en auto-pilotos,
estaciones de control, comunicaciones, integración
a nivel Software-Hardware o demostraciones de la
integración de servicios para este tipo de
aeronaves, entre otros. En un contexto
internacional y orientado a la investigación desde
instituciones universitarias, el EPFL y su laboratorio
de sistemas inteligentes [2], está realizando
propuestas novedosas en el campo de los UAV, tal
como los Drones capaces de desplazarse y
recuperarse, aun si tienen una colisión. La
94
de control de ciclo interno consiste en inversión
dinámica no lineal, mientras que el control de ciclo
externo consiste en un controlador PID.
(1)
La UMNG - Programa de Mecatrónica y el Grupo
de Investigación en Desarrollos y Aplicaciones
Mecatrónicas
- GIDAM, realiza esfuerzos
encaminados a cerrar un poco esta brecha. En esta
dirección, este trabajo pretende acercar a la
formulación de leyes de control, orientadas a la
implementación sobre prototipos reales.
Donde s sin y c cos . Esta resulta de realizar
rotaciones sobre los ejes, normalmente conocidos
como los ángulos de Euler. La matriz para ir de Rb
a Ra está dada por la Ec. 2.
(2)
El presente artículo esta organizado así: la
introducción relaciona una plataforma que fue
diseñada y construida en la UMNG, y muestra un
contexto nacional e internacional de lo que se viene
realizando. La sección 2, presenta el modelo
dinámico de una aeronave. Una técnica de diseño
basada en linealización extendida, para la
construcción de las leyes de control, sobre el
principio de vuelos estables a baja velocidad (vuelo
crucero) – desacople de la dinámica lateral y
longitudinal, se encuentran en la sección 3. Algunos
resultados de simulación son mostrados en la
sección 4 y por último, se abordan
algunas
conclusiones.
2.
Los sistemas coordenados referenciales antes
mencionados, son ilustrados en la Fig. 2.
METODOLOGIA
2.1
MODELO DINAMICO DEL SISTEMA
Fig.2. Sistemas referenciales vistos sobre el avión.
Antes de iniciar a conceptualizar y diseñar las leyes
de control, se requiere de un estudio adecuado de
la dinámica del sistema. Para esto, se considera las
ecuaciones de movimiento de un cuerpo rígido en
el plano 3D. Para complementar el anterior modelo,
se considera el comportamiento aerodinámico del
sistema, y para la determinación de los coeficientes
aerodinámicos, se considera software de fluidos
dinámicos – CFD, sintetizados en aportes que se
reflejan en ecuaciones relativamente simples para
el presente artículo.
2.1.1
Los siguientes son supuestos para la obtención del
modelo:
1. El sistema es considerado un cuerpo rígido
y simétrico en el plano XZ del sistema Rb .
2. El sistema se considera de masa constante
3. El movimiento del sistema es constante con
respecto a la distancia donde efectuará los
vuelos (no se afecta por los movimientos
de la tierra).
4. Se considera el viento medido desde tierra
como perturbación.
Cinemática
Para describir la dinámica de un UAV en 3D, es
necesario considerar los sistemas referenciales
tierra Ro , cuerpo Rb y aerodinámico Ra . La matriz
de cosenos directores que da el paso entre el
sistema Ro y Rb es la presentada en Ec. 1.
2.1.2
Ecuaciones de movimiento
Mediante la teoría de momento lineal, momento
rotacional y energía cinética, es posible obtener la
ecuación de movimiento traslacional y rotacional
del sistema, tal como se presenta en Ec. 3.
95
2.1.3
(3)
La fuerza del peso, es conveniente considerarla
siempre sobre el eje z del sistema coordenado Ro ,
y realizar la translación al sistema Rb , donde se
hace la sumatoria de fuerzas. Al aplicar la matriz
B
de rotación M o , se tiene la expresión de la Ec. 8.
Para un vector descrito en Rb , rotando a una
velocidad :, se tiene que el cambio en la cantidad
de
movimiento
es
dPb
dt
m
dV
,
dt
Fenómenos gravitacionales
siendo
V ui v j w k , m la matriz de masas,
: pi q j rk e ICG Ixi Iyj Izk +(términos
acoplados en el plano Ixy ). La Ec. 3. puede ser
(8)
reescrita como
(4)
Donde los productos cruz del lado izquierdo de Ec.
4 se asocian a fuerzas centrifugas y de coriolis.
Finalmente, la ecuación dinámica del aeromodelo
puede ser formulada por
FG
2.1.4
Fenómenos propiciados por el empuje
Dependiendo de la ubicación del propulsor en la
estructura, se pueden tener ángulos asociados al
vector de fuerza del elemento propulsor. Para el
caso de la estructura de la Fig. 1, el motor está
alojado paralelo al eje x del sistema Rb. Si existe
un ángulo de desvío entre el eje X y el vector de
fuerza (tomado como P ), este debe ser
considerado, así como la ubicación de este motor
cuando este no está en el centro de gravedad (ver
[18]). El vector de fuerzas queda expresado como
en Ec. 9.
(5)
Donde Text está formado por los aportes de los
fenómenos aerodinámicos Ta (v a ) , fenómenos
asociados a la fuerza de gravedad gat , y la fuerza
que porta el sistema propulsor Tp . La matriz M b
se presenta en la Ec. 6 y el término
mg .
Donde
Tb en Ec. 7.
(9)
(6)
2.1.5
Efectos aerodinámicos.
Para la descripción de los efectos aerodinámicos
que actúan sobre el avión, se debe considerar la
teoría de un cuerpo cualquiera en movimiento
dentro de un fluido. Para disminuir la complejidad
de las ecuaciones, se hace el supuesto que el
aeromodelo se desplazará a velocidades bajas (por
debajo de los 100k /h ), lo que conduce a un
número de mach pequeño, haciendo posible
considerar la masa volumétrica constante
(7)
96
teoría de control, se consideran este tipo de
sistemas como modelos afines [19]. Esto es
plantear modelos en los puntos de equilibrio, o
puntos de operación cercanos a estos. Lo anterior,
permite conceptualizar un modelo para la dinámica
longitudinal, presentado en la Ec. 12, y otro para la
dinámica lateral, presentada por Ec. 13.
( Pf P ). El avión no supera los 200m de altitud.
Lo anterior conduce a la ecuación de aporte
aerodinámico descrita en Ec. 10.
(10)
Donde se observa que el fenómeno aerodinámico
es dependiente del número de Reynolds,
superficies de contacto de la plataforma, ángulo de
ataque D , ángulo de deslizamiento E , empuje y
deflexión de alerones, entre otros. Este aporte es
de los más difíciles de describir matemáticamente,
obligando a ir a pruebas iterativas en CFD, o
túneles de viento. El objetivo del artículo es hacer
una descripción de esta fuerza y no profundizar en
ella.
Lo
anterior
conduce
a
plantear
matemáticamente el aporte aerodinámico, como
está en la Ec. 11.
(12)
(13)
(11)
Cabe resaltar que los ángulos de ataque D y
deslizamiento E , y la velocidad aerodinámica
v a V , son consideradas como se presenta en
Ec. 14.
Finalmente, el modelo de simulación es planteado
con estas ecuaciones y codificado en Matlab. El
diagrama de bloques es presentado en la Fig.3.
(14)
Las ecuaciones anteriores son los modelos usados
para plantear la ley de control. Estos reguladores
pueden estar enmarcados en el contexto de los
sistemas aumentados para estabilidad (Stability
Augmentation Systems – SAS [20,21]) y en los
sistemas
aumentados
de
control
(Control
Augmentation Systems – CAS [20,21]). Lo anterior
es conducente a considerar los controles como se
ilustran por los diagramas de bloques presentados
en Fig.4 – Control sobre dinámica longitudinal, y
Fig. 5 – Control sobre dinámica lateral.
Fig. 3. Diagrama de bloques del modelo en
simulación.
2.2
CONTROL
BAJO
DESACOPLE
DINÁMICO
Bajo el supuesto de volar a bajas velocidades y
tener dinámicas desacopladas, tal como se da
cuando se garantizan puntos de operación donde
dejan de ser relevantes otras dinámicas, se tiene
desacople en vuelo longitudinal y lateral. En la
97
(16)
Al realizar la expansión en todo el espacio de
trabajo, se debe resolver la integral parcial para la
ley de control de la Ec. 16, quedando la ley de
control como se muestra en la Ec. 17.
(17)
El anterior procedimiento es usado para la
determinación de los controles de las variables de
estado: velocidad aerodinámica ( v a ), altitud ( z ) y
dirección ( \ ).
Fig.4. Control por realimentación de estados sobre
dinámica longitudinal.
3.
RESULTADOS EN SIMULACIÓN
Se tiene que luego del diseño del control para el
vuelo longitudinal y su respectiva implementación y
validación en simulación (esquema Fig.4), se
consigue los resultados presentados en las graficas
Fig. 6, y Fig. 7.
dinámica lateral.
Tomando como partida la teoría de control no
lineal, basada en linealización extendida, siendo un
sistema no lineal cualquiera, descrito por
dx
dt
f (x,u,t) , donde
f es considerado un
campo vectorial parametrizado por la entrada u y
sobre una variedad de estado M , que puede ser
asociado a una hipersuperficie. Así, para cada par
(x,u) , el campo asocia una dirección f (x,u,t)
tangente a la variedad de estado M en el punto P
de coordenada x . Para el caso del UAV, f es un
campo de fuerzas y es modificado por la entrada al
sistema que son la propulsión y superficies móviles.
Al considerar la linealización de primer orden para
el sistema, se puede encontrar el modelo en
variaciones que se presenta en la Ec. 15.
Fig.6. Seguimiento de la referencia en altitud.
La Fig. 6, muestra un ligero sobrepaso en la altitud,
una vez el sistema se acerca a la referencia. Esto
se debe a la dinámica propia del sistema que lo
propicia, así se actúe sobre los alerones de
elevación.
(15)
La Fig. 7 permite evidenciar la anterior afirmación,
donde adicional a la señal de control (alerones
elevadores), se presenta la variable de estado pitch
- T . La acción de los alerones de elevación se
enmarcan en un actuar de 5 segundos para lograr
A partir del modelo de la Ec 15, se plantea la ley de
control dependiente del punto de operación, tal
como lo presenta la Ec. 16.
98
la estabilización del avión en cambios de altitud
próximos al punto de operación.
deflexión de los alerones cuando se requiere hacer
giros.
Fig.7. Señal de control para mantener altitud.
dinámica lateral.
Los resultados del control lateral (esquema Fig. 5)
son presentados en las figuras Fig. 8 y Fig. 9.
La Fig. 8 relaciona la respuesta del sistema en
dirección (heading - \ ). Se observa que el control
es conservador, haciendo llegar el sistema
lentamente a su referencia, no importando gastar
casi 20 segundos en la maniobra.
4.
Como se presentó en el ítem anterior, los controles
propuestos manifiestan de manera general tener un
apropiado comportamiento, aun cuando se
diseñaron sobre la base de modelos reducidos.
Cabe resaltar que solo estos resultados son
válidos, si se mantienen desplazamientos a baja
velocidad y no se entra en las no linealidades
fuertes del modelo, donde cobrarían importancia y
las leyes de control tendrían que hacer grandes
esfuerzos para mantener el UAV controlado,
incluso, poder sacarlo a regiones de inestabilidad.
Cabe resaltar que aunque no se consideran los
acoples entre las dinámicas en los diseños de los
controles, estos afrontan adecuadamente la
regulación del sistema y mantienen las referencias.
5.
dinámica lateral.
CONCLUSIONES
Se contextualizó un modelo para la dinámica de
vuelo de un aeromodelo de ala fija. En este, un
análisis del comportamiento aerodinámico permitió
reducir el modelo, contemplando aportes directos
de la deflexión de los alerones. A partir de estos, se
planteó un modelo soporte para los diseños de los
controles.
La Fig. 9 presenta la acción de los alerones timón
(rudder), quienes tienen una acción fuerte al inicio
de un cambio, pero lento al realizar la aproximación
al objetivo referencia. La variable velocidad en
alabeo (r), presenta una estabilización un poco más
rápida, viendo que es afectada por las acciones de
control, cuando se ejerce sobre la aeronave la
99
A nivel del diseño de los controles, la teoría de
linealización extendida – no lineal, mostró buenos
resultados, evidenciando la validez de los modelos
linealizados en las dinámicas lateral y longitudinal.
A nivel de simulación, se observa que los controles
presentan acoples que son difíciles de tratar
directamente con la teoría de control presentada.
Desde aquí, un trabajo futuro puede ser propuesto,
mediante la teoría de desacople.
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2013, Grand Hyatt Atlanta, Atlanta, GA.
[11] Ahsan, M. ; Shafique, K. ; Bin Mansoor, A. ;
Mushtaq, M.- Performance comparison of two
altitude-control algorithms for a fixed-wing UAV.
Computer,Control & Communication (IC4), 2013 3rd
International Conference on .25-26 Sept. 2013.
[12] Faizan. A. Warsi, D.Hazry, S. Faiz Ahmed, M.
Kamran Joyo, M. Hassan Tanveer, H. Kamarudin,
Zuradzman M. Razlan - Yaw, Pitch and Roll
Controller Design for Fixed-wing UAV under
uncertainty and perturbed Condition. 2014 IEEE
10th International Colloquium on Signal Processing
& its Applications (CSPA2014), 7 - 9 Mac. 2014,
Kuala Lumpur, Malaysia.
[13] Sufendi, Bambang Riyanto Trilaksono, Syahron
Hasbi Nasution and Eko Budi Purwanto - Design
and implementation of hardware-in-the-loopsimulation for uav using pid control method. 2013
3rd International Conference on Instrumentation,
Communications, Information Technology, and
Como conclusión global del desarrollo aquí
presentado, se orienta a implementar de manera
relativamente fácil sobre sistemas de procesado
embarcado, las leyes de control aquí formuladas.
Por lo tanto, un trabajo seguido a lo que se expone
en el presente documento, se centra en la
implementación de los resultados sobre la
plataforma aérea real. Cabe resaltar que esta fase
de trabajo se está adelantando actualmente. La
logística y preparación de esta experimentación no
es inmediata y debe ser considerada con todas las
variables posibles conducentes a error, de manera
que no se arriesgue la estructura.
6.
AGRADECIMIENTOS
Se hace reconocimiento a Colciencias por su
financiación al proyecto ‘Diseño y construcción de
un robot tipo vehículo aéreo no tripulado, UAV, con
asistencia en vuelo para el monitoreo de redes de
transporte eléctrico e hidrocarburos’. Proyecto
beneficiado de plan contingencia con código 1123521-28738. Igualmente a la Universidad Militar
Nueva Granada – UMNG por propiciar los espacios
y tiempo de dedicación al proyecto.
7.
[1]
MicroPilot.
Disponible
en:
http://www.micropilot.com/products-horizonmp.htm.
Disponible en: http://www.cdc.noaa.gov [consultado
el 10 de enero de 2013].
[2] École Polytechnique Fédérale de Lausanner –
EPFL – Laboratorio de sistemas inteligentes.
Disponible en: http://lis.epfl.ch/ [consultado el 10 de
enero de 2013].
[3] Universidad de Sydney – Investigación en UAV
&
Robotic
Aircraf.
Disponible
en:
http://web.aeromech.usyd.edu.au/wwwdocs/uav.ht
ml [consultado el 10 de enero de 2013].
100
Biomedical Engineering (ICICI-BME). Bandung,
November 7-8, 2013.
[14] Li Meng, Liu Li, S.M. Veres - Aerodynamic
Parameter Estimation of an Unmanned Aerial
Vehicle Based on Extended Kalman Filter and Its
Higher Order Approach. Advanced Computer
Control
(ICACC),
2010
2nd
International
Conference on, Publication Year: 2010 , Page(s):
526 – 531.
[15] Qinglei Hu, Bo Li, and Youmin Zhang.
"Nonlinear
Proportional-Derivative
Control
Incorporating Closed-Loop Control Allocation for
Spacecraft", Journal of Guidance, Control, and
Dynamics, Vol. 37, No. 3 (2014), pp. 799-812. doi:
10.2514/1.61815.
[16] H. J. Tol, C. C. de Visser, E. van Kampen, and
Q. P. Chu. "Nonlinear Multivariate Spline-Based
Control Allocation for High-Performance Aircraft".
doi: 10.2514/1.G000065.
[17] Prathyush P. Menon, Mark Lowenberg, Guido
Herrmann, Matthew C. Turner, Declan G. Bates,
and
Ian
Postlethwaite.
"Experimental
Implementation of a Nonlinear Dynamic Inversion
Controller with Antiwindup", Journal of Guidance,
Control, and Dynamics, Vol. 36, No. 4 (2013), pp.
1035-1046. doi: 10.2514/1.59027.
[18] Solaque, L. Modelado y control de dirigibles.
[PhD Thesis]. Toulouse, FR: Instituto Nacional de
Ciencias Aplicadas, 2007.
[19] A. J. Fossard. Systèmes non linéaires. Masson,
1993.
[20] J. Blakelock. Automatic control of Aircraft and
Missiles, 1991.
[21] B. Stevens and F. Lewis. Aircraft control and
simulation, 1992.
101
102
PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUA PARA USO INDUSTRIAL
1
2
Yeison Arley Rodríguez Arias , Luis Eduardo García Jaimes .
1
Ingeniero en Instrumentación y control. E-mail: [email protected].
Ing. Instrumentación y Control, Especialista en Automatización Industrial Universidad del Valle, Magister
Universidad de Antioquia. E-mail: [email protected].
2
RESUMEN
Se presenta una propuesta de automatización para la planta de tratamiento de agua para uso industrial en
Colcerámica S.A. planta Girardota, en la propuesta se incluye una descripción del proceso de tratamiento
actual, obteniéndose un diagnóstico que permitió establecer las siguientes variables críticas: pH, turbidez, flujo
y nivel de agua en los vertederos; posteriormente se seleccionan y describen los equipos necesarios para
realizar la propuesta, se elaboran los diagramas de Tubería e Instrumentación (P & ID) y el plano 3D de la
planta automatizada y se realizan los cálculos costo-beneficio que se obtienen al implementar la propuesta.
Como resultados se obtendrá la medición exacta de las variables involucradas, un registro continuo de la
variables mencionadas, exceptuando la variable pH; un sistema de dosificación automático para el sulfato de
aluminio e hipoclorito de sodio, logrando que el agua tratada en la planta cumpla con las condiciones
requeridas por la compañía.
Palabras clave: Dosificación automática, Automatización, Variable crítica, Turbidez, Test de jarras,
Registrador multivariable.
Recibido: 23 de Noviembre de 2013. Aceptado: 22 de Marzo de 2014.
rd
Received: November 23 , 2013.
nd
Accepted: March 22 , 2014.
PROPOSED AUTOMATION OF WATER TREATMENT PLANT FOR INDUSTRIAL USE
ABSTRACT
A proposal of automation for a water treatment plant for industrial use in Colcerámica S.A. Girardota facilities
is presented. The proposal includes a description of the current treatment process, obtaining a diagnosis that
allowed to establish critical variables as: pH, turbidity, flow and water level in landfill.; Subsequently, the
equipment needed to perform the proposal are selected and described, piping & instrumentation diagrams (P
& ID) and 3D plane of the automated plant are developed, finally, cost-benefit calculations are performed
upon implementation of the proposal. The obtained results include an accurate measurement of the variables
involved, a continuous record of the aforementioned variables, except the variable pH, an automatic dosing
system for the aluminum sulphate and sodium hypochlorite, achieving the treated water to meet the plant the
conditions required by the company.
Keywords: Automatic metering, Automation, Critical variable, Turbidity, Jar test, Multivariable recorder.
103
1.
Medina en 2008 [2] implementa la automatización
de la planta de tratamiento de agua de Villa
Hermosa de EPM,
para realizar de manera
automática la dosificación de Sulfato de Aluminio y
el sistema de bombeo mediante un controlador
lógico programable (PLC KOYO DL06) y
un
variador de velocidad. También implementan el
monitoreo de la variable pH, la cual es medida en el
agua de salida de la planta.
INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia se ha evidenciado como el
hombre
ha
buscado
insaciablemente
el
mejoramiento continuo de si mismo y de los
procesos que diseña, razón por la cual se ha
apoyado de las ciencias exactas y la ingeniería;
haciendo de ellas herramientas que le proporcionan
mayor autonomía , eficiencia y seguridad a los
procesos antes mencionados. Es allí donde nace el
concepto de automatización, término que abarca el
uso de la instrumentación industrial, la ingeniería
mecánica, electrónica y de control. Esta última
posibilita, a partir del modelo matemático del
sistema, determinar su comportamiento dinámico
y diseñar algoritmos de control de acuerdo a
condiciones prestablecidas que permitan obtener el
desempeño deseado.
En 2009 Betancur y Mármol [3], elaboraron el
diseño de instrumentación para la optimización del
control en la planta de tratamiento de aguas
residuales en HOLASA, para controlar el nivel en
los tanques donde llegan las aguas contaminadas,
implementaron un sensor de pH a la salida y
elaboraron un nuevo programa en el PLC para
controlar las diferentes variables que intervienen en
el proceso.
El artículo tiene como objetivos: describir el estado
actual del funcionamiento de la planta de
tratamiento de agua, presentar una propuesta de
automatización para la misma y realizar un análisis
económico costo-beneficio para justificar la
automatización. Se parte de una planta operada en
forma completamente manual, sin ningún tipo de
control sobre el proceso de dosificación de los
elementos químicos necesarios para el adecuado
tratamiento del agua, lo cual impacta de manera
negativa en el producto base de la compañía como
lo es la elaboración de pasta y esmalte para la
fabricación de porcelana, en donde la situación
anterior provocaba impurezas que reducían
notablemente la
calidad de los productos
elaborados
En 2004 Avlonitis et al. [4], automatizaron una
planta desalinizadora de ósmosis inversa, la
automatización realizada permite el control remoto
y supervisión de la planta a un costo bajo y
razonable. La instalación del sistema ha
demostrado ser muy útil en el mantenimiento
preventivo, en donde el sistema ha reducido el
costo de mano de obra, y ha aumentado la
productividad del trabajo debido a la supervisión a
distancia del proceso.
Clever et al. [5], presentan un proceso para la
potabilización de agua de rio en tres etapas:
prefiltración, ultrafiltración y ósmosis inversa. Esta
última técnica ha sido la técnica utilizada en la
preparación de agua potable y agua de
alimentación de calderas. Por otro lado, la
ultrafiltración es nueva a este sector y se ha
utilizado sólo recientemente en la escala industrial.
El proceso lo utilizaron para purificar el agua
proveniente del río Weser y convertirla en agua
potable por la combinación directa de ultrafiltración
y ósmosis inversa.
En torno a esta problemática, se han desarrollado
numerosos trabajos orientados a la implementación
de plantas de tratamiento de agua automatizadas,
que manejen sistemas de dosificación automáticos,
sensado y registro de las variables criticas,
obteniéndose mayor eficiencia y reducción de
costos en el proceso que determina la calidad del
agua que suministra la planta.
La realización de la propuesta de automatización
se dividió en tres etapas: en la primera se describe
el proceso actual de la planta, su ubicación
geográfica, las principales estructuras que la
componen y se determinan las condiciones de
tratamiento según las necesidades de la compañía;
en la segunda etapa se muestra la selección y
caracterización de la instrumentación requerida y el
nivel de automatización propuesto. Finalmente, en
la tercera etapa, se realiza el análisis económico
costo-beneficio, en el cual se incluyen los costos
Rangel [1], realizan el diseño de un sistema de
supervisión SCADA para la optimización y el control
de la planta de agua en CERVUNIÓN S.A, el cual
posee un
sistema de supervisión donde se
obtienen los tiempos de paro y producción de cada
una de las máquinas que intervienen en el proceso.
Así como cualquier cambio ocurrido se guarda en
un registro de datos exactos e históricos de la
planta.
104
Estación de bombeo: Compuesta por tres bombas
que se alternan manualmente cada 8 días,
actualmente cada una de ellas se encuentra en
buen estado al igual que la tubería que se utiliza
para transportar el agua hasta los vertederos, razón
por la cual no se requiere automatización alguna.
actuales y los costos estimados luego de la
implementación de la propuesta, para obtener el
retorno simple de la inversión y analizar la
viabilidad de la automatización de la planta de
tratamiento de agua según los parámetros de la
empresa.
2.
En la figura 2 se puede apreciar la estación de
bombeo y una panorámica del sistema de bombeo
respectivamente.
2.1. Ubicación geográfica de la planta
Girardota Área Digital [6], la planta de tratamiento
de agua para uso industrial de la empresa
Colcerámica S.A se encuentra ubicada al Norte del
Valle de Aburrá del Departamento de Antioquia, en
la zona urbana del municipio de Girardota y su
entrada
limita exactamente con la Carretera
Girardota-Hatillo, (6º22´43´´N, 75º26´41´´W). La
temperatura del lugar es 22 °C y se encuentra a 26
km N de Medellín aproximadamente. Corantioquía
[7], La fuente hídrica de la planta corresponde a la
microcuenca de la quebrada El Salado, la cual nace
en los límites con el municipio de Guarne, recorre el
municipio de Girardota de sur a norte hasta
desembocar en el río Aburra Medellín.
Figura 2. Estación de bombeo.
2.2. Características físicas de la planta
La planta de tratamiento de agua para uso
industrial en Colcerámica S.A. planta Girardota esta
compuesta por las siguientes estructuras:
Vertedero: La planta cuenta actualmente con 2
vertederos los cuales poseen el mismo diseño
geométrico (Vertedero triangular, con ángulo de 90°
y altura máxima de 0.28 m), los 2 manejan un
3
caudal máximo de 0.0102 m /s. En los vertederos
se recomienda instalar un sensor de nivel por
ultrasonido y un sensor de turbidez para tener una
indicación confiable de dichas variables y
suministrar la dosificación sulfato y de hipoclorito
adecuada por medio de esta información. En la
figura 3 se muestra la imagen del vertedero N°1 y
en la figura 4 la imagen del vertedero N°2.
Bocatoma: Destinada a captar el agua de la
quebrada El Salado, para posteriormente realizar el
respectivo tratamiento de la misma. La estructura
hidráulica posee una compuerta de control y cierre
de la misma. En la figura 1 se muestra la bocatoma
que realiza la captación del agua de la quebrada El
Salado.
Figura 3. Vertedero N°1.
Figura 1. Bocatoma
105
Tanque de almacenamiento interno y externo de
agua tratada: en estos tanques se deposita la
mayor cantidad de agua tratada por la planta; estos
a su vez suministran el agua para los diversos
procesos de la planta.
En las figuras 7 y 8 se muestran el tanque de
almacenamiento interno y externo de agua tratada
respectivamente.
Figura 4. Vertedero N°2.
Floculadores: son 2, poseen 5 tanques: 4 tanques
con 5 tabiques cada uno y 1 tanque sin tabiques
para realizar un reposo antes de pasar a los
sedimentadores, son los encargados de almacenar
los flóculos que se forman al adicionar el sulfato de
aluminio. Ver figura 5.
Figura 7. Tanque de almacenamiento interno de
agua tratada.
Figura 5. Panorámica de los 2 floculadores.
Filtros: Actualmente la planta de tratamiento posee
5 filtros que funcionan a base de arena, en donde la
arena se remplaza cada año y medio. Los filtros
tienen como función filtrar el agua que sale de los
sedimentadores de placas inclinadas. En la figura 6
puede apreciarse los 5 filtros que posee la planta.
Figura 8. Tanque de almacenamiento externo de
agua tratada.
2.3. Proceso de tratamiento actual
El agua que se utiliza como suministro para la
planta de tratamiento de agua industrial se obtiene
de la quebrada El Salado, de la cual la empresa
Colcéramica S.A. posee un permiso de
Corantioquía de concesión de aguas hasta 15 l/s, el
cual es un caudal suficiente para los procesos
ejecutados por la empresa, luego de captar el agua
por medio de la bocatoma esta pasa por gravedad
a un desarenador, luego es almacenada
temporalmente en el tanque interno de
almacenamiento de la estación de bombeo, de
donde es bombeada a los 2 vertederos que posee
la planta. Cuando el agua llega al vertedero el
Figura 6. Filtros de Arena.
106
operario observa el nivel del agua en el mismo para
determinar el flujo en l/s de agua mediante una
tabla que relaciona el nivel de agua en el vertedero
y el flujo que circula por el mismo. El proceso de
dosificación se realiza de manera manual
dependiendo de la apreciación visual del operario
con respecto a la variable turbidez del agua que
llega a los 2 vertederos. La dosificación del sulfato
de aluminio se realiza a la salida de los vertederos
a través de 2 válvulas manuales tipo bola de ½
pulgada, en donde el operario gradúa la apertura
de acuerdo a su percepción del proceso. Después
de que el agua ha entrado en contacto con el
agente floculante pasa por un recorrido a través de
uno de los dos floculadores o en su defecto ambos
siempre y cuando se usen los dos vertederos,
luego pasa a un tanque de reposo y de allí pasa a
los sedimentadores. El agua que sale de los
sedimentadores ya se encuentra clarificada, por lo
cual es almacenada en los tanques en forma de ele
y de allí se bombea el agua clarificada a los 5 filtros
de arena. Por último, el agua que sale de los filtros
es almacenada en los tanques de almacenamiento
interno y externo; en estos tanques se procede a
dosificar el hipoclorito de sodio (agente
desinfectante) por medio de 2 válvulas manuales
tipo bola de ½ pulgada y finalmente, el agua en
esta etapa es la que se suministra como agua
tratada de uso industrial para la planta.
se requiere medir la variable nivel, por lo tanto se
seleccionan
dos
Transmisores
de
nivel
ultrasónicos para sensar y transmitir el valor del
nivel en todo momento, de manera independiente
en cada vertedero. A la salida de cada vertedero se
instala un trasmisor de turbidez para sensar y
transmitir el valor de la turbidez del agua que sale
en cada uno de ellos, con el fin de controlar en
forma directa la dosificación del sulfato de aluminio
(Agente Floculante) por medio una bomba
dosificadora ubicada en cada una de las salidas de
los vertederos, las bombas reciben la señal de
salida del respectivo sensor de turbidez y en base a
esta, realizan la dosificación en línea del sulfato de
aluminio. Para realizar la dosificación del hipoclorito
de Sodio (Agente desinfectante) en el tanque de
almacenamiento interno y externo también se
dispondrá de una bomba dosificadora de consigna
manual para realizar dicho proceso en cada uno de
ellos; en estos tanques de almacenamiento final se
requiere medir e indicar localmente la variable pH,
por lo cual en cada uno de ellos se instala un
sensor de pH. Finalmente, a través de un
datalogger se registra e indica el flujo en los
vertederos (Al tener el valor del nivel entregado por
el transmisor ultrasónico, se calcula el flujo
mediante una sencilla ecuación que relaciona esta
variable con el nivel para el vertedero triangular),
también se registra la turbidez entregada por cada
uno de los transmisores de turbidez instalados en la
salida de cada vertedero. El valor del pH no se
registra ya que por ahora la empresa solo requiere
la indicación in situ, por lo cual se instala un sensor
de pH con indicación local en cada uno de los
tanques de disposición final.
2.4. Características que debe poseer el agua
tratada para uso industrial en la planta
Actualmente las condiciones del agua para uso
industrial requeridas por la empresa para la
elaboración de la pasta para la porcelana son:
x
x
x
x
x
3.2 Especificaciones de la instrumentación
necesaria
para
la
propuesta
de
automatización de la planta
Indicación de pH en el agua tratada 6,8 a 7,2.
Flujo máximo que requiere la planta en una
hora pico (Ej.: cuando se elabora la pasta) 7
l/s.
Dosificación automática de sulfato de aluminio.
Dosificación automática de hipoclorito de sodio.
Sensado de las variables nivel y flujo. Registro
de las variables del proceso.
Una vez analizado el estado actual de la planta de
tratamiento de agua para uso industrial en
Colcéramica S.A y, teniendo en cuenta las
necesidades de la empresa, se propone la siguiente
instrumentación para su automatización:
Transmisor de nivel ultrasónico: Medidor de
nivel por ultrasonido. Su rango de medición es de
0.25 a 1 m, con señal de salida de 4 a 20 mA,
posee protocolo de comunicación HART. Su
material de construcción es PVDF, puede trabajar
en procesos en un rango de temperatura de -40 a
85 ºC, su relación señal a ruido es elevada. Posee
supresión automática de falsos ecos y seguridad
3.
RESULTADOS
3.1 Descripción de la instrumentación
necesaria para realizar la propuesta de
automatización
En la planta de tratamiento de agua para uso
industrial, se poseen dos vertederos en los cuales
107
intrínseca e incluye algoritmo para cálculo de
volumen en diferentes tanques. Ver figura 9.
configuradas por el usuario de 0 a 60 rpm, la
dirección del bombeo es reversible. Ver figura 11.
Figura 11. Bomba dosificadora de sulfato de
aluminio.
Figura 9. Transmisor de nivel ultrasónico.
Bomba dosificadora de hipoclorito de sodio: Se
utiliza una bomba peristáltica de velocidad variable
con 4 cilindros estándar. El líquido es propulsado
por un motor sin escobillas de 24 VDC. La
velocidad de la bomba está en función de la
consigna manual de entrada configurada por el
usuario, el rotor da vueltas de manera
proporcional
a
dicha
configuración.
Las
revoluciones del motor pueden ser configuradas
por el usuario de 0 a 60 rpm, la dirección del
bombeo es reversible. Ver figura 12.
Transmisor de turbidez: se selecciona un equipo
con rango de medida de 0 a 1000 NTU y función
de autolimpieza. La precisión del equipo es de ±
2% de la lectura ó ± 0,02 NTU por debajo de 40
NTU y de ± 5% de lectura superior a 40 NTU.
La resolución es de hasta 0,0001 NTU, posee
pantalla LCD de dos líneas y luz de fondo, 2 Relés
de alarma de 120 o 240 VAC, y una salida
analógica de rango seleccionable en campo de 4 a
20 P$ȍR563RVHHWXEHUtDHQPDWHULDO
de vinilo, la cubeta de medición está hecha en
vidrio de borosilicato, el vidrio de sello de la
lavadora en silicona, el regulador de presión en
polipropileno y acero inoxidable 316; la entrada del
tubo en acero inoxidable 316. El equipo soporta
una presión y temperatura máxima de entrada
345 kPa (50 psi), 1°C a 50°C (34°F a 122°F)
respectivamente, el equipo requiere de una fuente
de alimentación de 100 - 240 VAC, con una
frecuencia de 47 - 63 Hz, El equipo requiere kit de
calibración. Ver figura 10.
Figura 12. Bomba dosificadora de hipoclorito de
sodio.
PHmetro: Este equipo se compone de los
siguientes instrumentos: Electrodo plano de PH, su
rango de operación es de 0 a 14 unidades de
pH, su rango de temperatura de operación es
de 0ºC a 85ºC, su presión de operación es de 0 a
100 PSI. Preamplificador de PH, señal de salida
analógica de 4 a 20 mA a 2 hilos. El instrumento
maneja compensación automática de temperatura,
requiere una alimentación de 12 a 24 VDC y un
tiempo de muestreo de 0.5 s. El transmisor de PH,
dispone de un display LCD iluminado. Posee un
gabinete con protección NEMA 4X / IP65 apto
para montaje a intemperie, resistente a lluvia,
nieve, escarcha, y ambientes corrosivos. Ver
figura 13, 14, 15.
Figura 10. Transmisor de turbidez.
Bomba dosificadora de sulfato de aluminio: Se
utiliza una Bomba peristáltica. La bomba se
puede configurar para velocidad variable o
velocidad fija. Posee 4 cilindros estándar. El
líquido es propulsado por un motor sin escobillas de
24 VDC, cuya velocidad está en función de la señal
analógica de entrada de 4 a 20 mA. Las
revoluciones del motor
también pueden ser
108
aluminio que es necesario suministrar al
sistema se realizó el test de jarras durante un
periodo de dos meses y se obtuvo que la
concentración ideal de la solución de sulfato a
preparar es de 3.71ml de solución sulfato/litro
de agua (La solución de sulfato se prepara
diluyendo 30 l de sulfato de aluminio liquido
al 50% en 500 l de agua). Para la dosificación
se miden la turbidez y el flujo de agua, estas
señales en rango de 4 a 20 mA se llevan a las
bombas dosificadoras de sulfato. El flujo de
sulfato queda determinado por el valor actual
de esas señales y puede ser dosificado desde
0 a 300 ml/min mientras la velocidad del motor
de la bomba varía desde 0 hasta 60 RPM. La
bomba está programada con un algoritmo
propio que regula el caudal con la entrada de 4
a 20 mA. Estas bombas reemplazan a las dos
válvulas manuales de ½ pulgada utilizadas
inicialmente para la dosificación del sulfato.
Figura 13. Electrodo plano de PH +GF+ SIGNET.
Figura 14. Preamplificador de PH +GF+ SIGNET.
Figura 15. Transmisor de PH +GF+ SIGNET.
Datalogger: posee visualización en pantalla táctil a
color y registro de hasta 8 entradas
de
sensores de 4 a 20mA, con representación de
valores
individuales
o
por
grupos,
almacenamiento
en memoria USB estándar
mediante archivo compatible con hojas de cálculo
*.csv de los
sensores análogos. Maneja una
pantalla Táctil TFT, 65535 colores de 7.0
pulgadas con una resolución 800x480. Incluye
puerto de comunicación USB 2.0 y 12 canales
análogos PT-100, requiere alimentación de una
red de 110V AC a 60 Hz, posee fusibles de
protección. Ver figura 16.
Figura 16. Datalogger.
3.3
Automatización del suministro de hipoclorito de
sodio: para preparar la solución de hipoclorito
se diluyen 25 Kg de hipoclorito líquido
mezclados
en
500 l de agua. Para su
dosificación se utilizará consigna manual en la
bomba. El flujo de hipoclorito queda
determinado por la programación que se dé a la
velocidad de la bomba: 3, 10, 20, 30, 40, 50 o
60 RPM, con lo cual el flujo de hipoclorito
puede variar entre 0 y 300 ml/min. Estas
bombas reemplazan a las dos válvulas
manuales de ½ pulgada utilizadas inicialmente
para la dosificación de hipoclorito.
x
Lectura del pH: La empresa solo requiere lectura
del pH. Por lo tanto se instala un medidor de pH en
los tanques de salida, es decir en los tanques que
mantienen el agua disponible para su uso en la
planta.
x
Registro de las variables: Los datos del estado de
las variables se llevan a un datalogger en el cual
se monitorean y se almacenan con el fin de
analizar las tendencias de la planta y realizar
ajustes en caso de ser necesarios.
En la figura 17 se muestra el plano de instrumentación
(P&ID) del sistema de automatización propuesto y en
la figura 18 el plano 3D con la distribución de la
instrumentación.
Propuesta de automatización
La propuesta de automatización contempla los
siguientes ítems:
x
x
Automatización del suministro de sulfato de
aluminio: para estimar la cantidad de sulfato de
109
3.4
Costos actuales de operación de la
planta de tratamiento de agua para uso
industrial en Colcerámica S.A. planta
Girardota
agua de EPM, aumentándose de este modo los
costos,
repercutiendo
directamente
en
el
presupuesto mensual de la compañía. Los costos
anteriores se pueden observar en la tabla 1.
Actualmente la planta de tratamiento de agua para
uso industrial opera en su totalidad de forma
manual y sin ningún tipo de procedimiento
establecido y tampoco posee
automatización
alguna. El proceso de dosificación se realiza de
forma manual, la cual es regulada, de acuerdo al
criterio del operario que manipula las válvulas
manuales;
la administración de los insumos
químicos como el sulfato de aluminio (agente
floculante) e hipoclorito de sodio (agente
desinfectante) no es apropiada ya que la
dosificación es manual, razón por la cual no hay
uniformidad en las concentraciones ni en la
dosificación, al no administrarse en función directa
con la turbidez y el volumen del agua a tratar. Por
último, con mucha frecuencia las características del
agua tratada no son las requeridas por la compañía
por la cual se debe hacer uso del suministro de
Tabla 1. Costo mensual de operación actual de la
planta de tratamiento de agua para uso industrial
Figura 17.
TIPO
COSTO
Mano de
Obra
Consumo
agua EPM
Insumo
Químico
Insumo
Químico
CANT.
VALOR
UNIT. (%)
VALOR
TOTAL (%)
6
Operarios
11.73
70.40
0.01
15.00
1500 kg
0.0083
12.44
315 kg
0.0069
2.16
1500 m
2
TOTAL (%)
Planos de instrumentación de la planta de tratamiento
110
100
Figura 18. Planos en 3D de la planta de tratamiento y distribución de la instrumentación
4.
Tabla. 2. Costo mensual estimado de operación de
la planta de tratamiento de agua para uso industrial,
luego
de
implementar
la
propuesta
de
automatización.
Al implementar la propuesta de automatización se
obtienen cambios muy significativos en el proceso
de tratamiento del agua para uso industrial ya que
el sistema de dosificación es automático
permitiendo que ya no se requieran 2 operarios que
realicen esta función de manera manual en todo
momento, por lo cual la mano de obra que en sus
inicios constaba de 6 operarios se reduce a 4
operarios. También se reduce el gasto de insumos
químicos como el sulfato de aluminio (agente
floculante) e hipoclorito de sodio (agente
desinfectante) ya que las bombas dosifican de
forma exacta en función de la señal entregada por
el sensor de turbidez, razón por la cual se obtiene
el desperdicio mínimo de los insumos químicos
antes mencionados. Adicional a lo anterior el
consumo de agua de EPM por parte de la empresa
para realizar sus procesos de colaje y esmalte
entre otros, se reduce a cero ya que la planta de
tratamiento
suministra
el
agua
con
las
características
que
requiere
la
empresa,
cumpliéndose de este modo con el objetivo de la
misma, razón por la cual se reducen
significativamente los costos de operación, los
cuales se pueden apreciar en la tabla 2.
TIPO
COSTO
CANTI.
VALOR
UNIT. (%)
VALOR
TOTAL (%)
Mano de
Obra
4 Operarios
11.73
46.94
Consumo
agua EPM
0m
0.00
0.00
2009.26 kg
0.0083
16.66
256.26 kg
0.0069
1.76
Insumo
Químico
Insumo
Químico
3
TOTAL (%)
65.36
Comparando los datos de la tabla 1 y de la tabla 2
se puede apreciar que al implementar la
automatización el costo total mensual de operación
disminuye en un 34.64 %.
Para determinar la viabilidad de la propuesta de
automatización de la planta de tratamiento de
111
agua industrial se analiza el retorno simple de la
inversión, el cual por parámetros administrativos y
de gestión propios de la compañía Colcerámica
S.A debe ser menor a 2.5 para catalogar cómo
viable un proyecto o inversión a realizar, en este
caso, la propuesta de automatización de la planta
de tratamiento de agua para uso industrial. Para su
cálculo se utilizó la ecuación:
Se diseñó de manera clara y concisa la propuesta
de automatización de la planta de tratamiento de
agua, la cual incluye los planos 3D e isométricos de
las diferentes estructuras que componen la planta;
también se elaboro el diagrama de Tuberías e
Instrumentación (P & ID) de la automatización y su
respectivo plano 3D a escala real.
Se determinó la viabilidad de la propuesta de
automatización según los parámetros de la
compañía, a través del análisis costo-beneficio de
la misma. Se compararon los costos actuales con
los costos estimados al implementar la
automatización de la planta y por último se calculo
el retorno simple de la inversión que requiere la
propuesta de automatización, el cual fue
satisfactorio para la compañía.
El valor total de la inversión para realizar la
automatización es de $60’460.708 y el ahorro anual
estimado es de $69’174.382, así el retorno simple
es:
6.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a la
empresa Colcerámica S.A, por brindar la
oportunidad de realizar una propuesta de
automatización real como trabajo de grado y
facilitar los recursos, laboratorios e instrumentos
necesarios, para realizar este trabajo.
Según el resultado anterior, la propuesta de
automatización de la planta de tratamiento de
agua para uso industrial en Colcerámica S.A es
económica y técnicamente viable para la compañía
Colcerámica S.A., ya que el retorno simple del
proyecto es 0.87.
5. CONCLUSIONES
7.
Se describió completamente la planta de
tratamiento de agua para uso industrial, su
ubicación
geográfica,
sus
características
hidrográficas y las características físicas de las
estructuras que la componen.
[1] Rangel, A. M. (2009). Automatización y Control
empleando un sistema de supervisión para la
planta de agua. Medellín.
El diagnóstico del estado actual de la planta de
tratamiento de agua para uso industrial, determinó
como variables criticas el nivel y flujo en los
vertederos, la indicación de pH en los tanques de
almacenamiento de agua tratada y la dosificación
automática de sulfato de aluminio e hipoclorito de
sodio garantizando de este modo la obtención de
agua tratada con las condiciones requeridas por la
compañía.
[3] Betancur Mármol, A. A. (2009). Diseño para la
optimización del control de la planta de tratamiento
de aguas residuales en HOLASA. Medellín.
[2] Medina, J., & Vargas, C. (2008). Optimización
del proceso de dosificación de la planta de aguas
Villa Hermosa EPM. Medellín: Politécnico
Colombiano Jaime Isaza Cadavid.
[4] Avlonitis, Pappas, Moutesidis, Avlonitis,
Kouroumbas, & Vlachakis. (2004). PC based
SCADA system and additional safety measures for
small desalination plants. Morocco: Elsevier B.V.
El análisis del proceso de tratamiento actual,
permitió establecer sus deficiencias y determinar
las características que debe poseer el agua tratada
para satisfacer las necesidades de la compañía.
[5] Clever, Jordt, Knauf, Räbiger, Rüdebusch, &
Hilker-Scheibel. (2000). Process water production
from river water by ultrafiltration and reverse
osmosis. Paris: Elsevier B.V.
La estandarización del test de jarras permite a los
operarios de la planta determinar la concentración
adecuada de sulfato de aluminio a dosificar.
112
[6] Girardota Área Digital. (10 de 6 de 2013).
Obtenido
dehttp://girardota.areadigital.gov.co/institucional/Pa
ginas/informaciondelmunicipio.aspx
[7] Corantioquía. (2007). Microcuencas del área
Metropolitana.
Obtenido
de
http://nuevoportal.corantioquia.gov.co/Tematicas/Mi
crocuencas%20del%20rea%20Metropolitana/Quebr
ada%20El%20Salado.pdf
[8] Creus, A. (1997). Instrumentación Industrial.
Barcelona: Alfaomega.
113
114
CONTROL DE VELOCIDAD ANGULAR CONSTANTE BASADO
EN UN SISTEMA SPLITTER PI EN UNA DESENRROLLADORA
DE PAPEL
1
Johny Antonio Álvarez Salazar , Jorge Alberto Londoño Pulgarín
2
1
MSc. en Automatización y Control Industrial, Instituto Tecnológico Metropolitano, [email protected]
MSc. en Automatización y Control Industrial, jefe división electrónica en Familia Sancela S.A., docente en el
Instituto Tecnológico Metropolitano, [email protected]
2
RESUMEN
Se presenta el modelo de una bobinadora de papel de servilletas basado en la segunda ley de Newton. Se
propone un método de control de velocidad angular usando un controlador splitter en PLC. Se busca mejorar
la acción del controlador presente en un variador de la línea Sinamics de Siemens en un proceso de
transformación de papel utilizando criterios de estabilidad entre el motor principal y el desenrrollador,
considerando la forma de la bobina. La tensión es medida por un sensor y convertida a señal de corriente para
ser llevada al splitter con el objeto de ser suavizada antes de ingresar al PID del controlador sinamics y así
mantener el proceso dentro de los rangos deseados de control. Se realiza una simulación de la aplicación
industrial en simulink® de Matlab® y se valida el controlador real diseñado. Finalmente se implementa el
control obtenido y verificado en una máquina de procesamiento de papel de servilletas, donde los resultados
del monitoreo muestran la efectividad de utilizar el controlador PID para los tramos lineales y para los tramos
acelerados y/o desacelerados un controlador adicional que asuma las oscilaciones de la respuesta de
velocidad, haciendo que la planta permanezca dentro de los valores deseados.
Palabras clave: Splitter PI, Control de tensión, Control de velocidad, Bobinadora de papel.
Recibido: 09 de Septiembre de 2013. Aceptado: 10 de Febrero de 2014.
th
th
Accepted: February 10 , 2014.
Received: September 09 , 2013.
CONSTANT ANGULAR SPEED CONTROL BASED OF SPLITTER PI IN PAPER WINDING SYSTEM
ABSTRACT
A model of a paper napkins winder based on Newton’s second law is described. A method for controlling
angular velocity with a splitter controller developed in a PLC to enhance the action of the controller present on
a Siemens SINAMICS drive line is proposed. The tension is measured by a sensor and converted to current
signal to be sent to the PLC Splitter in order to soften it before entering Sinamics PID controller to keep the
process within the desired range of control. A simulation of the industrial application is performed by Matlab’s
Simulink® and validates the real controller design. Finally, obtained and verified control is implemented on a
paper napkins processing machine, where the results show the effectiveness of the proposed controller.
Keywords: Splitter PI, Tension control, Tension speed, Paper winding.
115
1.
En la literatura se plantean otras estrategias de
control de tensión para plantas desenrrolladoras,
entre ellas el control fuzzy, donde el modelo de la
planta es desconocido y utilizan la lógica difusa
para realizar el control ya sea en su totalidad o a
una parte del sistema. Tiene su principal
inconveniente en que se vuelven muy largos sus
algoritmos de programación. Generalmente son de
utilización
conjunta
con
otras
técnicas,
obteniéndose resultados óptimos en el proceso. Se
realiza un análisis del comportamiento dinámico
entre el controlador PID tradicional y un controlador
PID con autoajuste fuzzy mediante Matlab®. Los
resultados de la simulación muestran que la función
de autoajuste fuzzy del controlador PID tiene mayor
solidez y una respuesta más rápida que el
controlador PID tradicional [4] [5] [6].
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la desenrrolladora es una de las
más importantes máquinas en el trabajo de la
industria en general. En una bobinadora el
suministro constante de papel depende de la
densidad, del ancho del mismo y dado que está
sometida a paros constantes para cambios o
empalmes de rollos, tiene una variación constante
de su velocidad radial [1]. Es por eso que la
velocidad angular debe ser considerada teniendo
en cuenta además la influencia de la forma que
pueda tener la bobina por situaciones presentes en
el proceso de fabricación y almacenaje del papel.
En la Fig. 1. Se observa la planta bobinadora con
sus partes y el cambio de tracción radial a tracción
tangencial en el desenrolle de la bobina.
Fig. 1. Bobinadora con tracción de desenrolle tangencial y sistema pivote flotador.
En [2] afirman que en el proceso de trabajo real, el
radio de la bobina cambia, siendo una función no
lineal en el tiempo. Afectando el momento de
inercia y la acción del coeficiente de fricción
haciendo que el sistema requiera un control
complejo. Así mismo en [3] precisan que con estas
características de no linealidad y fuerte
perturbación, el algoritmo de control PID
convencional no puede lograr un buen índice de
rendimiento cuando el desenrrollador está
trabajando en aceleración y desaceleración.
ecuaciones existentes en la planta bobinadora, las
variables de estado, las matrices y los diagramas
de bloques en simulink del sistema. En la tercera
sección se presenta el controlador realizado, la
respuesta a la implementación y la validación de la
efectividad del mismo en la planta servilletas 10 de
la industria Familia Sancela S.A. Finalmente en la
sección 4 se concluye este artículo.
Este artículo está organizado en cuatro secciones
incluyendo esta. La segunda sección presenta los
materiales y métodos utilizados, así como las
El sistema enrollador se compone de un motor
principal (Siemens 1LA5-206-6YABO) controlado
por un variador (Danfoss VLT5000). Un encoder
2.
116
‫ܴכ߱ = ݒ‬
envía una señal de estado al PLC (S7-300 3152DP). El sistema desenrrollador se compone de un
motor (Siemens 1LA7-131-4YA70) que transmite
potencia por un sistema de engranes a una banda
que por tracción a velocidad tangencial constante
desenrolla la bobina. Este motor es controlado por
un variador (Siemens Sinamics 6SL3244-OBA201PA0). La información de velocidad es recogida por
un encoder (Siemens 1XP80001-1/1024) y
retroalimentada al variador.
Por lo tanto la longitud del material está dada por:
‫ݐ݀ݒ ׬ = ܮ‬
௩
߱ = ௥ା௘
௩
௩
(1)
߱ = ௥ା௘ ୱ୧୬ ఠ௧
‫=ܨ‬
‫ܬ = ܬ‬௖ + ଶ ߩܹߨ(ܴ െ
ܴ௢ସ )
(9)
ோ
‫ݔ‬ଵ (‫)ݐ(ݕ = )ݐ‬
‫ݔ‬ଶ (‫ݕ = )ݐ‬ሶ (‫)ݐ‬
(2)
Se obtiene entonces:
‫ݔ‬ሶ ଵ = ‫ݔ‬ଶ = ߱
La inercia de rotación del sistema ‫ܬ‬, puede hallarse
a partir de:
ସ
ெ(௧)ି௃ఠሶ ି஻ఠ
En espacio de estados, las variables de estado
‫ݔ‬ଵ (‫ݔ ݕ )ݐ‬ଶ (‫ )ݐ‬se definen como:
Donde ܴ௢ es el valor inicial del radio R; h es el
espesor de la hoja de papel.
ଵ
(8)
La tensión del material (‫ )ܨ‬puede expresarse en
términos de la planta partiendo de la ecuación (1).
De acuerdo a [8] el radio del rollo enrollador puede
expresarse:
௧
(7)
De las ecuaciones (6) y (7) se puede establecer la
excentricidad en términos de sin ɘt por el cambio
de la bobina a través del tiempo.
Donde F es la tensión del material; R(t) es el radio
de la bobina en tiempo real; M(t) es el torque que
envía el motor; Ȧ(t)es la velocidad angular de la
bobina; J(t) es la inercia de rotación de la bobina; B
es el coeficiente de viscosidad – rozamiento.
௛
(6)
߱ = ௥ି௘
En [7] se expresa la dinámica de equilibrio de una
bobinadora en términos del torque presente.
ܴ = ܴ௢ + ଶగ ‫׬‬଴ ߱ ݀‫ݐ‬
(5)
La forma cilíndrica del rollo se ve afectada por
factores como el transporte o el almacenamiento
del mismo. Las ecuaciones de velocidad angular
del sistema teniendo en cuenta la excentricidad (e)
de la bobina pueden expresarse como:
2.1.
Modelo
matemático de la bobinadora
de papel
Para obtener el modelo de la planta bobinadora de
papel se realizó un análisis de su funcionamiento
partiendo de la segunda ley de Newton y por el
método de identificación paramétrica de mínimos
cuadrados recursivos se obtuvieron los valores
desconocidos del proceso.
‫߱)ݐ(ܬ = )ݐ(ܯ‬ሶ (‫ )ݐ‬+ ‫ )ݐ(ܴܨ‬+ ‫߱ܤ‬
(4)
‫ݔ‬ሶ ଶ = ߱ሶ =
(10)
ெ(௧)ିிோି஻ఠ
௃
(11)
(3)
Donde‫ܬ‬௖ es la inercia rotacional inicial; ߩ es la
densidad del material; W es el ancho de la bobina.
0 1
0
0
‫ݔ‬ଵ
‫ݔ‬ሶ
൤ ଵ ൨ = ቈ0 െ ஻቉ ‫ כ‬ቂ‫ ݔ‬ቃ + ቈ ଵ ቉ ‫ ܯ‬െ ቈ ଵ ቉ ‫( ܴܨ‬12)
‫ݔ‬ሶ ଶ
ଶ
௃
௃
௃
La relación entre ‫ ݒ‬, velocidad radial y
angular está dada por:
‫ݔ‬ଵ
‫[ = ݕ‬1 0] ‫ כ‬ቂ‫ ݔ‬ቃ
߱, velocidad
ଶ
117
(13)
En la planta de estudio, el tiempo de
establecimiento se estima en 4 segundos; es decir
0.2 ൑ ܶ ൑ 0.6. La adquisición de datos se hace
directamente desde el PLC por medio del software
Wincc-flexible, con un tiempo de muestreo de 500
ms. De acuerdo a lo presentado en (12) y (13) se
puede ver a continuación en la Fig. 2, el diagrama
de bloques de la bobinadora en tiempo discreto.
2.2.
Representación del modelo en diagrama
de bloques en simulink®
Para la elección del tiempo de muestreo se tiene en
cuenta el teorema de Shannon, de acuerdo a [9], el
cual afirma que en la práctica este se puede
estimar teniendo en cuenta el tiempo de
establecimiento (ܶ௦ ) en lazo cerrado requerido para
la respuesta transitoria. El periodo de muestreo (ܶ)
puede seleccionarse dentro del intervalo 0.05ܶ௦ ൑
ܶ ൑ 0.15ܶ௦ .
Fig. 2. Diagrama de bloques en simulink® de una planta bobinadora.
En la Fig. 3 se puede observar como en Simulink®
se obtiene, de acuerdo a la ecuación (9), la señal
de tensión del material, la cual es retroalimentada
al controlador, para que este se encargue de regir
la señal de torque del motor, presentada en la Fig 2
De igual forma las señales que se obtiene a la
salida del sistema, la aceleración y la velocidad
angular, son a su vez dos de las señales de
entrada presentadas en la Fig. 3.
Fig. 3. Diagrama de bloques en simulink® de la obtención simulada de la tensión del material
Tabla 1. Valores de los parámetros utilizados.
118
Parámetro
Velocidad del motor
Voltaje del motor
440 V
Potencia del motor
10 Hp
Torque máximo del motor
40.71 Nm
Espesor de la hoja
0.00015 m
Ancho de la hoja
Momento
de
inercia
inicial
Radio inicial de la bobina
de bloques del proceso de control de tensión de la
planta bobinadora de papel.
Valor
1750 RPM
Fig.4. Ubicación del controlador Splitter en el
diagrama de bloques.
1.1 m
1 Kg/݉ଶ
La entrada al sistema (EMB) proviene del encoder
del motor enrollador y es ingresada al variador de
velocidad Sinamics, que hace las veces de
controlador con dos PID incluidos en su software.
La señal de control regula el torque de entrada a la
planta. La señal de salida es convertida de presión
a corriente y llevada al controlador Splitter, para
realizar la acción de “suavizado”, antes de
retroalimentarse al sistema.
0.5 m
Densidad del material
300 Kg/݉ଷ
Coeficiente de fricción
0.2484
En la Tabla 1 se presentan los valores de los
parámetros reales utilizados.
En la literatura existente sobre el controlador
Splitter, se encuentra que se han desarrollado
bloques de programación para éste tipo de
funcionamiento, tal como se muestra en [10],
control PID modular; en la cual se encuentra el
bloque SPLITCTR del software de programación
del PLC. Esta función es desarrollada por el
fabricante, razón por la cual no se tiene acceso al
código, pero si a los parámetros de usuario.
3. DESARROLLO
3.1.
Control por partición de la señal
(splitter)
El controlador por partición de señal es un bloque
de programa del PLC que procesa una señal y la
entrega al controlador PID del variador para que
actúe sobre el elemento final de control torque del
motor. Contienen el conocimiento obtenido del
modelo del proceso, en forma de reglas. Estas
reglas pueden ser programadas con instrucciones
en un PLC, usando las funciones FC o FB del
mismo.
Los bloques de programación se describen a
continuación:
SP_GEN (Generador del valor de consigna): Se
usa para introducir un valor de consigna de forma
manual. El valor de salida se puede modificar con
el bloque SP_GEN usando dos entradas. Para
permitir los pequeños cambios, el bloque debe
tener un tiempo de muestreo ൑100 ms.
El control consiste en la acción que se toma tras la
comparación de la señal con un referente de
funcionamiento correcto del proceso. De tal forma
que el controlador Splitter siempre va a entregar
una señal en los rangos óptimos del proceso. Es
decir que si la señal que ingresa esta en los rangos
de estabilidad del sistema entonces pasa con el
mismo valor de entrada; pero si presenta sobre
picos, entonces se cambia esta señal por una
preestablecida que obliga al sistema a comportarse
en forma estable, al mismo tiempo que se recupera
del sobresalto. La Fig. 4 muestra el esquema de la
ubicación del controlador Splitter en un diagrama
En las entradas OUTVUP y OUTVDN, la variable
de salida OUTV pueden ser de aumento o
disminución en el límite H_LM y L_LM
continuamente. La tasa de cambio depende de la
duración de tiempo en que OUTVUP y OUTVDN se
activan.
ROC_LIM (Limitador de tasa de cambio): Se utiliza
cuando el proceso no debe ser sometido a un
cambio en la entrada. Este es, por ejemplo, el caso
119
cuando hay engranaje entre el motor y la carga,
entonces evita que cuando se aumenta la velocidad
del motor demasiado rápido se sobrecargue el
engranaje.
controlador modular a un valor en formato de la
periférica.
El funcionamiento del bloque Splitter, presentado
en la Fig. 5, parte de una señal de entrada al
bloque, el generador del punto de ajuste SP_GEN
coloca la referencia limitado por ROC_LIM. La
variable de proceso periférica es convertida a un
valor de punto flotante por el bloque CRP_IN y
monitoreada por el bloque limitador LIMALARM
para ser chequeada y verificar que no exceda los
valores límites. La señal de error es llevada al
algoritmo PID. El bloque de manipulación del
proceso LMNGEN_C genera una señal análoga de
salida LMN. El valor manipulado es dividido en dos
rangos por dos bloques SPLT_RAN, valores que
van directamente al PID del controlador Sinamics y
posteriormente al elemento final de control.
El bloque limita la tasa de cambio de un valor de
salida. A cambio de escalón se convierte en una
función de rampa. Dos rampas (valores de subida y
bajada) en el rango positivo y negativo se pueden
seleccionar para las variables de entrada y de
salida. El valor de la variable de salida puede ser
limitado por dos límites seleccionables. Si la tasa
de cambio de límite de subida o de bajada que se
alcance o el límite alto / bajo es alcanzado, esto se
indica en las salidas.
LMNGEN_C (Controlador PID de salida continua):
El bloque se utiliza para estructurar un controlador
PID continuo. Contiene los valores procesados en
el controlador. El bloque incluye la conmutación
manual-automática. En el modo manual, puede
especificar un valor absoluto o aumentar o reducir
el valor con switches. El valor manipulado y la tasa
de cambio del valor manipulado pueden ser
restringidos a los límites seleccionables. El bloque
siempre se utiliza en conjunción con el bloque de
algoritmo PID.
CRP_IN (Cambio de rango de la entrada periférica):
Este bloque adapta el rango de valores de las
entradas y salidas analógicas a la representación
interna del controlador modular. Convierte un valor
de entrada en formato de periferia a un normalizado
valor de punto flotante para el controlador modular.
LIMALARM (Alarma de límite): Estados peligrosos
pueden ocurrir en un sistema si los valores del
proceso (por ejemplo, la velocidad del motor, la
temperatura o presión) ascienden o descienden a
valores críticos. Estos límites violados deben ser
detectados y señalados para permitir una reacción
apropiada.
SPLT_RAN (Rango de división): Este se bloque se
requiere para implementar un controlador de rango
dividido. El margen de los valores manipulados de
un controlador PID se divide en varios subintervalos. El bloque debe ser llamado una vez por
sub-rango y conectado a uno del valor de
procesamiento de bloques LMNGEN_C o
LMNGEN_S manipulado.
CRP_OUT (Salida periférica del cambio de rango):
Este bloque adapta un valor de coma flotante del
Fig. 5. Bloque SPLITCTR para PLC Siemens.
Fuente: [10]
120
Para la implementación con los bloques del
fabricante son necesarias las librerías del “Modular
PID Control”.
(señal EMB) y el encoder del motor desenrrollador
(señal ENC), La respuesta del sistema es oscilante,
producto esto de la irregularidad de la bobina,
aceleraciones y desaceleraciones del sistema,
entre otros. Oscilaciones no permitidas en algunos
materiales como el papel para servilletas.
El software del fabricante Siemens utilizado en PLC
S7 300 tiene funciones abiertas en las cuales el
usuario puede crear código para aplicaciones
específicas llamadas Función (FC) y Bloques de
función (FB); en el desarrollo realizado para el
control Splitter se utilizó una función FC para
cumplir las reglas previstas. Al llevar las reglas del
controlador Splitter al PLC, la programación se
realizó la conversión del código en el lenguaje
AWL, en una función FC del PLC. El controlador
simulado entrega una propuesta de control con
unos valores de ajuste, pero en el momento de
llevarlo a la planta y teniendo en cuenta que existen
unas particularidades del proceso de acuerdo a la
infraestructura instalada, condiciones ambientales y
material procesado se debe realizar una
sintonización que permita mantener el proceso
dentro de los límites deseados.
Para obtener el dato mínimo de corriente para el
controlador PLC se parte del valor obtenido en la
simulación del modelo utilizando simulink® de
Matlab® y por sintonización se ajusta hasta obtener
el valor que produce la respuesta que mantiene la
planta dentro de los valores deseados. A
continuación se presenta en la Fig. 6 el código
programado.
Fig.7. Señales de velocidad EMB vs velocidad ENC
sin control implementado.
3.2.
Implementación del control propuesto
en la planta 10 de la empresa Familia Sancela
s.a.
Después de la implementación del control Splitter
en el PLC, se puede observar en la Fig. 8 la planta
con las velocidades lineales de los dos motores
funcionando de una forma aceptable. En las
señales de velocidad del motor enrollador y del
motor desenrrollador se puede apreciar el efecto
del controlador del PLC implementado a la entrada
de la señal del PID tradicional. Corroborando esto
la eficacia de utilizar el controlador PID para los
tramos lineales y para los tramos acelerados y/o
desacelerados un controlador adicional que asuma
las oscilaciones de la respuesta de velocidad,
haciendo que la planta permanezca dentro de los
valores deseados.
La rápida adaptación de la velocidad del motor
desenrrollador ante los cambios del proceso,
manteniendo un seguimiento de la señal del motor
enrollador, garantiza que la tensión del material se
conserve dentro de los niveles deseados.
Afianzando esto la aplicabilidad de control Splitter
en procesos industriales de transformación de
papel para servilletas.
Fig. 6. Código del controlador Splitter.
En la Fig. 7 se puede apreciar la representación de
los datos, sin controlador Splitter implementado,
entregados por el encoder del motor enrollador
121
Splitter diseñado en el PLC como ayuda al
controlador Sinamics.
4.
CONCLUSION
En un proceso de transformación de papel para
servilletas, cuando se realiza un control adicional
que ayude al controlador PID es posible relajar la
influencia de la forma de la bobina en los cambios
de velocidad manteniendo la fuerza ejercida sobre
el material entre los límites deseados.
Se validó en la planta real servilletas 10 de Familia
Sancela S.A, mediante el desarrollo y la
implementación del control PLC, que se mejora la
respuesta con respecto a la utilización solamente
del PID del controlador sinamics de acuerdo a los
datos obtenidos de los monitoreos.
Fig. 8. Señales de velocidad EMB vs velocidad
ENC con control Splitter implementado.
Tabla 2. Índice de desempeño del controlador.
Por las condiciones reales de la planta y por
acotación de la investigación no se tienen en
cuenta todas las variables, tales como: humedad,
peso, temperatura entre otras. Igualmente se
descartan técnicas como control adaptativo y
control fuzzy por las condiciones físicas de la
planta.
FB
0,000715718
G
NMSE
1,67678E-05
G
MG
1,006956766
5.
P
VG
1,010568872
A la empresa productos FAMILIA SANCELA S.A, a
los técnicos y en especial al ingeniero Juan Camilo
Soto Rodríguez por los aportes tan valiosos en el
desarrollo de esta investigación. Al ITM por el
seguimiento y asesoría permanente durante todo el
desarrollo del proyecto.
G
FAC2
0,248747913
G
IOA
0,999924448
P
UAPC2
-0,002634225
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
G
[1] Rogers, H. Regenerative tension control for
paper winders., 57 (38), 495–499, 1938.
MRE
0,003757189
AGRADECIMIENTOS
G
[2] Feng, J. An Application of DSP in Constant
Tension Coiling Control., 3–5, 2009.
ID
85
[3] Jingwen, C. Re-winder tension control based on
fuzzy adaptive PID algorithm., 3353–3357, 2010.
Para medir el desempeño del controlador se utiliza
el método citado en [11]. En la Tabla 2 se puede
observar el índice de desempeño del controlador
del 85% con respecto a la señal del set point, lo
que muestra la acción efectiva del controlador
[4] Xiao-hui, L. I. U. y Xu, L. I. Research on Tension
Control System Based on Fuzzy self-tunning PID
Control., 3385–3390, 2010.
122
[5] He, F. y Zhao, H. Constant Linear Speed Control
of Motor Based on Fuzzy PI in Strip Winding
System., 0–3, 2010.
[6] Hazra, T. y Gu, J. An innovative cost effective
approach towards tension control in automated
filament winding composite manufacturing., 961–
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123
124
CONTROL DE NAVEGACIÓN BASADO EN
COMPORTAMIENTOS PARA PEQUEÑOS ROBOTS MÓVILES
1
2
Gustavo Alonso Acosta Amaya , Juan Camilo Herrera Pineda , Orlando Zapata Cortes
3
1
Ingeniero electricista, Magíster en Ingeniería y candidato a Doctor en ingeniería de sistemas por la
Universidad Nacional de Colombia. Profesor Asociado del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid,
Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]
2
Ingeniero en Instrumentación y Control, Especialista en Diseño de Sistemas Técnicos, Estudiante de
maestría en ingeniería mecánica de la Universidad Federal de Santa Catarina, Brasil.
3
Ingeniero en Instrumentación y Control, Magíster en Ingeniería de Sistemas de la Universidad Nacional de
Colombia.
RESUMEN
Se aborda el problema de la navegación autónoma de pequeños robots móviles en entornos interiores de
trabajo. La solución propuesta incorpora una arquitectura de control basada en comportamientos
implementados mediante lógica difusa y un esquema jerárquico para la coordinación de comportamientos.
Esta combinación se probó en una pequeña plataforma robótica móvil que cuenta con un anillo de sonares
SRF02 y un microcontrolador MCF51QE128. Se obtuvo una navegación segura del entorno a un bajo costo
computacional.
Palabras clave: Control basado en comportamientos, Navegación robótica, Control difuso, Coordinación de
comportamientos, Evasión de obstáculos, Seguimiento de paredes.
th
th
Received: May 07 , 2014.
BEHAVIOR-BASED CONTROL NAVIGATION FOR SMALL MOBILE ROBOTS
ABSTRACT
The problem of autonomous navigation of small mobile robots in indoors is addressed. The proposed solution
incorporates a behavior-based control architecture implemented through fuzzy logic, and a hierarchical
scheme for behaviors coordination. This combination was tested in a small mobile robotic platform that has a
ring with SRF02 sonars and a MCF51QE128 microcontroller resulting in a safe navigation of the environment
at a low computational cost.
Keywords: Behavior-Based Control, Robotic Navigation, Fuzzy Control, Behavior Coordination, Obstacle
Avoidance, Wall Following.
125
control que más conviene aplicar a los efectores del
robot con el fin de cumplir los requerimientos
exigidos por la navegación. La acción de control
generada por un comportamiento en un instante
dado, puede entrar en conflicto con aquella
generada por otro. Por ejemplo, en un robot
diferencial la salida de un comportamiento puede
generar una acción de control que busca reducir la
velocidad del motor izquierdo, mientras que otro
podría generar una acción de incremento en su
velocidad.
1. INTRODUCCIÓN
La navegación basada en comportamientos
constituye un esquema de control robusto que
proporciona a los robots móviles la capacidad de
responder en tiempo real a cambios del entorno [1],
como por ejemplo la aparición de obstáculos
imprevistos en la trayectoria del robot.
En el control basado en comportamientos, una
tarea de navegación compleja se descompone en
varios comportamientos simples, bien definidos e
independientes
que
facilitan
el
diseño,
implementación y puesta a punto de la arquitectura
de control [1], [2]. Algunos comportamientos
básicos son: Ir a la meta (go to the goal), evasión
de obstáculos (obstacle avoidance), seguimiento de
paredes (wall following), deambular (wandering) y
búsqueda de espacio libre (search of free space)
[2].
Una forma de solucionar el problema del conflicto
entre comportamientos consiste en la asignación de
prioridades con base en el estado actual del
entorno, captado a través de los sensores del robot.
Esto da lugar a lo que se conoce como un esquema
de arbitración o coordinación jerárquico, en el cual
los comportamientos de mayor jerarquía anulan o
subsumen a aquellos de menor jerarquía. El
comportamiento de mayor nivel jerárquico asume el
control de los efectores del robot ante una situación
de emergencia, como por ejemplo la detección de
un obstáculo frontal próximo. Cuando el
comportamiento de alto nivel se desactiva a
consecuencia de los cambios percibidos en el
entorno, entonces el control de los efectores es
cedido a un comportamiento de menor jerarquía [8],
[9].
La implementación de comportamientos mediante
controladores basados en lógica borrosa (Fuzzy
Logic Controllers, FLC) ofrece ventajas como
robustez a la incertidumbre sensorial, representada
en el framework que propone para la formalización
del
conocimiento
expresado
en
términos
lingüísticos, así como también su capacidad
inherente de tratar con plantas que incorporan
dinámicas complejas difíciles de modelar [3].
Una solución alternativa a este problema, consiste
en
fusionar
las
salidas
de
diferentes
comportamientos, de tal forma que la acción final
de control se conforma a partir de la contribución,
en diferente medida, de los comportamientos
activos en un instante dado [10], [11], [12]. Esta
aproximación permite obtener, eventualmente,
trayectorias de navegación más suaves en
comparación con el esquema de arbitración
jerárquico [13], [14].
El principal inconveniente que se reporta para los
FLC lo constituye el largo y tedioso proceso de
ensayo-error empleado para determinar la base de
conocimiento, el cual, en la mayoría de los casos,
solo permitirá obtener soluciones sub-óptimas. No
obstante, los FLC en los que no se han incorporado
técnicas complementarias de optimización, han
permitido alcanzar una navegación segura y
aceptable en diferentes entornos de trabajo [4], [5],
[6].
En este trabajo se aborda el problema de la
navegación de robots móviles en entornos
interiores de trabajo con base en una arquitectura
de control basada en comportamientos y un
esquema de coordinación jerárquica, obteniéndose
una solución eficiente al problema de la navegación
de un SMR con capacidades computacionales y
sensórica limitada.
Al incorporar mecanismos heurísticos de búsqueda,
como aquellos basados en algoritmos evolutivos,
se logra obtener trayectorias óptimas de
navegación [7], pero a un costo computacional
prohibitivo para pequeños robots móviles (Small
Mobile Robots-SMR).
Este artículo se organiza de la siguiente manera: en
la sección 2 se presentan los materiales y métodos
requeridos para la implementación de la
arquitectura de control, se describe la plataforma
Cuando se incorporan varios comportamientos en
una arquitectura de control, inmediatamente surge
el problema de cómo sintetizar la acción final de
126
robótica de prueba, se discute la arquitectura de
control propuesta y se presenta el proceso de
diseño de los comportamientos incorporados a
ésta. En la sección 3 se describen las pruebas
realizadas y se discuten los resultados obtenidos y,
finalmente en la sección 4, se exponen las
conclusiones y el trabajo futuro.
temporización y tensión de alimentación de 1.8 a
3.6 V.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Plataforma robótica
La implementación y pruebas de la arquitectura de
control propuesta se llevaron a cabo sobre la
plataforma robótica que se presenta en la figura 1.
Sus principales características son:
Figura 1. Plataforma robótica Carlitos.
2.2. Arquitectura de control
La arquitectura de control implementada incorpora
dos comportamientos básicos, seguimiento de
pared derecha y evasión de obstáculos frontales.
En un instante dado, solo uno de los
comportamientos puede estar activo.
Sistema de actuación y locomoción: constituido por
dos ruedas de tracción en configuración diferencial
y dos ruedas de soporte. A cada rueda de tracción
se acopla una unidad motriz que incluye un
encoder de cuadratura, un motor DC de 12 voltios y
una caja de engranajes con relación 67:1. La
unidad provee 14 Kg-cm de torque y una velocidad
nominal de salida en el eje de 150 rpm.
La evasión de obstáculos es el comportamiento de
mayor jerarquía, su activación se produce cuando
cualquiera de los sonares S1, S2 o S3 detecta un
obstáculo a una distancia menor o igual a 30 cm
(figura 2). En tal situación, el comportamiento de
seguimiento de pared derecha es desactivado y la
evasión de obstáculos asume el control de los
efectores para cambiar la trayectoria del robot,
alejándolo del obstáculo.
Sensórica propioceptiva: la odometría es provista
por encoders incrementales incorporados a las
unidades motrices, entregan 4331 pulsos por
revolución en el eje de salida de la unidad. El
ángulo de orientación del robot es suministrado por
el compás digital CMPS03.
Sensórica extereoceptiva y comunicaciones: se
emplea para determinar distancias a los obstáculos
próximos al robot y proveer comunicaciones
inalámbricas. Para tal fin se diseñó y construyó un
anillo de sonares que cuenta con 12 sensores
ultrasónicos SRF02 que brindan una cobertura de
360°. En la tapa superior del anillo se incorporó un
radio Xbee 802.15.4 para la transferencia de datos
desde y hacia el robot.
Procesamiento: el dispositivo de procesamiento
empleado es un microcontrolador Coldfire V1
MCF51QE128 de la firma Freescale Inc. Sus
características principales son: CPU de 32 bits,
RAM de 8x8KB, flash de 8x128KB, 20 canales
ADC, 2xUART, 2xSPI, 2xSCI, 3 módulos de
Figura 2. Distribución de sensores en el anillo de
sonares.
127
a la señal PWM (Pulse-Width Modulation, PWM)
que se aplica al motor izquierdo. Al aumentar el
nivel DC (Duty Cycle) de esta señal, el motor
incrementará su velocidad acercando el robot a la
pared. Al disminuir su nivel DC, el motor disminuirá
su velocidad y el robot se alejará de la pared. El
nivel DC que se aplica al motor derecho no se varía
y por lo tanto su velocidad permanece constante.
Mientras no se detecten obstáculos frontales a
distancias menores o iguales a 30 cm, el
comportamiento de seguimiento de paredes será el
que controle los efectores. Su objetivo es mantener
una distancia de 50 cm entre el robot y las paredes
localizadas al costado derecho.
Ambos
comportamientos
se
implementaron
mediante esquemas de control fuzzy, permitiendo
alcanzar y mantener los objetivos de control
propuestos, aún en presencia de incertidumbre en
las medidas sensoriales.
En la figura 3 se aprecia la arquitectura de control
que soporta la navegación del robot de prueba
“Carlitos”. La coordinación de comportamientos se
establece de manera jerárquica a partir del estado
del entorno captado por los sensores del robot.
Figura 3. Arquitectura de control de navegación
para el SMR de prueba.
Figura 4. Comportamiento de seguimiento de pared
derecha.
2.3 Diseño de comportamientos
Las variables consideradas se caracterizaron
mediante los conjuntos difusos de tipo triangular y
trapezoidal presentados en la (figura 5). Sus
funciones de pertenencia vienen dadas por las
ecuaciones (2) y (3):
2.3.1 Seguimiento de pared derecha
Este comportamiento busca mantener una distancia
de 50 cm respecto a las paredes localizadas al
costado derecho del robot, tal como lo muestra la
figura 4.
0,
‫ ݔۓ‬െ ܽ
ۖ
,
ܽ
ߤ୼ = ܾܿ െ
െ‫ݔ‬
‫۔‬
,
ۖܿ െ ܾ
‫ە‬
0,
El sistema de control fuzzy que sintetiza este
comportamiento,
considera
como
variables
lingüísticas de entrada la distancia, proporcionada
por el sensor S4 en el anillo de sonares, y el error
de distancia dado por la ecuación (1).
݁ = ‫ ݌ݏ‬െ ݀݅‫ܽ݅ܿ݊ܽݐݏ‬
‫ݔ‬൑ܽ
ܽ<‫ݔ‬൑ܾ
ܾ<‫ܿ<ݔ‬
(2)
‫ݔ‬൒ܿ
donde a y c son respectivamente el límite inferior y
superior, b es el valor de x para el cual μǻ(b)=1 y
a<b<c.
(1)
donde sp (set-point) es la referencia de distancia de
50 cm. La variable lingüística de salida corresponde
128
ߤ ்ோ஺௉
(‫)݀ > ݔ( ڀ )ܽ < ݔ‬
0,
‫ݔ ۓ‬െܽ
ۖ
,
ܽ൑‫ݔ‬൑ܾ
= ܾെܽ
ܾ<‫ܿ<ݔ‬
‫ ۔‬1,
ۖ ݀െ‫ݔ‬
ܿ൑‫ݔ‬൑݀
‫݀ ە‬െܿ,
La tabla FAM (Fuzzy Associative Matrix) de la
figura 6 expresa el conjunto de reglas que
constituye la base de conocimiento del controlador
fuzzy. Por ejemplo, la entrada señalada en esta
tabla corresponde a la j-ésima regla que se expresa
como:
(3)
donde a y d son los límites inferior y superior, b el
límite inferior del soporte, c el límite superior del
soporte y a<b<c<d.
Rj: if S4 is d_f and eS4 is e_z then PWM is
pwm_eq
Figura 6. Base de reglas del controlador difuso que
implementa el seguimiento de paredes.
Una base de reglas de este tipo implementa un
controlador difuso tipo Mamdani [15].
2.3.2 Evasión de obstáculos frontales
En la implementación del comportamiento de
evasión de obstáculos se empleó el sistema de la
figura 7. Este incorpora tres controladores difusos,
cada uno con dos variables lingüísticas de entrada
(“distancia” y “error de distancia”) y una de salida
(“PWM”). Las distancias para los controladores
FLC1,
FLC2
y
FLC3
son
provistas,
respectivamente, por los sonares S1, S2 y S3.
Puesto que cada controlador entrega una señal
PWM diferente, entonces se hizo necesario
establecer
un
mecanismo
que
permitiera
seleccionar la salida que debía aplicarse al motor
izquierdo. La salida seleccionada es la de aquel
controlador cuya distancia de entrada sea la menor
de las tres (figura 7).
El proceso de evitar una pared frontal, vista como
obstáculo, se ilustra en la figura 8. El primer sensor
en detectar una distancia menor o igual a 30 cm es
S1. Esto provoca la desactivación del seguimiento
de pared y la activación de la evasión de
Figura 5. Caracterización de variables lingüísticas
para el controlador difuso que sintetiza el
comportamiento de seguimiento de paredes.
129
cm, desactivándose la evasión de obstáculos y
activándose el seguimiento de pared.
obstáculos. Puesto que la menor distancia es
detectada por S1 (figura 8-a), entonces la señal
PWM1 será la que se aplique al motor. Las
distancias considerablemente mayores entregadas
por los sensores S2 y S3 obedecen al fenómeno de
reflexión especular.
Figura 7. Sistema de control fuzzy para la evasión
de obstáculos y paredes frontales.
A medida que el robot va cambiando de orientación
respecto a la pared, la distancia entregada por S1
se irá incrementando y la entregada por S2 irá
disminuyendo. Llegado el momento en el que la
menor distancia sea aquella registrada por S2
(figura 8-b), se pasará de controlar el motor con la
Figura 8. Tres estados distintos captados por los
sensores durante la evasión de una pared frontal.
Se aprecian lecturas erróneas de 100 y 150
centímetros producidas por reflexión especular.
señal PWM1 a controlarlo con PWM2.
El cambio progresivo de orientación del robot
provocará, en algún momento, que la menor
distancia sea aquella registrada por S3 (figura 8-c),
instante en el cual la señal de control conmutará de
PWM2 a PWM3.
Las variables lingüísticas se caracterizaron
mediante los conjuntos difusos de la figura 9. Como
en el caso del seguimiento de paredes, los
conjuntos se definieron mediante funciones de
pertenencia de tipo triangular y trapezoidal
(ecuaciones 2 y 3).
Finalmente, después de que el robot realiza el giro
para evadir la pared frontal, las distancias medidas
por los sensores S1, S2 y S3 serán mayores a 30
130
Figura 10. Base de reglas del controlador fuzzy que
implementa la evasión de obstáculos.
3. PRUEBAS Y RESULTADOS
La plataforma fue sometida a pruebas de
navegación en entornos interiores de oficinas con
presencia de obstáculos estáticos, como el que se
muestra en la figura 11.
Figura 11. Uno de los escenarios de prueba de la
arquitectura de control de navegación.
Inicialmente se probaron los encoders con el fin de
establecer el grado de confiabilidad de la
odometría. Las pruebas arrojaron una respuesta
aceptablemente lineal como la que se presenta en
la figura 12.
Figura 9. Caracterización de variables lingüísticas
para el controlador fuzzy de evasión de obstáculos.
La tabla FAM de la figura 10 sintetiza la base de
reglas utilizada para cada uno de los controladores
fuzzy de tipo Mamdani que implementan este
comportamiento.
131
En la figura 13 se puede apreciar la trayectoria y el
mapa local obtenido después de una prueba de
navegación de un entorno de 5.40x5.40 m como el
presentado en la figura 11.
Figura 12. Prueba de odometría
recorridos de 5 m en línea recta.
del
Se puede observar que el patrón descrito por la
trayectoria del robot (en rojo), presenta un mayor
grado de semejanza con el entorno que el mapa
(en negro). Mientras que para el trazado de la
trayectoria se emplearon datos de odometría, para
la elaboración del mapa se emplearon ángulos de
orientación y distancias proporcionadas por los
sonares.
robot,
A la información sensorial disponible no se le aplicó
ningún método de filtrado probabilístico para reducir
la incertidumbre en la medida, motivo por el cual,
en el caso de las medidas de rango proporcionadas
por los sonares, se presenta un fenómeno de
“suavizado” de esquinas por especularidad, la cual
se acentúa cuando se da la conmutación de
comportamientos. En el caso de las medidas
proporcionadas por el compás digital, la
incertidumbre se asocia a fuentes internas y
externas de emisión electromagnética.
La rata de muestreo (Fs) de los encoders fue de 1
Hz, empleándose un tiempo promedio de 39
segundos en recorridos de 5m y dando como
resultado una velocidad de desplazamiento del
robot de 12.8 cm/s con un PWM del 50% aplicado
al motor derecho.
El desplazamiento en línea recta se consiguió
programando en el robot solo el comportamiento de
seguimiento de pared derecha. Al inicio del
recorrido el robot fue localizado al lado de una
pared plana de más de 5m de longitud, libre de
obstáculos y a la distancia de referencia de 50 cm.
Para las pruebas llevadas a cabo, el controlador
permitió obtener trayectorias rectilíneas bastante
aceptables al regular la velocidad del motor
izquierdo.
Durante la navegación de los entornos de prueba,
el robot debió capturar y almacenar una
“instantánea” del estado del entorno, activar el
comportamiento correspondiente, generar y aplicar
la acción de control al efector izquierdo y transmitir
al PC la “instantánea” previamente almacenada,
todo a una rata de muestreo de 1 Hz.
El software de mapeo, desarrollado en Matlab,
permitió crear bases de datos con las
“instantáneas” recibidas. En ellas se incluía
información odométrica, distancias a obstáculos y
paredes y ángulos de orientación. Con esta
información se elaboró al final de cada recorrido,
una gráfica de trayectoria y una representación
básica del entorno
Figura 13. Representación de trayectoria (rojo) y
mapa local del entorno (negro).
132
En la figura 14 se registran los cambios de
orientación del robot con respecto al eje magnético
terrestre para el recorrido llevado a cabo.
La implementación de comportamientos empleando
metodologías de inteligencia artificial (IA),
específicamente la lógica borrosa, probó ser una
aproximación efectiva a la solución del problema de
la navegación local en robótica móvil.
Los controladores respondieron de manera eficaz a
la reflexión especular asociada a los sensores de
ultrasonido, la cual constituye una fuente
importante de incertidumbre, dados los cambios
permanentes de orientación del robot con relación a
paredes y obstáculos presentes en el entorno.
Las representaciones de entornos y trayectorias
fueron elaboradas con datos no procesados
adicionalmente, por lo que el nivel de semejanza
entre la representación y el entorno real no fue la
mejor. Habiendo sido el objetivo general de este
trabajo la síntesis de una arquitectura de control
para la navegación confiable de pequeños robots
móviles, el mejoramiento de tales representaciones
se deja como parte del trabajo futuro.
Figura 14. Orientación del robot respecto al norte
magnético terrestre.
En la figura 15 se aprecia un registro de lecturas
del sonar S4. Se evidencian dos reflexiones
especulares significativas, producto del cambio de
orientación del robot con respecto a paredes y
obstáculos circundantes.
La lógica borrosa permite controlar plantas y
procesos sin tener que disponer de un modelo, ya
que provee un framework para la formalización del
conocimiento heurístico. Un proceso exhaustivo de
experimentación con la plataforma robótica de
prueba
(“Carlitos”),
permitió
obtener
el
conocimiento intuitivo necesario para afrontar las
fases de diseño y puesta a punto de los
controladores fuzzy empleados.
Como trabajo futuro se considera la elaboración de
un modelo matemático confiable para la
implementación de controladores clásicos e
inteligentes que permitan estudiar el desempeño de
ambas alternativas en la navegación autónoma de
pequeños robots móviles.
Figura 15. Datos proporcionados por el sonar S4
El método descrito en la sección 2.3.2 para la
evasión de paredes frontales vistas como
obstáculos, junto con el comportamiento de
seguimiento de pared derecha, dan origen a lo que
se conoce como un “Comportamiento Emergente”,
el cual solo surge a partir de la interacción de dos
o más comportamientos básicos a través del
4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
La arquitectura de navegación propuesta, en la cual
se incorporan dos comportamientos básicos junto
con un esquema de coordinación jerárquico,
permitió obtener una navegación segura para
pequeños robots móviles en entornos interiores de
trabajo.
133
Transactions on Systems, Man, and Cyberneticspart b: Cybernetics, vol. 34, no. 1, February 2004.
entorno. Este comportamiento más complejo podría
denominarse “Navegación de Esquinas Cóncavas”.
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134
APLICACIÓN DEL MODELO DE COLOR KUBELKA - MUNK EN
ESMALTES DE CERÁMICA TRADICIONAL
Edgar Andrés Chavarriaga Miranda¹, Juan Fernando Montoya Carvajal², Nelson Alonso Correa Rojas³,
Oscar Jaime Restrepo Baena Ϻ
1
Magíster en Ingeniería de Materiales y Procesos, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín,
[email protected]
2
Magíster en Ingeniería de Materiales y Procesos, Docente, Universidad de la Salle sede Medellín,
[email protected]
3
Magíster en Ciencias Físicas, Docente, Instituto Tecnológico Metropolitano, [email protected]
4
Ph.D en Metalurgia y Materiales, Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín,
[email protected]
RESUMEN
El objetivo de este trabajo consistió en aplicar del modelo de Kubelka Munk para la predicción de color en
esmaltes utilizados en decoración de loza cerámica. El modelo relaciona los coeficientes de absorción y de
dispersión de reflectancia difusa esperados para una mezcla de tres pigmentos cerámicos en el espectro
visible con las respectivas concentraciones de la composición del esmalte, con lo cual es posible predecir un
tono determinado. Se empleó la espectrofotometría visible con el fin de obtener los coeficientes de absorción
y dispersión de los pigmentos elegidos sobre sustratos cerámicos para locería, y también para los espectros
de reflectancia difusa de las mezclas elegidas para los esmaltes calcinados, los resultados obtenidos
mostraron una buena predicción en algunas regiones del espectro visible, concluyéndose que el modelo
podría utilizarse para el control de calidad de los productos fabricados en la industria cerámica.
Palabras clave: Color, Kubelka Munk, Esmalte cerámico, Pigmento cerámico, Medición de color.
Recibido: 15 de Abril de 2014.
th
Aceptado: 30 de Junio de 2014.
th
APPLICATION OF THE KUBELKA - MUNK COLOR MODEL IN ENAMEL OF TRADITIONAL POTTERY
ABSTRACT
The objective of this work is to apply the Kubelka Munk model for predicting color glazes used in ceramic
pottery decoration. The model relates the absorption coefficients of scattering and diffuse reflectance
expected for a mixture of three ceramic pigments in the respective concentrations of the composition of the
enamel, Which predict a certain tone. It was used visible spectrophotometry to obtain the absorption and
scattering coefficients of pigments chosen on ceramic substrates for their use in pottery, and also for the
diffuse reflectance spectra of mixtures chosen for enamels calcined, the results showed a good prediction in
some regions of the visible spectrum, concluding that the model could be used for quality control of products
manufactured in the ceramic industry.
Keywords: Color, Kubleka Munk, Ceramic enamel, Ceramic pigment, Color measurement.
135
1.
Otra ecuación importante para la formulación de
color fue desarrollada por Duncan [15], la cual
muestra la contribución de la absorción y la
dispersión como una propiedad aditiva de una
mezcla de pigmentos, que se describe en la
siguiente ecuación 2:
INTRODUCCIÓN
La igualación del color se define como la
metodología que utilizan las personas que trabajan
en la fabricación de productos coloreados, con el fin
de predecir el color resultante de un material a
partir de la mezcla de pigmentos o colorantes
previamente establecidos [1]. En las industrias de
manufactura de plásticos, impresión, textiles y
pinturas, la predicción del color representa una
herramienta de trabajo que ha permitido dar
soluciones a las variaciones cromáticas que se
presentarían entre los lotes de producción [2].
(2)
Donde K, S y C son los coeficientes de absorción,
dispersión y concentración del n-ésimo pigmento en
la mezcla a cada longitud de onda ʄ del espectro
visible [9].
Entre las ventajas de la igualación de color para la
industrias manufactureras se tienen las siguientes:
la posibilidad de obtener un número elevado de
tonos con tan sólo una combinación de un número
reducido de pigmentos o colorantes, y además de
utilizar de manera eficiente las materias primas que
se emplean en los procesos de producción para
tener productos de buena calidad. Estos
procedimientos podrían ser muy ventajosos al
aplicarse en la industria cerámica, y es así como se
han encontrado varios trabajos de investigación en
la predicción de color en decoración cerámica [310].
Para hacer uso de la anterior ecuación es
necesario obtener los coeficientes de absorción y
dispersión para cada uno de los pigmentos a
utilizar. En este trabajo se utilizaron las relaciones
de Kubelka-Munk y de Duncan, para tres pigmentos
estándar amarillo, azul y rojo, con el fin de predecir
el color en esmaltes de loza, a partir de la mezcla
de dichos pigmentos.
2.
El modelo más empleado por las industrias de
pinturas, papel, textil y plástico en la formulación de
color, ha sido el modelo fisicomatemático de color
de Kubelka Munk [11]. El método consiste en la
predicción del color de un material opaco a partir
del porcentaje de reflectancia para cada longitud de
onda del espectro visible (380-780 nm), ya que este
porcentaje es función de la luz absorbida y
dispersada por las partículas de los pigmentos que
se encuentran en el sustrato [12], lo cual significa
que para cada frecuencia del espectro visible, cada
componente de una formulación de color posee un
coeficiente de absorción, K, y un coeficiente de
dispersión, S.
En este trabajo, los esmaltes cerámicos para
locería se prepararon usando una frita en
suspensión, tres pigmentos cerámicos primarios
industriales y un sustrato cerámico para loza como
se presenta en la figura 1. Inicialmente se eligieron
tres pigmentos cerámicos primarios, a continuación
se realizaron mezclas entre la frita en suspensión y
cada uno de los pigmentos, para finalmente hacer
una calcinación a la temperatura de maduración de
1110°C del esmalte. Luego de tener las muestras
calcinas se procedió a realizar la caracterización,
midiendo los espectros de reflectancia difusa para
cada mezcla de pigmento y frita, con el fin de
obtener los coeficientes de absorción y dispersión a
cada longitud de onda del espectro visible. A partir
de los coeficientes y concentraciones de la mezcla,
se empleó el modelo de Kubelka Munk para
calcular el color esperado, comparando el resultado
experimental para la mezcla de los tres pigmentos y
la frita en suspensión.
En particular, cuando se tienen objetos opacos de
capas delgadas, la relación que describe la teoría
de Kubelka Munk es la siguiente ecuación 1:
(1)
Donde K, S y r, son los coeficientes de absorción,
dispersión y porcentaje de reflectancia difusa,
respectivamente [13,14].
136
En la figura 2, se muestran: A, pigmentos
cerámicos azul, amarillo y rojo; B, la frita en
suspensión para locería; y C, el sustrato cerámico
calcinado, sobre el cual se aplicará el esmalte
cerámico que se calcinará.
Elección de 3 pigmentos
cerámicos primarios y frita
Mezcla de pigmentos primarios y
frita sobre sustrato cerámico
Calcinación a 1100°C para
obtener el esmalte cerámico
A
B
Determinación de los coeficientes de
absorción K y dispersión S
Obtención de espectros de reflectancia
difusa teóricos para mezcla entre
pigmentos primarios a partir de K y S
C
Figura 2. Preparación de esmaltes en crudo
Cálculo experimental de reflectancia
difusa para las mezclas anteriores
Las piezas esmaltadas en crudo, se dejaron secar
a temperatura ambiente por 20 horas, después se
llevaron a un horno eléctrico donde se programó
una rampa térmica hasta la temperatura de
maduración del esmalte, la cual se muestra en la
Tabla 2.
Comparación entre el espectro de reflectancia
difusa teórico y experimental
Tabla 2. Rampa térmica para calcinación de los
esmaltes
Temperatura (°C)
24 a 1100
1100
1100 a 25
Figura.1. Diagrama de flujo para aplicación de
Kubelka-Munk en cerámica tradicional
2.1
Obtención de los esmaltes cerámicos
3.
En la Tabla 1 se reporta la formulación para la
mezcla entre el pigmento cerámico y la frita en
suspensión para obtener el esmalte cerámico.
% Peso/Peso (sólido)
Suspensión de frita
95
Pigmento
5
RESULTADOS Y ANÁLISIS
En la figura 3, se muestran las piezas esmaltadas,
las cuales se utilizaron para obtener los valores de
K/S experimentales a partir de medidas de
espectrofotometría UV-VIS.
Tabla 1. Composición de esmalte
Componente
Tiempo (minutos)
180
30
Inercia de enfriamiento
del horno
137
Figura.5. Relación K/S para el pigmento rojo
En la figura 5, se puede apreciar una respuesta
correspondiente
a
un
pigmento
rojo,
manifestándose a partir de un notorio máximo de
absorción alrededor de 650 nm. El pigmento abarca
una región del espectro asociada a una respuesta
de coloración amarilla, lo cual es propio del amarillo
de cadmio (CdS), pero al tener adiciones en exceso
del pigmento CdSe la tonalidad es finalmente con
relevancia de respuesta rojiza.
Figura.3. Piezas esmaltadas
A continuación se muestran las relaciones entre los
coeficientes de absorción y dispersión K/S
obtenidos por espectrofotometría difusa UV-VIS
utilizando un espectrofotómetro UV-VIS marca
Glacier X de la casa fabricante BWTEK, con rango
espectral entre 200 nm y 1050 nm, con geometría
de medida bidireccional 45°:0°, y empleando el
iluminante CIE D65, para los esmaltes obtenidos
sobre un soporte cerámico de loza.
En la figura 4, 5 y 6 se presentan las curvas de
relación K/S para los pigmentos azul, rojo y
amarillo, obtenidas a partir de las curvas de
reflectancia difusa sobre sustrato de loza, mezclado
con suspensión de frita y opacificante.
Figura.6. Relación de K/S para el pigmento
amarillo.
En la figura 6 se muestran valores bajos de K/S
para el pigmento cerámico amarillo utilizado como
referencia estándar, esto se debe a que en la
región entre 550 y 700 nm, se presenta una fuerte
absorción, la cual es característica de un pigmento
amarillo como el zircon de praseodimio.
Figura.4. Relación K/S para el pigmento azul
En la figura 7, se presentan las curvas de
reflectancia teórica y experimental para una mezcla
en porcentaje peso de 5% de pigmento rojo, 2,5%
de pigmento azul, 2,5% de pigmento amarillo y 90%
de frita en suspensión para loza. En la figura se
puede observar que se presenta correspondencia
entre las curvas de reflectancia difusa en el
espectro visible, pero difieren en regiones en las
En la figura 4, se puede observar la respuesta
característica de un pigmento azul, con picos de
máxima absorción entre 400 y 450 nm. El pigmento
es una cromita de cobalto (CoCr2O4), la cual
presenta coloración azul debido a la presencia del
3+
ión Co .
138
cuales no hay una reflectancia semejante, esto es
debido a que el modelo de Kubelka Munk es válido
solo cuando se tienen capas delgadas del esmalte
lo que es díficil de controlar en la cerámica
tradicional, a partir del método de aplicación con
brocha, el cual fue el que se utilizó en esta
investigación.
5.
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellín,
por la financiación de esta investigación, P13142 y
al laboratorio de cerámicos y vítreos de la
Universidad Nacional por el uso de sus
instalaciones y equipos.
6.
[1] Bondioli, F., Manfredini, T., y Romagnoli M.
Color matching algorithmos in ceramic tile
production, J. of the European Ceramic Society.,
26, 311-316, 2006.
[2] Rich, D.C. Computer-aided design and
manufacturing of the color of decorative and
protectice coatings, J. Coat. Tech., 67, 840, 1995.
Figura.7. Curvas de factor de reflectancia para el
espectro teórico y experimental
[3] Murdock, S.H. Predicting the color of a ceramic
glaze, Am. Ceram. Soc. Bull., 69, 228, 1990.
4.
[4] Murdock, S.H. Measurement and interpretation
of color in glazes, Ceram. Eng. Sci. Proc., 1, 270,
1990.
CONCLUSIONES
Los pigmentos cerámicos empleados se mostraron
estables en la mezcla con la suspensión en frita,
presentando compatibilidad entre el esmalte y el
pigmento durante la cocción, lo cual se manifestó a
través de la homogeneidad en el color final de la
muestra resultante.
[5] Schabbach, L.M., Bondioli, F., Fredel, M.C.
Color prediction with simplified Kubelka-Munk
model in glazes containing FeЇOЈ - ZrSiOЉ coral
pigments, J. Dyes and Pigments., 99, 1029-1035,
2013.
La predicción de color a partir del modelo de
Kubelka-Munk, resultó efectivo para la mezcla de
los tres pigmentos empleados como base, pues el
comportamiento de la curva experimental y la curva
teórica difieren en un orden de magnitud asociado a
la gran cantidad de esmalte empleada, ya que el
modelo se adapta mejor al caso de considerar
películas delgadas del medio dispersor, por lo
tanto, la respuesta corresponde a un patrón similar.
Al presentar una tendencia equivalente en el mismo
rango de longitud de onda, lleva a considerar que el
modelo es aplicable y reproducible, pero
considerando corregir el espesor que debe usarse
para que la refracción de la luz interactúe con las
partículas distribuidas del pigmento en la mezcla.
[6] Schabbach, L.M., Bondioli, F., Ferrari, A.M.,
Manfredini, T., Petter, C.O and Fredel, M.C.
Influence of firing temperature on the color
developed by a (Zr,V)SiO4 pigmented opaque
ceramic glaze, J. of the European Ceramic Society.,
27, 179–184, 2007.
[7] Schabbach, L.M., Bondioli, F., Ferrari, A.M.,
Petter., C.O and Fredel M.C. Colour in ceramic
glazes: efficiency of the Kubelka-Munk model in
glazes with a black pigment and opacifier, J. of the
European Ceramic Society., 29, 2685–2690, 2009.
[8] Schabbach, L.M., Bondioli, F and Fredel M.C.
Colouring of opaque ceramic glaze with zircon
pigments: formulation with simplified Kubelka-Munk
model. J. of the European Ceramic Society., 31,
659-664, 2011.
La predicción de color a partir de medidas de
reflectancia difusa, permitiría un gran aporte para la
tecnología del color, ya que se podrían obtener una
gran cantidad de tonos a partir de una combinación
de sólo tres pigmentos cerámicos.
139
[9] Gonçalves, I.G., Petter, C.A and Machado J.L.
Quantification
of
hematite
and
goethite
concentrations in kaolin using diffuse reflectance
spectroscopy: a new approach to Kubelka-Munk
theory. Clays Clay Miner, 60 (5), 473–483, 2012.
[10] Li, X., Zhang, P., Yang, J and Guo, T. Influence
of particle size distribution of dental opacifier on the
color of titanium opaque porcelain. J Dent, 39S, 45–
50, 2011.
[11] Kubelka, M.F. Ein beitrag zur optic der
farbanstriche, Z. Tech. Phys., 12, 593, 1931.
[12] Jaroslav, P., Jan, H y Jan, J. Basic methods for
measuring the reflectance color of iron oxides,
Optik., 118, 278-288, 2007.
[13] Mestre, S., Sanchez, E., Soler, C y Portoles, J.
Utilización de la teoría de Kubelka Munk para
optimizar el reciclado de residuos crudos de gres
porcelánico. Bol. Soc. Esp. Cerám. Vidrio., 41, 429435, 2002.
[14] Abouliatim, Y., Chartier, T., Abelard, P.,
Chaput, C y Delage, C. Optical Characterization of
stereolithography alumina suspensions using the
Kubelka-Munk model, J. of the European Ceramic
Society., 29, 919-924, 2009.
[15] Schabbach, L.M., Bondioli, F., Ferrari, A.M,
Manfredini, T y Petter, C.O. Color in ceramic
glazes: Analysis of pigment and opacifier grain size
distribution effect by spectrophotometer, J. of the
European Ceramic Society., 28, 1777-1781, 2008.
140
METODOLOGÍAS DE OPTIMIZACIÓN APLICADAS A LA
COORDINACIÓN ÓPTIMA DE PROTECCIONES DE
SOBRECORRIENTE
1
Johnathan Zapata Castro , Jesús María López Lezama
2
1
Estudiante de Maestría en Ingeniería, Grupo GIMEL, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de
Ingeniería, Universidad de Antioquia UdeA, Calle 70 No 52-21, Medellín, Colombia.
2
Ph.D. en Ingeniería Eléctrica, Grupo GIMEL, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería,
Universidad de Antioquia UdeA, Calle 70 No 52-21, Medellín-Colombia. E-mail: [email protected]
RESUMEN
La coordinación de relés de protección en los sistemas eléctricos de potencia (SEP) es una de las tareas más
importantes y dispendiosas, debido al impacto de una mala operación por descoordinación y a la cantidad de
información que se debe procesar. En este artículo se presenta una revisión del estado del arte en la
coordinación de relés de sobrecorriente. También se presentan algunas de las consideraciones a tener en
cuenta para el empleo de protecciones adaptativas y varias de las metodologías que se han desarrollado
desde la modelación matemática, hasta el uso de sistemas de inteligencia artificial para la coordinación de
relés de sobrecorriente. Entre los métodos estudiados se encuentran: programación lineal, algoritmos
evolutivos, algoritmos genéticos, optimización mediante colonia de partículas y algoritmos de colonias de
abejas. Se presentan gráficos y tablas mostrando la evolución de las diferentes técnicas empleadas para
abordar el problema de coordinación óptima de protecciones de sobrecorriente.
Palabras clave: Coordinación de relés de sobrecorriente, Computación evolutiva, Inteligencia artificial.
th
th
Received: May 04 , 2014
OPTIMIZATION METHODOLOGIES APPLIED TO THE OPTIMAL COORDINATION OF OVERCURRENT
RELAYS
ABSTRACT
Coordination of protection relays is one the most important and time consuming tasks in power systems due
to the consequences that a lack of coordination might cause, and to the amount of information that must be
processed. A review of the state of the art on overcurrent relay coordination is presented as well as some
considerations to be taken into account in the use of adaptive protections and several methodologies that
have been developed from the mathematical modeling to the use of artificial intelligence for the coordination
of overcurrent relays. Among the discussed methods are: linear programming, evolutionary algorithms,
genetic algorithms, particle swarm optimization and artificial bee colony algorithms. Several figures and tables
are shown to depict the evolution of different techniques applied to the optimal overcurrent relay coordination
problem.
Keywords: Overcurrent relay coordination, Evolutionary computation, Artificial intelligence.
141
1.
número de metodologías para la optimización de la
coordinación de relés de sobrecorriente. Tales
metodologías
se basan en técnicas
de
programación lineal como el método simplex o
métodos de punto interior; también se han
empleado técnicas de inteligencia artificial como
algoritmos genéticos, redes neuronales y lógica
borrosa (fuzzy logic) [9] y [10], colonia de
partículas, sistemas expertos y razonamiento
basado en modelos con resultados satisfactorios
[11], [12].
INTRODUCCIÓN
Con la implementación y desarrollo de los
mercados de energía, los sistemas de potencia son
forzados a operar en condiciones cercanas a sus
límites, siendo necesario mantener la prestación del
servicio continuo, confiable y de calidad [1].
Diversos estudios han identificado que la mayoría
de los apagones (blackouts) en los sistemas de
potencia se deben, en gran medida, a un
desempeño inapropiado de los relés de protección.
Dejando a un lado las fallas ocultas en los relés de
protecciones, un factor importante de las
desconexiones es el inapropiado ajuste de los relés
a las condiciones actuales del sistema [2] y [3].
Durante la operación de un sistema de potencia
interconectado
pueden
ocurrir
condiciones
anormales. Tales condiciones pueden causar
interrupción de la alimentación y daños en los
equipos conectados al sistema [4]. Un aspecto
importante a tener presente en la operación de un
sistema de potencia es que cualquier falla debe ser
despejada oportunamente por los sistemas de
protección en el menor tiempo posible con el
mínimo de desconexión de elementos, de ahí la
necesidad de una correcta coordinación de los
diferentes tipos de relés de protección [5].
En las referencias [13] - [15] se presentan algunas
de las técnicas de inteligencia artificial que están
siendo actualmente empleadas para implementar
estrategias de protección adaptativas en sistemas
eléctricos de potencia.
En este artículo se presentan las principales
técnicas empleadas para la optimización de la
coordinación de relés de sobrecorriente, como
también otros aspectos relacionados con la
operación de estos. En la sección II se presenta el
concepto de protecciones adaptativas, además de
las ventajas y las desventajas del uso de la
inteligencia artificial en estas. En la sección III se
presenta el estado del arte de la coordinación de
protecciones de sobrecorriente desde 1988 hasta el
año 2014. En la sección IV se detalla el problema
de la coordinación óptima de relés de
sobrecorriente. En la sección V se plantea la
coordinación óptima de relés de sobrecorriente
direccionales mediante el empleo de técnicas de
programación lineal. En la sección VI se presenta la
coordinación de relés de sobrecorriente mediante
técnicas de inteligencia artificial. Finalmente, en la
sección VII se presentan las conclusiones.
Para asegurar la confiabilidad de los sistemas de
protección, el esquema de respaldo no puede
entrar en operación hasta que el sistema principal
falle. En otras palabras, debe operar después de
cierto retardo conocido como intervalo de tiempo de
coordinación, dando la oportunidad a la protección
principal de operar. Antes de 1970, la coordinación
de protecciones era realizada por un ingeniero de
protección, con la ayuda de herramientas de
cálculo especiales [6] donde casi siempre los
métodos aplicados no eran óptimos debido a la
aplicación de su filosofía personal y experiencia
práctica [7]. Con el desarrollo de los computadores
personales y gracias a su capacidad de
procesamiento y memoria se ha automatizado este
proceso a una filosofía de solución iterativa, donde
el ingeniero ejecuta diferentes casos, para
diferentes fallas y configuraciones, hasta que una
solución aceptable es alcanzada [8]. Este proceso
se ha convertido en uno de los principales temas de
investigación de la industria de los relés de
protección y campos de investigación relacionados.
En la última década, se ha desarrollado un gran
2.
PROTECCIONES ADAPTATIVAS
Los sistemas convencionales de protección
responden a fallas o eventos anormales de una
manera fija y predeterminada. Esta forma
predeterminada, embebida en la característica de
los relés, está basada en ciertas consideraciones
acerca del sistema de potencia. Con el
advenimiento de los relés digitales el concepto de
responder a los cambios del sistema ha tomado
una nueva dimensión. Los relés digitales tienen dos
características importantes que los hacen vitales
para el concepto de relés adaptables. Sus
142
funciones son determinadas a través de software y
su capacidad de comunicación [16].
programas de inteligencia artificial pueden operar
con los datos del sistema y aplicar reglas para
calcular y realizar los ajustes necesarios de forma
automática. Dentro de las metodologías de
inteligencia artificial, aplicadas a la coordinación de
relés de sobrecorriente se destacan:
o Lógica borrosa
o Razonamiento basado en modelos
o Redes neuronales artificiales (ANN)
o Razonamiento basado en casos
o Meta control
o Sistemas expertos
o Técnicas metaheurísticas
Vale la pena mencionar que la adaptación de
ajustes como una función de una condición externa
no es fundamentalmente un concepto nuevo. Por
ejemplo, los esquemas de teleprotección existentes
en los relés antiguos están basados en la
adaptación de un ajuste como una función de una
entrada de información externa [2].
Las
protecciones
adaptativas
se
definen
formalmente como: “una filosofía de protección la
cual permite y busca realizar ajustes en varias
funciones de protección automáticamente para
hacerlas más sintonizadas a las condiciones
actuales del sistema" [2] y [16].
La necesidad de sistemas de protecciones
“inteligentes” no es algo novedoso en los SEP
(Sistemas Eléctricos de Potencia), es así como
desde hace varios años se tienen sistemas de
protección, por ejemplo, con la posibilidad de tener
distintos grupos de ajustes, permitiendo de una
manera ágil el cambio de estos ante distintas
condiciones o topologías del sistema. En el marco
de las redes inteligentes, en Colombia se han
adelantado proyectos de investigación en el área
de medición fasorial en el Sistema Interconectado
Nacional (SIN), mediante el desarrollo inhouse de
una PMU (Phasor Measurement Unit) para un
prototipo WAMS (Wide Area Measurement
Systems) usando un número limitado de PMU con
combinación de fabricantes y el desarrollo de la
PMU-XM [17]. Otro grupo de aplicaciones de la
medición con PMU se caracteriza por aumentar la
eficacia de la protección de los sistemas de
transmisión de energía suministrando por ejemplo,
el estado de determinados interruptores y
seccionadores, el flujo de energía en líneas
eléctricas fundamentales, las tensiones en barras
críticas, la potencia de salida de los generadores
clave, etc., de tal manera que puedan ser utilizados
para formular una estrategia de respuesta al valor
y estado de estos parámetros [18].
2.1
Ventajas y desventajas del uso de
inteligencia artificial
La aplicación de la inteligencia artificial en la
ingeniería de protecciones es necesaria cuando
hay incertidumbre y datos incompletos, y donde la
aplicación es considerada más un arte que una
ciencia. Si un conjunto de reglas y datos precisos
pueden ser hallados para la práctica de ingeniería
de protecciones, entonces no habría necesidad de
la inteligencia artificial. El área de la lógica borrosa
pretende principalmente modelar información
imprecisa y razonamiento heurístico. La teoría de
conjuntos borrosos se relaciona con clases de
objetos de fronteras difusas en las cuales la
pertenencia es de algún grado [21], mientras que
las ANN pueden modelar aplicaciones que son
difíciles de definir matemáticamente. Los sistemas
expertos permiten el uso de reglas explícitas para
construir una base de conocimiento, pero esas
reglas y la salida de decisión pueden recaer en
lógica borrosa para la interpretación de los datos.
Una desventaja de los sistemas expertos es que
algunas tareas son más exitosas que otras
dependiendo de la población de la base de
conocimiento [13]. Adicionalmente, es difícil
construir un sistema experto que pueda capturar
completamente la experticia de los expertos
humanos. Algunas de las barreras para la
adquisición de este conocimiento son: (i) es difícil
para los expertos articular su experticia, (ii) la
inhabilidad del ingeniero de conocimiento para
En [19] se propusieron cinco áreas de enfoque
principales, de acuerdo con la estructura propia que
compone el negocio eléctrico: Transmisión,
Generación, Distribución, Comercialización y Áreas
de Soporte; las protecciones adaptativas quedaron
en el área: Transmisión / Sub área: Operación
avanzada (inteligente) / Elemento: Protección
adaptativa. En [9], [15] y [20] se presenta un
estudio detallado de la literatura del problema de la
coordinación de relés de sobrecorriente, allí se
clasifican los trabajos previos en tres categorías:
técnicas de ajuste de curvas, técnica de gráfica
teórica y técnicas de optimización. Las técnicas y
143
realizar las preguntas pertinentes desde el dominio
del ingeniero para extraer la información relevante y
(iii) el temor de los expertos de pasar su experticia
por el miedo a perder su importancia [21]. Los
sistemas expertos no pueden reemplazar la
necesidad de humanos expertos, quienes deben
estudiar los problemas de sistemas de potencia,
aplicar la experiencia pasada y aprender una nueva
solución. Las ANN son buenas para la
interpolación, pero no lo son en extrapolación.
Puesto que las ANN exhiben las mismas
propiedades que los sistemas biológicos, también
sufren las mismas limitaciones. Para algunas tareas
el cálculo secuencial es mejor que usar una ANN.
La lógica borrosa posee mayores capacidades que
sus contrapartes para capturar incertidumbre y
puede capturar la vaguedad de las descripciones
de entrada. Esto, en torno a la habilidad de modelar
el razonamiento del sentido común humano, el
diagnóstico, la toma de decisiones y otros aspectos
del conocimiento humano [13].
programación lineal entera mixta y puntos
interiores)

Programación no lineal

Metaheurísticas (algoritmos evolutivos - AE,
algoritmos genéticos - AG, colonia de
partículas - PSO, colonia artificial de abejas
– ABC Artificial Bee Colony, algoritmo
luciérnaga - AL, etc.)

Otros (métodos gráficos, optimización de
restricciones - OR, sistemas expertos - SE,
inteligencia artificial - IA, modificación de la
corriente de arranque, detección de
escenarios,
programación
secuencial
cuadrática - SQP, etc.)
En los últimos años se ha observado un leve
incremento en las publicaciones sobre el empleo de
diferentes técnicas para la solución de problemas
de optimización mediante técnicas como la
programación lineal, el uso de la inteligencia
artificial y en especial su aplicación al campo de la
optimización de la coordinación automática de
protecciones de sobrecorriente.
3.
ESTADO
DEL
ARTE
DE
LAS
PROTECCIONES ADAPTATIVAS APLICADAS
AL PROBLEMA DE LA COORDINACIÓN ÓPTIMA
DE RELÉS DE SOBRECORRIENTE
Tabla 1. Cantidad de publicaciones por año y
metodología empleada
Los relés de sobrecorriente aún son una buena
selección técnica y económica para protección de
sistemas de subtransmisión interconectados. Como
se ha indicado anteriormente, es difícil resolver el
problema de la coordinación mediante métodos de
ensayo y error o mediante análisis topológico.
Generalmente la coordinación de relés de
sobrecorriente requiere la selección de la corriente
de arranque o PSM (Plug Multiplier Setting) y el
ajuste de dial de tiempo (TDS Time Dial Setting).
Para una coordinación óptima, estos parámetros
deben ser ajustados para satisfacer todas las
restricciones con el menor tiempo de operación de
los relés de protección [22].
La cantidad de publicaciones por tipo de
metodología empleada (consultadas principalmente
en las bases de datos de IEEE Explore y Science
Direct) para la solución del problema de la
coordinación óptima de relés de sobrecorriente se
consigna en la Tabla 1. Las distintas
En la última década, se han desarrollado un gran
número de metodologías para la optimización de la
coordinación de relés de sobrecorriente. Los
métodos empleados hasta ahora pueden ser
clasificados en las siguientes categorías [23]:

Análisis topológico (punto de quiebre - BP,
esquema
de
descomposición
de
configuración)

Programación lineal (programación lineal PL, simplex, simplex de dos fases,
metodologías halladas para la solución del
problema de la coordinación automática de
relés de sobrecorriente, se agruparon en las
siguientes cinco categorías:

144
Análisis topológico - AT
Metaheurístico - MH

Programación lineal - PL
Inteligencia artificial - IA
Otros
De la Figura 3 se logra establecer que las
principales metodologías empleadas para la
coordinación automática de relés de sobrecorriente
son la programación lineal y los algoritmos
genéticos.
De acuerdo a las cinco categorías definidas
anteriormente, se agruparon las publicaciones en la
Tabla 2. Se puede observar que desde el inicio del
planteamiento de la coordinación de protecciones
de sobrecorriente como un problema de
optimización en 1988 (por Urdaneta) hasta 2014, se
han empleado diversas técnicas metaheurísticas
como método de solución de dicho problema.
Algunas de las metodologías de tipo topológico se
basan en la determinación de puntos de quiebre
(BP break points) [6], [7] y [24]. Los BPs son
localizaciones deseadas de inicio del procedimiento
de coordinación y son usados para reducir el
número de iteraciones en el proceso de
coordinación. Las técnicas de optimización han
simplificado la filosofía de coordinación de
protecciones y debido a sus ventajas inherentes
tienen gran popularidad. Su principal ventaja es la
eliminación de la necesidad de determinar el
conjunto de puntos de quiebre y por esta razón, no
es requerido un programa de análisis topológico
elaborado y complejo [15].
Tabla 2. Cantidad de publicaciones por año y tipo
de metodología empleada
En los últimos tres años se ha encontrado la mayor
cantidad de publicaciones sobre el tema de la
coordinación óptima de relés de sobrecorriente tal
como se aprecia en la Figura 1, observándose un
aumento en los últimos años en investigación sobre
el tema.
Fig. 2. Distribución de publicaciones
metodología empleada entre 1988 y 2014
por
Fig.1. Publicaciones por año para coordinación
automática de relés de sobrecorriente entre 1988 y
2014
En la Figura 2 se presenta la distribución de las
metodologías empleadas, donde se destaca el uso
de las metaheurísticas.
Fig. 3. Clasificación de las publicaciones por
metodología empleada
145
Las constantes ܽ y ݊ dependen del dispositivo que
se esté empleando y determinan el comportamiento
de éste.
En las referencias [22], [25] y [26] no se construye
una función objetivo a ser optimizada, si no que se
hallan los ajustes óptimos de los relés de
sobrecorriente
resolviendo
directamente
las
ecuaciones de las restricciones basados en las
reglas de optimización. Adicionalmente en [26] se
presenta un método para reducir el número de
restricciones y detectar aquellas que hacen la
optimización de los ajustes de los relés de
sobrecorriente no factible. En [27] se presenta una
metodología para la coordinación de relés de
sobrecorriente en SEP con generación distribuida,
de tal manera que se mejora el alcance de los relés
de sobrecorriente modificando el ajuste de la
corriente de arranque cuando la generación
distribuida está o no conectada al sistema.
En la Tabla 3 se muestran las constantes de la
ecuación (1) según norma IEC [66] para el cálculo
del tiempo de operación de los relés de
sobrecorriente de acuerdo con el tipo de curva.
Tabla 3. Constantes de forma para la ecuación
exponencial según normas IEC [66].
Tipo de curva
Tiempo inverso estándar
Muy inversa
Extremadamente inversa
Tiempo inverso largo
Dentro de las técnicas de optimización se han
empleado programación lineal con método simplex,
simplex de dos fases y simplex dual [5], [8], [24],
[28] - [40], también se han empleado técnicas de
inteligencia artificial como algoritmos evolutivos [41]
- [46], algoritmos genéticos [11], [12] , [22] y [47] [54], redes neuronales [9], lógica borrosa (fuzzy
logic) [9], colonia de partículas [4], [55] - [60],
colonia artificial de abejas [61], programación
cuadrática secuencial (SQP) [62], algoritmo
luciérnaga (firefly algorithm - FA) [63], sistemas
expertos [64], algoritmos numéricos [65] y
razonamiento basado en modelos.
ܽ
0.14
13.5
80
120
݊
0.02
1
2
1
Los relés ubicados en diferentes subestaciones,
detectan las corrientes de falla de una manera
diferente durante el instante en que ocurre la falla.
El problema de la coordinación de relés es
determinar la secuencia de operación de los relés
para cada localización de falla posible, de tal
manera que la sección fallada sea aislada para
proporcionar suficientes márgenes de coordinación
sin retardo de tiempo excesivo y de esta manera
mejorar la confiabilidad del SEP. El cálculo de los
dos ajustes TDS (ó TMS) e Ip, es la esencia del
estudio de coordinación de relés de sobrecorriente
direccional [8].
4.
EL PROBLEMA DE LA COORDINACIÓN
ÓPTIMA DE RELES DE SOBRECORRIENTE
La planeación y operación de sistemas de potencia
frecuentemente requiere la adición de nuevas
ramas (por ejemplo líneas de transmisión,
transformadores, etc), y modificaciones a la
estructura del sistema con el fin de seguir las
características variables de la carga. Esos cambios
en la red de transmisión modifican la respuesta del
sistema debido a condiciones de falla y por lo tanto,
requieren la verificación y modificación continua de
las características de los dispositivos de protección
del sistema [28]. Debido a este cambio en la
estructura de la red, no solo se requiere el ajuste de
los nuevos relés, sino que implica el ajuste de los
relés existentes con el fin de satisfacer las
necesidades del sistema. La modificación de un
gran número de ajustes es costoso e indeseable.
Por lo tanto, una solución factible con tiempos de
operación más altos pero con menos relés para ser
reajustados puede ser preferida.
Un relé de tiempo inverso típico consiste en dos
elementos, una unidad instantánea y una unidad de
sobrecorriente de tiempo inverso. La unidad de
sobrecorriente tiene dos valores para ser ajustados,
la corriente de arranque (Ip ó Iset) y el ajuste de
dial de tiempo (TDS). El tiempo de operación del
relé ࢏ , está dado por la ecuación (1)
ܽ
‫ݐ‬௜ = ܶ‫ܵܦ‬௜
‫ܫ‬ௌ஼ ௡
(1)
൬൬ ൰ െ 1൰
‫ܫ‬௣
Donde:
‫ݐ‬௜ : tiempo de operación del relé ࢏
ܶ‫ܵܦ‬௜ : ajuste del dial de tiempo (ó TMS)
‫ܫ‬ௌ஼ : corriente de cortocircuito
‫ܫ‬௣ : corriente de arranque (Iset)
146
En [28] se presenta una serie de problemas de
programación lineal de dimensión reducida,
sacrificando parte de la optimización de la
formulación original, tratando una solución
subóptima con un tiempo de operación más alto
pero con menos relés para ser ajustados.
tener en cuenta dos clases de restricciones. Una es
que el relé de sobrecorriente debe ser más lento
que la segunda zona del relé de distancia asociado
al interruptor principal. La otra restricción es que la
zona dos del circuito de respaldo debe ser más
lento que el relé de sobrecorriente direccional del
interruptor principal [30]. En [31] se presenta un
método para determinar automáticamente el tiempo
óptimo para la segunda zona de los relés de
distancia en un esquema combinado con relés de
sobre corriente. En la referencia [34] se presenta
una comparación del esquema de protección para
un sistema interconectado 115/69 kV de la zona
oriental de Venezuela, donde se consideran tres
casos: a) coordinación independiente de los relés
de tiempo inverso y los relés de distancia, b)
coordinación combinada de los relés de tiempo
inverso considerando los relés de distancia y c)
coordinación conjunta ajuste de relés de
sobrecorriente de tiempo definido de alta corriente.
Se presentan las ventajas y desventajas de la
aplicación de cada uno de los casos.
5.
COORDINACIÓN
DE
RELES
DE
SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL USANDO
PROGRAMACION LINEAL
La aplicación de programación lineal al
procedimiento de coordinación de protecciones de
sobrecorriente fue presentada por Urdaneta y
Pérez en 1988 [8]. Este problema puede ser
expresado de forma general como se indica en (2).
݉݅݊௦‫א‬ௌ [‫ݏ(ݖ‬, ‫])݌‬
(2)
Donde ࢠ representa un índice de comportamiento
adecuado, ࢙ representa los ajustes de protección, ࡿ
es el conjunto de ajustes permitidos y ࢖ representa
las perturbaciones o condiciones de falla. Este
problema puede ser formulado como un problema
de optimización no lineal de la forma (3):
݉݅݊[‫ݏ(ݖ‬, ܶ)]
La mayoría de las técnicas de programación lineal
están restringidas al uso de relés modernos con
pasos de dial cercanos, de tal manera que tratan
los TDS como variables continuas, como en [35],
teniendo luego que ajustarse los valores de
acuerdo con la resolución permitida por los relés
que están siendo usados.
(3)
Sujeto a:
(ܿ‫݅ܿܽ݊݅݀ݎ݋݋ܿ ݁݀ ݋݅ݎ݁ݐ݅ݎ‬ó݊)
݄(ܶ) ൑ 0
‫ݏ‬௠௜௡ ൑ ‫ ݏ‬൑ ‫ݏ‬௠௔௫ (‫݈݁ݎ ݈݁݀ ݏ݁ݐݏݑ݆ܽ ݋݃݊ܽݎ‬é)
ܶ௠௜௡ ൑ ܶ ൑ ܶ௠௔௫ (‫݅ܿܽݎ݁݌݋ ݁݀ ݋݌݉݁݅ݐ ݋݃݊ܽݎ‬ó݊)
ܶ = ݂(‫)ݏ‬
(ܿܽ‫ݎ݁ݐܿܽݎ‬í‫݈݁ݎ ݈݁݀ ݏܽܿ݅ݐݏ‬é)
5.1
Coordinación
de
protecciones
considerando cambios topológicos en la red
Donde la característica de tiempo de operación del
relé de sobrecorriente es una función no lineal de
las variables dial de tiempo y corriente de arranque.
Esta metodología tiene como finalidad encontrar los
valores mínimos de dial para los relés de tiempo
inverso, donde las corrientes de arranque y la
relación de transformación son calculadas con
anterioridad para encontrar las restricciones de
coordinación. Con el cálculo de las corrientes de
arranque como un factor de la corriente de carga o
de la corriente nominal del circuito de transmisión,
el problema llega a ser lineal y los únicos valores a
encontrar corresponden a los diales de tiempo de
cada relé [35].
Los métodos actuales para el cálculo de los ajustes
de relés de sobrecorriente pueden ser clasificados
en dos grupos: las técnicas topológicas y las
técnicas de optimización [29]. Es bien conocido
que, en algunas situaciones, los cambios dinámicos
en la topología de la red podrían hacer que el
sistema de protección opere sin selectividad. Los
relés podrían operar correctamente si el efecto de
esas situaciones transitorias fueran tomadas en
cuenta cuando se está realizando la coordinación
de los relés.
Las consideraciones de cambios dinámicos en la
configuración de la red, adicionará dos ecuaciones
a cada par de restricciones de coordinación. Esto
incrementará la dimensión del problema, la cual es
de por sí muy grande sin considerar los cambios
dinámicos. Este incremento en la dimensión del
Los relés de distancia son usados como protección
principal y los de sobrecorriente como protección
de respaldo. Para este tipo de esquemas se deben
147
problema puede minimizarse si el sistema es
analizado previamente.
inteligencia artificial. Entre los tipos de técnicas
inspiradas por los métodos de selección natural que
han sido empleadas se encuentran: las colonias de
partículas, las colonias artificiales de abejas y el
algoritmo luciérnaga entre otras. Estas técnicas han
sido desarrolladas para obtener soluciones globales
óptimas en tiempos de cálculo razonables.
En [52] se presenta una metodología para la
determinación de los pares de relés principal y
respaldo conociendo la topología del sistema en un
grupo de matrices.
En [58] se aplica el método simplex Nelder-Mead y
PSO para la solución del problema de coordinación
de relés de sobrecorriente, este estudio considera
una topología de red variable en estado
estacionario en lugar de una red bajo estado
transitorio como se explica en [29]. Las
restricciones adicionales, tales como la falta de
coordinación causados por grandes corrientes
transitorias en los relés de respaldo de los pares de
relés de protección resultantes de la desconexión
de los relés cercanos, no son considerados en este
estudio.
En [47] se realiza la coordinación de relés de
sobrecorriente mediante AG en un sistema de
distribución para el caso lineal, adicionando las
restricciones a la función objetivo con la finalidad de
dejar el problema irrestricto. En [48] se emplean
algoritmos genéticos para determinar el tiempo de
operación de los relés para las funciones objetivos
lineales y no lineales. Para la función lineal, el valor
TDS es hallado para valores de corriente de
arranque Ip dados, y para la función no lineal el
valor de las corrientes de arranque Ip son obtenidos
para unos valores de TDS. En [49] se plantea el
algoritmo genético continuo CGA, donde las
variables son representadas por números de punto
flotante. En [50] se presenta una metodología en la
cual, a parte de establecer los ajustes
correspondientes a los relés de sobrecorriente,
también permite determinar el tipo de característica
de operación de los relés de sobrecorriente,
aunque no se realiza un análisis sobre la aplicación
en la práctica de tener relés de sobrecorriente con
diferentes tipos de curvas, ni el efecto en la
coordinación de las protecciones de sobrecorriente
de fases con las protecciones de sobrecorriente de
tierra. En [61] se propone un método de
coordinación de relés basado ABC. Este simula el
comportamiento inteligente de las colonias de
abejas mieleras. En el ABC, la colonia artificial
contiene tres grupos de abejas: abejas empleadas
y
abejas
desempleadas,
observadoras
y
exploradoras las cuales distribuyen sus funciones
para explorar el espacio de solución.
En [37] se resuelve el problema de la coordinación
de relés de sobrecorriente direccional mediante
programación lineal, teniendo en cuenta las
restricciones asociadas a las configuraciones
transitorias de la red presentadas durante el
proceso de despeje de las fallas, asegurando la
completa selectividad de la operación de los relés
para el esquema de falla seleccionado. En [67] se
presenta un esquema de coordinación de relés de
sobrecorriente ante cambios en la carga,
generación o topología de la red mediante la
aplicación de programación lineal. En [68] se
presenta una técnica en la cual se emplea
simulación de tiempo real (RTDS), la metodología
planteada consiste en determinar los diferentes
escenarios debidos a cambios en la topología y
para estos realizar el ajuste óptimo; de tal manera
que mediante una supervisión continua del sistema
se detecten los cambios en la topología y de esta
manera activar el grupo de ajuste de los relés de
acuerdo con el escenario detectado.
6.
COORDINACIÓN
DE
RELES
DE
SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL USANDO
TÉCNICAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL
En [60] se propone una nueva aproximación para la
coordinación óptima de relés de sobrecorriente
basado en el algoritmo PSO, en este trabajo se
tiene en cuenta en el proceso de optimización el
TDS y el PMS, donde un algoritmo PSO existente
El problema de optimización de coordinación de
relés de sobrecorriente se ha resuelto mediante
diferentes técnicas, durante los últimos años ha
tenido gran auge el uso de las técnicas de
148
calculados usando el método de punto interior. Otra
modificación aplicada al PSO original para superar
la ocurrencia de algunas partículas no factibles, en
vez de actualizar la posición de todas las partículas
al mismo tiempo, las partículas son actualizadas
una después de la otra. Se actualiza la posición de
la partícula en la primera dimensión, y entonces se
verifica si después de este cambio, la partícula aún
continua dentro del espacio de búsqueda factible,
entonces se acepta la actualización, de lo contrario,
la partícula mantiene su posición anterior.
es mejorado mediante el empleo de una nueva
función objetivo.
La metodología propuesta por [56] es un método
híbrido que toma encuentra el TDS como un valor
continuo y la corriente de arranque como un
parámetro discreto que es considerado en el
procedimiento de optimización. Para este método
se consideran tanto las fallas cercanas como las
fallas lejanas en las restricciones del problema de
coordinación óptima, donde antes de resolver el
problema se determinan los pares de relés principal
y de respaldo.
7.
CONCLUSIONES
En la referencia [9] se propone también un método
híbrido para la determinación de los ajustes de las
protecciones de sobrecorriente operando como
respaldo, teniendo en cuenta la coordinación con
los tiempos de operación de la zona dos de las
protecciones distancia. El método híbrido propuesto
está dividido en dos partes, lineal y no lineal. Para
el desarrollo de la parte no lineal, el PSO es
empleado para la obtención de las corrientes de
arranque de los relés de sobrecorriente, y después
se usa la programación lineal para determinar los
valores óptimos de TDS y tiempo de zona dos de
los relés en la parte lineal. Los resultados obtenidos
por esta metodología fueron iguales a los obtenidos
por algoritmos genéticos pero en menor tiempo.
En este trabajo se presenta el estado del arte en
las técnicas empleadas para la optimización de la
coordinación de relés de sobrecorriente en
sistemas eléctricos de potencia. Se describen las
consideraciones asociadas a cada uno de los
métodos presentados. Algunas de las técnicas
empleadas muestran que, mediante el uso de
inteligencia artificial es posible obtener óptimos
globales a los problemas de coordinación de relés
de protecciones.
La referencia [57] propone que sabiendo que los
relés de sobrecorriente permiten ajustes continuos
para los diales de tiempo y ajustes de corriente de
arranque discretos, el problema de la coordinación
de relés es formulado como un problema de
programación entera mixta, donde la corriente de
arranque de cada relé es escrita como la sumatoria
de cada una de los ajustes de corrientes de
arranques disponibles multiplicadas por una
variable binaria. Al adicionar las ecuaciones
anteriores al problema lineal tradicional se llega al
problema de programación no lineal entero mixto.
En el algoritmo propuesto, se emplea el método de
punto interior para obtener una solución factible
inicial. Esto es realizado inicializando las corrientes
de arranque aleatoriamente, de esta manera el
problema llega a ser lineal y los valores de TDS son
Del análisis de las referencias encontradas hasta el
año 2014, se observó que la programación lineal y
las técnicas metaheurísticas, en especial los
algoritmos genéticos, han sido ampliamente
empleados como herramienta de solución al
problema de la coordinación de los relés de
sobrecorriente, especialmente por su facilidad de
implementación. Las distintas referencias reportan
que con el empleo de técnicas metaheurísticas ha
sido posible la obtención de mejores resultados que
con otras técnicas de programación matemática
clásica.
Las técnicas de optimización han permitido eliminar
la necesidad de hallar los puntos de quiebre (BP),
la cual es una tarea ardua, empleados por las
metodologías convencionales para determinar los
lazos de donde se inicia la coordinación de los
relés.
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to optimize directional overcurrent relay
coordination in variable network topologies,
Journal of Applied Mathematics, Hindawi
Publishing Corporation, 2013, 1-9, 2013.
[59] Bernardes, W.M.S., de P Santos, F.M., Asada,
E.N., de Souza, S.A., Ramos, M.J., Discrete
metaheuristic for coordination of directional
overcurrent relays in meshed systems.
Documento presentado en 2013 IEEE PES
Conference On Innovative Smart Grid
Technologies Latin America (ISGT LA), Sao
Paulo, Brazil, abril de 2013.
[60] Asadi,
M.R.,
Kouhsari,
S.M.,
Optimal
Overcurrent Relays Coordination using ParticleSwarm-Optimization Algorithm. Documento
presentado en Power Systems Conference and
Exposition PSCE '09, Seatle, USA, 2009.
[61] Uthitsunthorn,
D.,
Pao-La-Or,
P.,
Kulworawanichpong, T., Optimal overcurrent
relay coordination using artificial bees colony
th
algorithm. Documento presentado en 8
International
Conference
on
Electrical
Engineering/Electronics,
Computer,
Telecommunications
and
Information
Technology
(ECTI-CON),
Khon
Kaen,
Thaniland, 2011.
[62] Birla, D.; Maheshwari, R.P.; Gupta, H.O., A new
nonlinear
directional
overcurrent
relay
coordination technique, and banes and boons
of near-end faults based approach, Power
Delivery, IEEE Transactions on , 21, 11761182, 2006.
[63] Benabid R, Zellagui M., Chaghi A., Boudour M.,
Application of Firefly Algorithm for Optimal
Directional Overcurrent Relays Coordination in
152
the Presence of IFCL, International Journal of
Intelligent Systems and Applications (IJISA),
MECS Publisher, 6, 44-53, 2014.
[64] Tueitemwong
Kamphol.,
Premrudeepreechacharn Suttichai., Expert
system for protection coordination of distribution
system with distributed generators, Electrical
Power and Energy Systems, 33, 466-471, 2011.
[65] Mahari, A.; Seyedi, H., An analytic approach for
Generation, Transmission & Distribution, IET ,
7, 674-680, 2013.
[66] INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION IEC, Measuring relays and
protection equipment - Part 151: Functional
requirements for over/under current protection,
IEC 60255-151 ed1.0, Switzerland, 2008.
[67]Abdelaziz A.Y., Talaat H.E.A., Nosseir, Hajjar
Ammar A., An adaptive protection scheme por
Electric Power Systems Research, 6, 1-9, 2002.
[68]Souza Jr. F. C., Souza Benemar A., Adaptive
overcurrent adjustment settings: a case study
using RTDS. Documento presentado en 2013
IEEE PES Conference On Innovative Smart
Grid Technologies Latin America (ISGT LA),
Sao Paulo, Brazil, abril de 2013.
153
154
Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Volumen 10, Año 10, Número 18, Enero-Junio de 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.
http://www.politecnicojic.edu.co/ojs
En el enlace “Revista Politécnica”

Libros:
[Nº] Baker, G. L. y Golub, J., Chaotic Dynamics: An Introduction,
Cambridge University Press, Cambridge, 1990.
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.
155
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.
156
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/
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.
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.
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.
.
157
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)
158

Revista Politécnica 18 - Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

Transcripción

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