Cintex 13 2008

Revista

Publicación Colombiana de Tecnología y Educación

ISSN 0122-350X

CintexintexC

Tecnológico Pascual BravoRevista CINTEX - No. 13 - 2008

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Profesor Universidad del Quindío

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Profesora Universidad Nacional de Colombia

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Tecnológico Pascual Bravo. IU

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Edgar Mario Rico MesaCandidato a Magister en Ingeniería con énfasis en

Automatización

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CONTENIDOEditorialEdgar Mario Rico Mesa

TECNOLOGÍA

Algoritmo de ubicación y conducta en un entorno conocido con condicionesiniciales desconocidasCésar Augusto Uribe Meneses, Jaime Ignacio Marín Vargas, Andrés Felipe

Pedraza Monsalve, Leonardo Arango Baena y Carlos Andrés Madrigal

González, Grupo GEPAR, U.de A.

Análisis de los efectos del biodiesel de aceite de palma en el motor Isuzu4JA1-TOHV del laboratorio de máquinas térmicas de la Universidad deAntioquiaFabián Alberto Escandón Felizzola, Julián Andrés Mesa Gil

Caracterización de la administración de la tecnología de máquinasherramientas CNC instalada en el Valle de Aburrá.Carlos Mario Tamayo Domínguez, María Isabel Ardila Marín

Controlador proporcional para un autoclaveJosé Alfredo Palacio Fernández

Conveniencia del uso del gas natural en procesos de esterilización convaporÁlvaro Delgado Mejía, Juan Fernando Madrigal Mesa

El control en invernaderosJosé Alfredo Palacio Fernández, Grupo GARPE, TPBIU

Estudio de la aplicabilidad de la fibra de la penca de la piña (Palf) enmateriales plásticos reforzados –compositesNatalia Merizalde Toledo, Efraín Martínez Meneses

EDUCACIÓN

La planta virtualEdgar Mario Rico Mesa, José Alfredo Palacio Fernández, Juan Carlos Salazar

López

Automatización de juguetes desde el aula: una mirada desde las metodologíasactiva y tradicionalVíctor Hernández Jaramillo, José Alfredo Palacio Fernández, Edgar Mario Rico

Mesa, Grupo GARPE, TPBIU

REFERENCIA DE PROYECTOS EN FORMULACIÓN

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PAGINA 4BLANCA

La ciencia y la tecnología están en conti-nuo cambio, tratando de buscar un me-jor futuro, donde el hombre en su afán

de protagonismo intenta satisfacer sus necesi-dades incursionando en la investigación para laproducción de nuevos conocimientos y nuevastecnologías. Para lograrlo, ha tenido como pre-texto la guerra para generar la carreraarmamentista, es así como muchos desarrollosmilitares con el paso del tiempo han permeadola sociedad, dándole provecho en diferentesáreas y sectores de la industria.

Pero cómo sucedió todo esto? Realmente el serhumano ha sido un crítico de sí mismo, un pen-sador, un ser ambicioso que busca respuesta yrecurre a todos los recursos disponibles paralograr sus propósitos, sólo basta con dar unamirada a la historia de la humanidad, observarsu evolución: la primera época (3.000 años A.C)se relaciona con el manejo de la energía con lasmanos; la segunda época (primer milenio D.C)tiene que ver con el establecimiento de escuelasde filosofía y de los sistemas religiosos; la terce-ra época (mediados del segundo milenio) se ge-nera el renacimiento teniendo como consecuen-cia las divisiones territoriales y los núcleos cul-turales; la cuarta época (siglo 18) se produce la

EDITORIAL

revolución industrial generada con la máquinaa vapor; la quinta época (siglo 20) surge la in-formática y el conocimiento generado con lacreación del transistor.

Es evidente el dramático cambio de la sociedaden los últimos 500 años, en los cuales se avanzacon gran rapidez en la generación de nuevastecnologías como producto de exhaustiva in-vestigación, aunque este vertiginoso cambio hatraído situaciones positivas, así como consecuen-cias negativas donde la comunidad científica ensu intento por mejorar la calidad de vida delser humano, ha impactado en el deterioro am-biental del planeta.

En medio de estos contrastes, el ser humanotiene como herramienta de supervivencia, suconocimiento; y con base en su estudio y apli-cación, la solución de problemas reales de lasociedad, lo cual trae como consecuencia el cre-cimiento tecnológico y económico de los paí-ses al sumarse los conocimientos de los indivi-duos y generar una comunidad científica queprovee de tecnología a la industria y que haceque la sociedad se mueva en torno al conoci-miento

Edgar Mario Rico Mesa

LA SOCIEDAD DEL CONOCIMIENTO

Revista CINTEX • Tecnológico Pascual Bravo Institución Universitaria • No. 13 - 20086

ALGORITMO DE UBICACIÓN Y CONDUCTA EN UN ENTORNO CONOCIDOCON CONDICIONES INICIALES DESCONOCIDAS

César Augusto Uribe Meneses Est, Jaime Ignacio Marín Vargas Est, Andrés Felipe Pedraza

Monsalve Est, Leonardo Arango Baena Est y Carlos Andrés Madrigal Gonzáles MSc.

GEPAR

Universidad de Antioquia

Medellín, Colombia

Marzo, 2007

Resumen— El problema de determinar la ubicaciónde una plataforma móvil en ambientes conocidos sinsaber la posición inicial de esta, es una tarea altamen-te demandante. Este documento describe un algorit-mo que utiliza matrices tridimensionales, el cual usaadquisición de datos de los nodos del entorno parareconocer la posición del objeto. El algoritmo es apli-cado usando un robot que tiene como objetivo encon-trar dos pelotas de tenis, una con una ubicación espe-cifica y otra en una posición desconocida y luego lle-varlas a una lugar objetivo, pero desconociendo el es-tado inicial del robot.

Índice de Términos— Algoritmo, detección de nodos,localizar, matrices tridimensionales, robótica, posicio-nami en t o .

Abstract— A highly demanding task is the problemof identifying a mobile platform’s initial location withrecognized land characteristics. This document des-cribes an algorithm, which utilizes three-dimensionalmatrixes elaborated with data obtained from the no-des, to recognize the position of an object. A robot,with an unidentified initial position, was used to applythis algorithm. The robot’s main goal was to findtwo tennis balls, one tennis ball had a determinedlocation and the other one didn’t. Finally, after fin-ding the tennis balls, the robot had to carry them to afinal spot

Index Terms— Algorithm, locate, nodes detection,robotic, tridimensional arrays, positioning.

INTRODUCCIÓN

El proceso de ubicación de objetos en entornosconocidos; juega un papel de vital importancia enel diseño de comportamientos para sistemas auto-máticos, como por ejemplo: las redes cooperativasde micro-robots [1], que son utilizadas en variedadde procesos que implican una actividad de recono-cimiento exhaustiva. En este documento se explicay analiza un algoritmo de ubicación para platafor-mas móviles cuya posición inicial es desconocida,pero se posee información acerca del entorno en elque se encuentra, además de dispositivos de captu-ra de datos para reconocer las condiciones cerca-nas de la plataforma.

En este desarrollo se realiza una simplificación delentorno y se parte del hecho de que las posiblesvariaciones que este posee solo implican bifurca-ciones del camino, el cual puede generar trayecto-rias cerradas interconectadas entre si, además de li-mitar las condiciones del terreno a situaciones bi-narias para los dispositivos de captura de datos. Estaparticularización, reduce el conjunto de escenariosutilizadas para la comparación e identificación depuntos singulares, agilizando el proceso de ubica-ción. Es fácil encontrar este tipo de situaciones es-pecíficas en actividades robóticas de aplicación di-dáctica como los concursos y olimpiadas de robotsque se realizan en diferentes entes académicos conel fin de impulsar las la investigación y el desarro-llo en la robótica [2].

Para la aplicación de este algoritmo es necesarioque el interesado tenga un conocimiento básico enprogramación y manejo de arreglos multidimen-cionales en lenguajes convencionales como: C++,

TECNOLOGÍA

Revista CINTEX • Tecnológico Pascual Bravo Institución Universitaria • No. 13 - 2008 7

Java, Visual Basic, etc. puesto que el proceso deubicación se basa en un sistema de comparación dearreglos [3], formados por datos adquiridos en tiem-po real y datos almacenados en memoria traduci-dos de los conocimientos previos del terreno.

En la actualidad existen sistemas de reconocimien-to avanzados, como el procesamiento de imágenespara el examen de patrones que facilitan y simplifi-can el trabajo de identificación de ambientes; conla presente investigación se pretendió generar unalgoritmo de funcionamiento eficiente que utiliza-ra sistemas embebidos [4] para simplificar el traba-jo en hardware requerido para su implementación,así como reducir los procedimientos de procesa-miento de señales.

La investigación es realizada por los miembros delos grupos de estudio del Grupo de Investigaciónen Electrónica de Potencia, Automatización y Ro-bótica (GEPAR), de la Universidad de Antioquia,con el apoyo del estudiante de Maestría CarlosAndrés Madrigal González.

En el presente artículo se presentará de maneradetallada y exhaustiva los pasos, procedimientos ysecuencias utilizadas para generar un algoritmo quecumpliendo de condiciones iniciales desconocidascumpliera con las siguientes funciones: 1) calibra-ción de dispositivos de captura de datos para detec-ción de particularidades, 2) recolección de y alma-cenamiento de puntos singulares para la compara-ción de estos con las bases de datos disponibles, 3)definición de posición y sentido del la plataformaen el terreno, 4) decidir que es más eficiente: diri-girse hacia un punto conocido del terreno (puntode reporte) o empezar a recorrerlo en busca de unobjetivo cuya ubicación es desconocida, las dos sub-acciones anteriormente descritas son subsiguientese intercambiables, 5) dirigirse hacia un punto decongruencia final donde comunicará las accionesrealizadas.

DIGITALIZACIÓN DEL AMBIENTE

Cumpliendo con las restricciones propuestas parael entorno en el cual se ubican las plataformas sedebe realizar un proceso exhaustivo de digitaliza-ción del mismo, para así disponer de una base dedatos confiable con la cual realizar las compara-

ciones correspondientes y lograr el objetivo pro-puesto.

El entrono se describe como una interconexión detrayectorias cerradas, simples y bidireccionales locual facilita el proceso de digitalización a través deuna matriz multidimensional.

La condición de bifurcación y existencia de trayec-torias cerradas del terreno, genera algunas intersec-ciones de caminos, identificando así, diferentes ti-pos de datos nodales, Figura 3. Cada tipo de nodose puede identificar con un label (normalmentedecimal), que sirve para etiquetar, identificar y lle-var registro de las singularidades encontradas.

Figura 3, labels para la identificación de puntos sin-gulares

Recuerde que aunque se conoce el terreno, la posi-ción de uno de los puntos de reporte y la ubica-ción de un objetivo final se desconoce la ubicaciónde uno de los objetivos secundarios y la posicióninicial de la plataforma. Es necesario encontrar unatrayectoria cerrada que pase por todos y cada unode los segmentos del terreno que se desean explo-rar. Para este primer objetivo se puede recurrir atécnicas de inteligencia artificial como las redesneuronales [5] que disponen de facilidades técnicaspara la optimización de procesos o si el territoriono presenta gran cantidad de bifurcaciones solo esnecesario de cierto tiempo y dedicación para de-terminar cuál es la secuencia de movimientos quese debe ejecutar para realizar este recorrido opti-mo. Como resultado se obtiene una matriz de mposiciones, ro[m]; donde m es el número de seg-mentos recorridos (note que no es el número desegmentos del terreno puesto que es posible que sedeban repetir trayectorias pero en general se trata

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de evitar al máximo recorrer dos veces el mismosegmento), donde el dato en la posición i es el tipode movimiento a realizar en cada uno de los nodosencontrados.

La definición del los tipos de movimientos dispo-nibles es bastante sencilla, se identifican giros de90º, -90º, 0º y 180º, también se pueden determi-nar grados de giro intermedios midiendo el tiempoque este demora realizando el desplazamiento, si-milarmente podemos utilizar labels para la identi-ficación de los mismos. Como el terreno es un áreade desplazamiento bidireccional es preciso generara su vez una secuencia de movimientos pero en sen-tido opuesto al obtenido anteriormente, modifican-do el vector ro[m] por una matriz bidimensionalro[2xm] donde la primera fila es el recorrido en unsendito y la segunda es el recorrido en sentidoopuesto; otra solución al problema del recorridoen sentido opuesto pondría ser recorrer el vectororiginal ro[m] en sentido opuesto, ahorrando es-pacio en el la memoria disponible (normalmentelimitada), pero presenta mayores complicacionespuesto que hay que analizar la inversión de tipo denodos y en general resultaría un procedimiento mástedioso pero igualmente eficiente.

Las posiciones iniciales del vector ro[2xm] no sonrelevantes porque se trata de una trayectoria cerra-da.

Así se obtiene la digitalización del terreno a travésde un recorrido bidireccional que pasa por todoslos puntos deseados del entorno, esta matriz es uti-lizada para generar las trayectorias y movimientosque debe realizar la plataforma una vez se ubica endeterminado punto del recorrido

CAPTURA DE DATOS

Puesto que las condiciones iniciales de la platafor-ma son desconocidas es preciso que se realice unre-calibración de los dispositivos de captura de da-tos antes de empezar a compararlos. Partiendo dela posición inicial se genera un movimiento aleato-rio de tal manera que todos los dispositivos se en-cuentren aproximadamente en un estado similardefiniendo un máximo de variación con un pará-metro ä; es posible determinar de qué tipo de mo-

vimiento se debe realizar haciendo un análisis de-tallado de las condiciones comunes de todo el te-rreno, y aunque este desplazamiento se debe gene-rar de manera estocástica, en muchas de las aplica-ciones prácticas y académicas, tales como los certá-menes mencionados anteriormente el reglamentoprovee pistas suficientes para la determinación deeste accionar inicial.

Para detectar el punto de intersección de los datosde los diferentes sensores se utiliza el conceptomatemático de entorno [6], figura 1.

Figura 1, Intersección común de todos los disposi-tivos de adquisición de datos

Inicialmente el límite de binarización es aleatorioy se realiza el movimiento descrito anteriormentepara buscar las posiciones de la plataforma que de-terminen la existencia de la intersección general.

El entorno nos presenta una serie de valores bina-rios, pero no se posee información acerca de losdatos frontera que definen las condiciones lógicasreales, así estos límites se modifican aplicando pro-ceso anterior definiendo el estado común de inter-sección, como uno de los estados lógico ya sea “0”o “1”ver, figura 2.

Este proceso se realiza con el objetivo de minimi-zar los errores en el proceso de adquisición de da-tos, el cual de es de vital importancia para una co-rrecta comparación la cual evita resultados incon-gruentes de ubicación.


Figura 2, Ajuste del límite de binarización

RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN INI-CIAL A PARTIR DE PUNTOS SINGULARES

Para un correcto proceso de comparación y ubica-ción se debe realizar un análisis detallado de lascondiciones del terreno, estas deben ser indepen-dientes del tiempo y cumplir con las simplificacio-nes propuestas anteriormente.

La acción subsiguiente es la recolección de un nu-mero n de puntos singulares y generar una vectorub[n] donde se guardará el tipo de nodo encontra-do en orden cronológico.

El numero n de puntos singulares necesarios paradeterminar con éxito la posición inicial y la posi-ción actual de la plataforma depende y es directa-mente proporcional a la homogeneidad del terre-no de prueba, también varia obedeciendo a las con-diciones siguientes a la posición inicial, por estarazón es importante decidir y estandarizar los mo-vimientos que se realizan en cada uno de los nodosmientras la plataforma se encuentra en un puntociego, que en este caso seria mas aproximado ha-blar de un segmento de ceguera, así pues determina-mos la manera como la plataforma virará en paracada uno de los nodos identificados, esta asigna-ción sebe ser el resultado de un análisis detalladode los objetivos de la plataforma, se recomienda elmovimiento en zig-zag cuando se necesita que estarecorra una mayor parte de terreno aprovechandoel intervalo de desconocimiento de la posición, otraalternativa es la generación de trayectorias cerra-das durante la ubicación si se busca que se conserveal máximo la posición inicial.

DEFINICIÓN DE POSICIÓN Y SENTIDO

Este es uno de los procesos más exhaustivos puestoque se requiere la generación de una matrizbidimensional [7] que contenga las posibles situa-ciones encontradas en cada uno de los segmentosdel entorno a explorar. El proceso a realizar es si-mular y obtener para cada uno de los segmentos,las acciones que la plataforma realizaría si este fue-se su posición inicial; es necesario aclarar que sedebe realizar este técnica en ambos sentidos de des-plazamiento; así pues tenemos una matriz c[2mxn]donde n es el número de nodos necesario para dife-renciar individualmente todos los posibles recorri-dos en el periodo de ceguera, partiendo de las dis-tintas posiciones iniciales, que en este caso seriantodos los segmentos del terreno; se define un seg-mento como: espacio entre dos nodos consecuti-vos; la experiencia muestra que con el modelo deterritorio planteado el parámetro n oscila entre cin-co y siete. El dato que se guarda en cada una de lasposiciones de la matriz c es el tipo de nodo encon-trado, así pues, se tiene una matriz con los datosque la plataforma encuentra si parte de cualquierposición

Se realizan unas modificaciones adicionales a lamatriz c, de tal manera que tenga un papel funcio-nal en el algoritmo, agregando dos columnas más,las cuales se conectarán con las matrices ro y ublogrando una ubicación exitosa. Partiendo de cual-quier posición inicial pi, y realizando los giros pre-determinados para el recorrido ciego en cada unode los nodos encontrados, después de n+1 segmen-tos la plataforma se encuentra en un segmento pi’,donde ya se tiene el vector ub con la informaciónde los nodos recorridos. La primera columna a ge-nerar contiene el sentido en el que la plataforma seencuentra en la posición pi’ el cual es un datobinario puesto que consideramos solo caminosbidireccionales, la segunda columna a agregar es laque proporciona una ubicación en el recorrido ro,es decir, si se tiene la matriz ro[2xm] y definimos lavariable i=0,1,2,…,m, entonces en esta columnaadicional se guarda el dato i de la posición que esteocupa en la ruta cerrada ro.

Como los datos de la matriz ro son tipos de movi-mientos en los nodos y la posición pi’ es un seg-mento no hay mayor complicación en relacionar


pi’, con el nodo inmediatamente anterior o siguien-te, para este caso utilizaremos el nodo siguiente.

Ya se tiene los datos necesarios para la ubicación,comparando el vector ub[n] con las primeras co-lumnas de la matriz c[2mx(n+2)]., es decir encon-trar la fila de la matriz c que cumpla:ub[0,1,2,…,n]=c[j][0,1,2,…,n], la comparación se rea-liza con procesos iterativos en el cual se utilizanvariables locales para cambiar los datos a comparar[8], llamando j a la variable auxiliar, una vez se lo-gre una comparación exitosa se tendrá un valorúnico de esta, valor que es de gran ayuda para lacontinuación exitosa del algoritmo. Cuando existeigualdad entre los vectores anteriores tenemos tam-bién gracias a las dos columnas adicionales, el sen-tido del desplazamiento de la plataforma y el seg-mento terreno en el que se encuentra, puesto que,como se menciono anteriormente las posicionesc[j][n+1]=[ “1” “0” ] y c[j][n+2]=i, determinan oinforman acerca de la posición y el sentido de laplataforma móvil en el recorrido optimo o matrizro[c[j][n+1]][c[j][n+2]] descrito en los numerales an-teriores.

En generar la posición actual se resume como:

� � � �

� ��

[ ]......... 0,1, 2,...,

1 2

ub n c j k k n

ro c j n c j n

� �

� � � ��

DECISIÓN DE ACCIONES INICIALES

Luego de encontrar la ubicación específica de laplataforma se deben decidir las acciones siguientesque esta realizará, para el caso particular descritoen esta investigación, se poseen dos opciones decomportamiento, estas son necesarias para un co-rrecto cumpliendo de los objetivos, pero no po-seen restricciones de orden ni prioridad, así pues,la plataforma puede: primero, dirigirse a un puntode reporte cuyas coordenadas son conocidas (se tie-ne información acerca del segmento de terreno enel cual se encuentra), ó segundo, iniciar un recorri-do minucioso por todo el territorio en busca de unobjetivo cuya locación es indeterminada.

Es posible que la plataforma ya se haya encontra-do uno de los objetivos, ya sea el punto de reporteo el que tiene ubicación inicial variable y descono-

cida durante el recorrido en el cual se encuentradesubicado, o sea, en los segmentos por los cualesesta se desplaza luego de que esta es puesta en elterreno, puesto que el dominio de escogencia de laposición inicial son todos los segmentos del terri-torio.

Es necesario que aunque el robot este en procesode ubicación, se lleve un archivo de control de to-das las acciones realizadas, así cuando este se ubi-que satisfactoriamente tenga en su registro datosque influyan en el accionar de este para laoptimización del cumplimiento de los objetivos,en este caso, si se realizó o encontró algunos de losobjetivos secundarios se continuará con el siguien-te y si se cumplieron los dos objetivos, solo restarádirigirse hacia el punto final de reporte cuyas coor-denadas son también conocidas.

Tomando inicialmente el caso en el cual no se lo-gró ningún objetivo durante el período de ceguera,para escoger la decisión sobre cual de los dos obje-tivos pendientes realizar, es preciso utilizar la ma-triz de digitalización del terreno ro. Como sabe-mos en que segmento del terreno se encuentra unode los objetivos, podemos a su vez ubicarlo en unaposición l de la matriz ro, así asignamos su posi-ción en el terreno matricializado. Se tiene enton-ces la ubicación del objetivo l y posición y sentidode la plataforma (las columnas adicionales de lamatriz c) y por medio de un proceso simple de se-guimiento se puede saber cual es la diferencia nu-mérica de segmentos entre ellos:

|l-{c[j][n+1]][c[j][n+2]}|, aportando argumentoscontundentes para la acción a realizar, ya sea se-guir con el recorrido en la ruta optima o dirigirseal punto de reporte o primer objetivo.

Cuando se logra cumplir con uno de los objetivosdurante el proceso de ubicación, solo es necesarioactuar para cumplir el otro: si la plataforma pasópor el punto de reporte cuya ubicación es conoci-da, hay que seguir recorriendo el territorio segúnla ruta óptima de la matriz ro; por el contrario si sedetecto el objetivo de posición desconocida se deberealizar los movimientos que la lleven al punto dereporte y finalmente al objetivo final; si se logra-ron los dos objetivos secundarios, se debe dirigirdirectamente al objetivo final o meta. El proceso


de desplazamiento el recorrido después de la ubi-cación se describe a continuación, este proceso uti-liza la ayuda de matrices para el control del proce-so y la validación de los resultados

DESPLAZAMIENTO Y VALIDACIÓN

Cuando la plataforma ya se encuentra ubicada enel terreno, esta debe empezar a realizar movimien-tos y acciones que conlleven al cumplimiento delos objetivos; en los numerales anteriores se descri-bieron estos comportamientos iniciales; ahora sedesarrollara el tema del desplazamiento y valida-ción de estos movimientos y así poder llevar uncontrol para la prevención y corrección de erroresque se pueden comentar en la recolección de datosdebido a variaciones inesperadas del terreno.

Para realizar la validación de movimientos y ubi-cación de la plataforma se debe modificar la matrizro agregándole una dimensión más. Inicialmentese tiene la matriz ro[2xm] donde cada una de lasfilas contiene la información acerca de los movi-mientos que la plataforma debe realizar cuando estarecorriendo la ruta optima; es decir, la que pasapor todos los segmentos evitando repetir recorri-dos; en los dos sentidos. La dimensión que se pro-pone agregar tiene la función de proporcionar losdatos de validación de los nodos encontrados, pararealizar el seguimiento de la trayectoria y corregirinmediatamente errores de ubicación.

Adicionando una matriz con el mismo número decolumnas y filas; 2xm; cuyo espectro de datos sonlos tipos de nodos (datos decimales definidos ante-riormente) que la plataforma detectara mientras sedesplaza durante el recorrido de la ruta optima sisu ubicación física coincide con su ubicación vir-tual. La continuación de datos descrita anteriormen-te proporciona la ayuda necesaria para poder reali-zar el proceso de validación de desplazamientopuesto que en todo momento después de la ubica-ción si se esta recorriendo la ruta optima, se sabeque nodo se encontrará y que moviendo se deberealizar. El proceso es exhaustivo puesto que nece-sita que para cada recorrido de ruta óptima se guar-den los datos del nodo encontrado y el giro a reali-zar pero es eficiente en su funcionamiento y nopresenta errores de incongruencia en su algoritmo.

El proceso de captura de datos sobre el nodo en-contrado y tipo de giro a realizar puede ser aplica-do a su vez en desplazamientos hacia cualquier di-rección fija puesto que en ocasiones es necesarioque la plataforma ya ubicada se dirija a un puntoespecífico cuyas coordenadas conocemos, el desa-rrollo a seguir para este problema es paralelo aldescrito, se deben generar rutas rápidas en los dossentidos, desde del punto de partida (cualquier seg-mento del terreno), hasta el punto final tomandodatos de los nodos encontrados y el tipo de giro arealizar, teniendo así un registro de direccionamien-to desde cualquier posición inicial hasta un segmen-to final determinado, puesto que los recorridospueden tener diferentes longitudes, es necesarioagregar una bandera de activación para indicar queel recorrido se completo, normalmente una solu-ción puede ser agregando una nueva posición a cadauno de los recorridos el cual debe ser único e iden-tificable para la detección del fin del camino.

Cuando el nodo encontrado no coincida con la claseque se encuentra en la tercera dimensión de la ma-triz ro se concluye que la plataforma cometió unerror en su ubicación y nuevamente se encuentrapérdida indicando que el proceso de locación sedebe reiniciar

CONCLUSIÓN

El algoritmo descrito en este artículo presenta grancantidad de restricciones de operabilidad, no indi-cando deficiencia en campos de acción. Es necesa-rio que se entienda el proceso como una salida al-ternativa a la solución de un problema común enactividades académicas de competencias robóticasrelacionadas con la ejecución de actividades en la-berintos guiados por una línea negra y la relaciónestrecha que existe en la utilización de matricesmultidimensionales y la solución de problemas deubicación. El algoritmo no presentó problemas deoperación, pero su aplicación requiere una grandedicación por parte de los interesados cuando sedemande hacer exámenes minuciosos de las condi-ciones del terreno para interpretar el funcionamien-to de la plataforma según todas las condiciones quese puedan presentar durante el transcurso del reco-rrido, además es necesario una larga etapa de prue-ba-error, puesto que, este como modelo teórico se


tiene que modificar y adaptar a las posibles limita-ciones que le impongan los dispositivos de capturade datos, los cuales según se observó representa lamayor fuente de errores en el proceso de ubica-ción.

Se observo que los procesos de ubicación, valida-ción, desplazamiento y demás son eficientes tantoen tiempo como en funcionamiento pero se tuvoel inconveniente del el espacio en memoria que debeestar disponible debido a la gran cantidad de infor-mación almacenada como matrices, tanto constan-tes como variables.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Betancur Betancur, Manuel,. (). Introducción aal Mecatrónica. Medellín. Editorial UniversidadPontifica Bolivariana.

[2] Pagina de A+D –Olimpiada

[3] Grossman, Stanley I., (1996). Algebra Linear.Quinta Edición. Mexico D.F. McGraw Hill

[4] Sistemas Embebidos

[5] del Brío, Bonifacio Martín. Sanz Molina,Alfredo., (2005). Redes Neuronales y SistemasDifusos. Segunda Edición Ampliada y Revisa-da. MADRID, España. AlfaOmega Ra-Ma.

[6] Leithold, Louis. (1998). El Cálculo. San Anto-nio. Oxford University Press

[7] Bronson, Gary J., (1999). C++ para Ingenie-rías Ciencias. Mexico. Thompson Editores.

[8] Oviedo Regino, Efraín., (2005). Lógica de Pro-gramación. Bogotá. Ecoe Ediciones

AUTORES

CESAR AUGUSTO URIBE MENESES, Estu-diante de Ingeniería Electrónica de la Facultad deIngeniería de la Universidad de Antioquia, miem-bro de los grupos de estudio del grupo de investi-gación GEPAR, intereses: Redes Neuronales e In-teligencia [email protected](4) 4126180- (316) 5350451

JAIME IGNACIO MARIN VARGAS, Estudian-te de Ingeniería Electrónica de la Facultad de Inge-niería de la Universidad de Antioquia, miembrode los grupos de estudio del grupo de investigaciónGEPAR, intereses: Robótica, Automatización,Animación 3D, Procesamiento digital de Imágenese Inteligencia [email protected](4) 4962105- (310) 3954706

LEONARDO ARANGO BAENA, Estudiante deIngeniería Electrónica de la Facultad de Ingenieríade la Universidad de Antioquia, miembro de losgrupos de estudio del grupo de investigaciónGEPAR, intereses: Animación 3D, Robótica, Re-des neuronales y Procesamiento digital de imá[email protected](4) 4122124- (300) 3042790

ANDRES FELIPE PEDRAZA MONSALVE,Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Facultadde Ingeniería de la Universidad de Antioquia, miem-bro de los grupos de estudio del grupo de investi-gación GEPAR, intereses: Redes Neuronales,Automatización y robó[email protected](4) 2673706 (312) 8055015


ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DEL BIODIESEL DE ACEITE DE PALMA EN ELMOTOR ISUZU 4JA1 - T OHV DEL LABORATORIO DE MÁQUINAS

TÉRMICAS DE LA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

Fabián Alberto Escandón Felizzola,

Estudiante Tecnología en Mecánica Automotriz

Julián Andrés Mesa Gil,

Estudiante Tecnología en Mecánica Automotriz

Tecnólogico Pascual Bravo, Institución Universitaria

ASESOR, Luis Eduardo Jaramillo Cuartas, Ingeniero Mecánico

Resumen. En este artículo se presentan los aspectos re-lacionados con el desempeño mecánico y ambientaldel motor diesel 4JA1-T OHV de 2.5 litros de cilin-drada, turboalimentado (actualmente utilizado en lacamioneta Luv Dimax). Utilizando diversos combus-tibles, entre ellos el diesel convencional y Biodiesel deaceite de palma mezclado al 5, 10, 20, 30, 50 y 100%en volumen.

Los ensayos se realizaron a igualdad de energía en elcigüeñal para cada combustible, en cinco grados decarga estacionarios, representativos de las condicio-nes de operación del vehículo en ciudad. El rendimien-to efectivo sufrió cambios estadísticamente no muysignificativos, con lo cuál se comprobó que la relaciónenergía suministrada a energía obtenida en el cigüe-ñal no varía demasiado independiente de la mezcladel biodiesel utilizado.

Aunque las tendencias observadas dependen del tipode aceite del que provienen los alquiésteres, se puedeconcluir que a medida que se incrementa el porcentajede biodiesel en las mezclas diesel – biodiesel, disminu-ye la potencia y aumenta el consumo de combustible.Además disminuyen el CO, HC, material partícula-do, hollín, y la opacidad de humos. De otro lado, losNOX aumentan dependiendo la afinación y deteriorodel motor. La potencia disminuye entre 0.5 y 10%entre B5 y B100 respectivamente. El consumo de com-bustible aumenta entre 0.05 – 8%, para el biodiesel ysus mezclas, debido al menor poder calorífico del bio-combustible comparado con el diesel convencional.

Las emisiones de CO disminuyen de 2.5 a 50%, HC0.6 -55%, con B5 y B100 respectivamente. La opaci-dad de humos disminuyen entre 0 y 30% y los SOx

entre 20 y 100%, debido al escaso contenido de azufredel biodiesel. La reduccion global de CO2 es de 0.6 -78.4% para B5 Y B100 respectivamente. La ventajamedioambiental de tipo global del biodiesel es el cie-rre del ciclo de vida del CO2 (emision nula) pues lasplantas oleaginosas pr medio del proceso toman estegas y lo transforman en oxigeno.

Palabras clave: Motores diesel, Desempeño Mecáni-co, Desempeño ambiental, Biodiesel, Emisiones Con-taminant e s

Abstract. In this paper appears the aspects related tothe mechanical and environmental performance fromdiesel engines fuelled by several fuels, such asconventional diesel fuel and alternative fuels derivedfrom vegetable oils( Biodiesel).An experimentalcomparison of mechanical and environmentalperfonmances obtained from turbocharged, Light duty2.5 liters, automotive diesel engine mounted in a testbench. The engine used conventional diesel fuel andpalm oil biodiesel blended at 5, 10, 30, 50,100% byv o l um e .

Test were carried out under the same effective pressurefor each fuel, five engine loads in stationary conditionsrepresentative from city operation were tested.Although, the observed trends, strongly, depend of thetype of vegetable oils used as raw material it is possibleto conclude that an increase in biodiesel percent inthe biodiesel – diesel blends, leads to a decrease inpower and an increase in fuel consumption. Smokeopacity and emission of CO, HC, particulate matterand soot are also reduced. In regard to NOX anincrease 2% or a decrease 20% could be expecteddepending on the tuning of the engine.


Power diminishes between 0.5 and 10% for B5 andB100 respectively. Fuel consumption increases around0.05 to 8% for 5 biodiesel and its blends do to thebiodiesel lesser heating value.

Emission of CO diminish between 3, 14, 55 % forB5, B20, B100 respectively. Smoke opacity decreasesbetween 0 to 30%. SOx emissions also diminishbetween 20 to 100% do to the lesser content of sulfurin the biodiesel. The globlal reduction of CO2 isbetween 0.6 to 78.4% for B5 and B100.Theenvironmental advantage from biodiesel is the lifecycle of CO2 being closed.

Key words: Biodiesel, Diesel Engines, Gaseousemissions, mechanical performance, enviromentalp e r f o rmanc e

INTRODUCCIÓN

Entre los motores de combustión interna, el mo-tor diesel o de encendido por compresión (MEC),ha venido ganando terreno progresivamente porsus ventajas en cuanto a consumo de combustible.La comunidad científica internacional, que actual-mente realiza actividades de investigación y desa-rrollo en el área de la combustión en MEC, tieneenfocados sus esfuerzos hacia mejorar cada vez mássu eficiencia térmica, reducir las emisiones conta-minantes especialmente las de óxidos de nitrógeno(NOX) y de material particulado (PM), y estudiarlos efectos del uso de combustibles reformulados oalternativos. La presente propuesta de investigaciónse enmarca dentro de los dos últimos objetivos.

En lo referente a nuevos combustibles o combusti-bles reformulados para MEC, el biodiesel, usadopuro o mezclado en diferentes concentraciones conel diesel convencional, constituye la opción másampliamente aceptada, dadas las ventajas técnicas,estratégicas y ambientales que ofrece este combus-tible derivado de la biomasa. El biodiesel, mezclade alquilésteres de ácidos grasos1(, es un combusti-ble renovable, oxigenado, libre de azufre y com-puestos aromáticos, y prácticamente biodegrada-ble; la presencia de oxígeno en el combustible per-

1 Probst, O. EL BIODIESEL COMO ALTERNATIVA LIMPIA Y RENOVABLE PARA EL TRANSPORTE. [En línea].MONTERREY, México. s.n. 2001 <http://transferencia.mty.itesm.mx/56/56-III.03.html> [Consultada: 5 de Julio de2007].

mite una combustión más completa en el motor ysu uso no requiere modificación significativa en losmotores, al igual que es completamente soluble enel diesel convencional. Numerosas investigacioneshan reportado reducciones considerables en lasemisiones de varios tipos de contaminantes atmos-féricos, cuando se reemplaza el combustible dieselconvencional derivado del petróleo por biodiesel.Sin embargo, con la utilización de diferentes tiposde biodiesel a nivel comercial, se ha detectado unaumento, de una parte, en las emisiones de NOXcon respecto al diesel convencional que puede lle-gar a ser del orden de un 10% o mayor cuando seusa biodiesel puro, y de otra parte en emisionesfotoquímicas como algunos aldehídos. Adicional-mente, dado que el biodiesel posee propiedades fí-sicas y químicas diferentes al diesel derivado delpetróleo, es de esperar que el desempeño mecánicodel motor experimente variaciones.

En Norteamérica hay dos grupos que son líderesen la investigación en emisiones en motores dieselfuncionando con biodiesel; Uno de ellos pertenecea la Universidad de Iowa y es liderado por Jon VanGerpen. Otro, liderado por M. S. Graboski y R. L.McCormick el cual tiene vínculos con la Escuelade Minas de Colorado y ha realizado proyectosrelacionados con el tema para el Laboratorio Na-cional de Energías Renovables (NREL) y la Agen-cia de Protección del Medioambiente (EPA) de losEstados Unidos. En Europa es importante desta-car el trabajo del grupo de combustibles y motoresde la Universidad de Castilla La Mancha lideradopor Magín Lapuerta. En Malasia el Malaysian PalmOil Board (MPOB) ha promovido la realizaciónde diferentes ensayos en ruta con vehículos funcio-nando con biodiesel de aceite de palma.

En Colombia el Instituto Colombiano del Petró-leo (ICP), ha realizado varias pruebas en banco yen vehículos en ruta para evaluar las mezclas B5(5% biodiesel de palma-95% ACPM) con miras aimplementar su uso a partir del 1 de enero del 2008.

Gracias a los aportes en investigación del ICP sepudieron evaluar las mezclas de diesel y biodiesel,


así como las de gasolina con 10% de alcohol carbu-rante. Dichos análisis incluyeron la evaluación delas viabilidades técnicas y económicas para la in-corporación del biodiesel dentro de la canasta ener-gética del país. El resultado de las investigacionesle permitió a ECOPETROL incursionar en el ne-gocio de los biocombustibles, como una estrategiapara obtener recursos adicionales y abrir su espec-tro comercial.

METODOLOGÍA

En este proyecto experimental, se quiere compa-rar el comportamiento mecánico y ambiental deun motor diesel representativo, funcionando conACPM y con diferentes mezclas de ACPM – Bio-diesel de Aceite de Palma. Los ensayos se han reali-zado en el laboratorio de Máquinas Térmicas de laUniversidad de Antioquia. En las figuras 1 y 2, semuestra el motor física y esquemáticamente en elBanco de Ensayos.

Figura 1. Motor en Banco de Ensayos.

Figura 2. Esquema del Banco de Ensayos2.2 Imágenes tomadas de: AGUDELO SANTAMARÍA, John y BENJUMEA HERNÁNDEZ, Pedro. Diagnóstico de la com-

bustión de biocombustibles en motores. 1ra Edición. Colciencias. Marzo de 2007. pág 65-75. [Consultada: 25 de Enero de2008].


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Tabla 1

Características técnicas del motor de ensayos3

3 Manual de servicio - ISUZU

Tabla 2

Características técnicas del equipo de análisis de gases

MotorCódigoDesplazamiento (c.c.)No CilindrosNo VálvulasPotencia Neta (HP@rpm)Torque Neto (kg-m@rpm)Relación CompresiónDiámetro x CarreraAlimentación

Diesel Turbo Alimentado de 2.5L4JA1-T OHV24994 en línea879 @ 390018 @ 200017,793 X 92Bomba de inyección Rotativa

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EspecificacionesCelda ElectroquímicaPrecisión para O2Precisión para otros gasesBase de medición

MagnitudNox, CO, CO2, CH4, HC, otros1% en Vol.4% de la lecturaSeca

En el esquema del banco de ensayos observamosque el aire que entra al motor pasa por un filtro,luego por un medidor de hilo caliente, y finalmen-te entra al turbocompresor. Igualmente se observael depósito de combustible móvil con capacidadpara 10 galones, equipado con filtro y bomba decombustible y un medidor de flujo que desembocaen la bomba de inyección; El retorno de combusti-ble procedente de los inyectores se lleva a la entra-da de la bomba de inyección, de modo que se mideel consumo de combustible neto.

Las emisiones gaseosas se obtuvieron directamen-te del sistema de escape entre la turbina y el silen-ciador, a través de una toma para medir emisionesgaseosas. Después del silenciador hay otra tomapara medir la opacidad de humos.

La refrigeración del motor se garantiza por mediode un intercambiador de calor que enfría el agua

que circula por el motor utilizando agua de la redhidráulica. Este intercambiador funcionaautomáticamente, gobernado por un termóstato.

El sensor de presión en la cámara de combustiónse instaló en el cilindro del extremo opuesto a lavolante, en el alojamiento de la bujía deprecalentamiento; Su señal es llevada a un amplifi-cador de carga, y de éste a una de los puertos de latarjeta de adquisición de datos; Las señales de codi-ficación angular que tiene su sensor ubicado en eleje del cigüeñal extremo opuesto a la volante, y elsensor de presión en inyección ubica a la salida dela bomba de inyección y procedente del respectivoacondicionador de señal, también se encuentranconectados a la tarjeta de adquisición de datos.

Esta tarjeta se instaló en un computador acondi-cionado para la medición de parámetros instantá-neos y se controla usando un programa informático


desarrollado en LABVIEW, llamado ARAME, elcual fue desarrollado en el laboratorio de maquinastérmicas de la Universidad de Antioquia

Para medir el par se usa un sensor de presión querecibe la señal de presión de aceite proveniente delas celdas de carga del freno dinamométrico. El ré-gimen de giro se mide usando un sensor incorpo-rado en el alternador. La posición del aceleradorse mide con un potenciómetro lineal acoplado alacelerador.

En condiciones de conducción típicas de ciudad,los vehículos están sometidos a constantes paradasy arranques. Esto hace que gran parte del ciclonormal de conducción sea en estado transitorio yque pocas veces se alcancen condiciones de plenacarga; en muchas carreteras y ciudades de nuestropaís hay pendientes por lo cual se debe establecerun criterio definido, por un valor de par y régimende giro del motor. Todas las señales de las variablesmedidas se llevan al sistema de adquisición de da-tos y se visualizan en tiempo real con el programaARAME.

Es de Esperar que el menor poder calorífico delbiodiesel implique una menor potencia desarrolla-da por el motor y el torque también disminuya, aligual que el consumo de combustible aumenta enproporción al menor poder calorífico del boidiesel,incrementándose para B100 en un 8% y 0.5%, 1%y 2% para las mezclas B5, B10 y B20 respectiva-mente. De igual forma varia la autonomía o rendi-miento en (km/galón). También observamos unatendencia lineal entre la relación mezcla - pérdidade potencia y torque.

El biodiesel, no obstante al tener menor poder ca-lorífico y necesitar, por tanto, consumir más com-bustible para generar la misma potencia que eldiesel, no afecta el rendimiento efectivo del motor;por el contrario, los resultados muestran un ligeroincremento del rendimiento del motor al usar B20,que podría justificarse con el aporte extra de oxíge-no molecular.

Se observa que el dosado relativo o relación com-bustible/aire respecto de la estequiométrica tiendea permanecer aproximadamente constante, esto sedebe a que el dosado estequiométrico del biodieseles poco mayor. El índice de emisión másico cuan-tifica la masa de CO2 emitida al quemar una uni-dad de masa de combustible, se ha expresado en

kgCO2/kgcomb y se estimó directamente de la fór-mula química del combustible a partir del númerode moles de CO2.

La validez de este método radica en que el rendi-miento de la combustión de los motores diesel escercano a la unidad y las emisiones de CO y HCson muy pequeñas frente a las de CO2. Este índicese reduce en 0.6%, 1.4% y 2.7% con B5, B10 y B20respectivamente. Mientras que el diesel convencio-nal emite 3.13 kgCO2/kgcomb, las mezclas B5, B10y B20 emiten 3.1%, 3.01% y 3.06% kgCO2/kgcomb respectivamente

los resultados obtenidos para los diferentes com-bustibles en función del grado de carga. Tanto lasemisiones específicas como e líndice de emisión deCO tienden a disminuir con el uso de biodiesel.Las emisiones específicas de CO disminuyen entre3% y 14% al usar B5 y B20 respectivamente en elmodo de funcionamiento 1 a (pme = 0.85 bar);esta diferencia se atenúa a medida que incrementael grado de carga del motor debido a la exigenciaen las condiciones de operación.

Aunque es de esperarse una reducción en las emi-siones de HC, debido al oxígeno molecular y almenor punto final de ebullición del biodiesel, se

RESULTADOS

Para B100 la pérdida de potencia y torque es del orden de 10%B50 la pérdida de potencia y torque es del orden de 5%B20 la pérdida de potencia y torque es del orden de 2%B10 la pérdida de potencia y torque es del orden de 1%B5 la pérdida de potencia y torque es del orden de 0.5%


debe tener cuidado en la interpretación de las me-diciones con los equipos comúnmente empleadospara su determinación. En este trabajo se utilizóun sensor de celda electroquímica, que no es el másidóneo para hidrocarburos sin quemar o parcial-mente quemados (TCH). El equipo más aceptadopara su determinación es el denominado FID odetector de ionización de llama, que cuenta conuna línea calorifugada que se calienta a 190ºC, conel fin de evitar que los hidrocarburos presentes enlos gases de escape se condensen y sean absorbidosen el material particulado. Otro factor que puedeafectar su medición es el contenido de oxígenomolecular del biodiesel; pues es sabido que esteparámetro afecta la sensibilidad de estos equiposde medición.

Existe consenso en la literatura técnica en que seproduce un incremento en las emisiones de NOxal usar biodiesel, y que además este incrementodepende del tipo de biodiesel, obteniéndose meno-res emisiones entre más compuestos saturados ten-ga. Sus argumentos para explicar esta tendencia sebasan en que el biodiesel, por su mayor avance dela inyección y más rápido inicio de la combustión,produce una temperatura pico más elevada duran-te la fase de combustión por difusión. Otro argu-mento se basa en que hay mayor disponibilidad deoxígeno en la cámara de combustión para combi-narse con el nitrógeno del aire y formar los NOx.Este par de efectos parece sobreponerse al mayornúmero de cetano del biodiesel. Quienes han obte-nido reducciones en las emisiones de NOx argu-mentan que es el contenido de oxígeno extra delbiodiesel4.

CONCLUSIONES

• En términos generales, las pruebasdinamométricas perimitieron corroborar el efec-to benéfico desde el punto de vista ambiental delbiodiesel empleado en forma pura y en mezclacon diesel.

• Disminuyen el CO, HC, material particulado,hollín y la opacidad de humos.

4 Entrevista. BENJUMEA, Pedro. Profesor Universidad Nacional de Colombia. Medellín, 21 de Junio de 2007.

• A medida que se incrementa el porcentaje debiodiesel en las mezclas biodiesel – diesel dismi-nuye la potencia, y aumenta el consumo de com-bustible.

• La potencia disminuye entre 3 y 10% para B30Y B100 respectivamente.

• Las emisiones de CO, disminuyen del 10 al 50%y de HC del 12 – 55% con B30 Y B100 respecti-vamente.

• Las emisiones de SOx disminuyen entre 20 y100%, debido al escaso contenido de azufre delbiodiesel.

• La reducción de CO2 es del 16- 78.4% para B20y B100 respectivamente.

• Los resultados de las pruebas demuestran al com-parar mezclas diesel – biodiesel Vs Diesel que laopacidad disminuye apreciablemente alcanzan-do hasta un 17% de reducción con el uso deBiodiesel puro.

• Se mejora el proceso de combustión como resul-tado de una combustión más completa del com-bustible.

• Se obtuve un incremento en el consumo especí-fico de combustible respecto al diesel corrienteen torno a 0.5, 1, 1.7 que se aproxima a 2% alusar B5, B10, y B20 respectivamente.

• Las emisiones específicas de THC(gTHC/kWh)disminuyeron aproximadamente en la mismaproporción, correspondiente con la mitad delcontenido de biodiesel en la mezcla(2.5, 5, y 10%)para B5, B10, B20 respectivamente.

• Las emisiones específicas de NOx incrementaronligeramente, y alcanzaron un máximo para lamezcla B20 en torno al 3% respecto al Dieselcorriente. Se presentan los índices de emisión entérminos de masa de contaminante por unidadde combustible quemado.

• El biodiesel presenta ciertas desventajas respec-to al diesel fósil como son la disminución en eltorque y la potencia generada, además de unincremento en el consumo de combustible.

• Dentro de las ventajas del biodiesel están que esun combustible obtenido de cultivos renovables,


alta viscosidad que lubrica y protege las pare-des internas del motor y su baja contaminaciónademás de generar empleo y crecimiento para elsector agrícola en el país.

• El tratamiento estadístico de los datos experimen-tales mostró que el intervalode confianza es del95% , tanto en el análisis de parámetros mecáni-cos como ambientales, con excepción en algunoscasos de las mezclas B20; debido probablemente ainexactitudes en la experimentación o a que lasdiferencias de las mediciones estaban dentro delrango de precisión de los equipos de medida.

• El rendimiento efectivo del motor no se vio afec-tado con el uso de biodiesel, por el contrario, seapreció un ligero incremento (1%) con el uso deB20, probablemente debido a la aportación deoxígeno molecular.

• Las emisiones específicas de CO disminuyenentre 3 y 14% al usar B5 y B20 respectivamenterespecto al diesel corriente, a bajos grados decarga (pme = 0.85 bar); esta diferencia se hacemenor a medida que incrementa el grado de car-ga del motor, debido a que mejoran las condi-ciones de operación.

• Desde el punto de vista mecánico del motor, elconsumo adicional de combustible apenas se veligeramente incrementado. Estos resultados sonválidos para el motor de ensayos utilizado y parauna altitud sobre el nivel del mar de 1500m (Me-dellín).

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AUTOMATIZACIÓN DE JUGUETES DESDE EL AULA:UNA MIRADA DESDE LAS METODOLOGÍAS ACTIVA Y TRADICIONAL

Víctor Hernández Jaramillo, Ing Mecánico Esp. Automática

e-mail [email protected]

José Alfredo Palacio Fernández, Ing. Electrónico e-mail [email protected]

Edgar Mario Rico Mesa, Ing. Electrónico e-mail [email protected]

Grupo de Investigación GARPE


Medellín, Colombia

Julio, 2006

Resumen. Este documento es una breve descripciónsobre el trabajo inicial del proyecto de investigación:Robótica pedagógica desde la automatización de ju-guetes desde el aula, el cual busca desarrollar lasmetodologías de enseñanza denominadas robóticapedagógica y tradicional en la tecnología mecatrónicade la unidad de mecánica del Instituto TecnológicoPascual Bravo, en el momento se han realizado unaserie de actividades enfocados a la búsqueda de estra-tegias de mayor impacto en la comprensión de lostemas tecnológicos que contribuyan con el mejora-miento de la calidad del tecnólogo formado en la ins-t i tu c ión .

Palabras Clave: Robótica, Pedagogía, Juguetes, Me-todología, Tecnología

Abstract. This document is a brief description on theinitial work of the investigation project: Pedagogicalrobotics from the automatization of toys from theclassroom, which looks for to develop themethodologies of pedagogical and traditional roboticeducation denominated in the mecatrónica technologyof the unit of mechanics of the Technological InstitutePaschal Bravo, at the moment a series of activitiesfocused to the search of strategies of greater impact inthe understanding of the technological subjects thathas been made they contribute with the improvementof the quality of the technologist formed in theinst i tut ion.

Key words: Robotics, Pedagogic, Toys, Methodology,Te chno l o g y

1. INTRODUCCIÓN

El trabajo que se muestra en este artículo permitedar a conocer un proyecto de investigación que des-cribe en su comienzo la planeación de las metodo-logías a trabajar y el estado de arte de la metodolo-gía activa (robótica pedagógica) en Colombia, a tra-vés de esta propuesta se busca poner al servicio dela educación una mezcla de componentes pedagógi-cos y tecnológicos que dan como resultado un pa-quete educativo que pueda propender por mejorarla calidad de la enseñanza en el tecnológico y enColombia , verificando las bondades y los defectosque permitan generar la comparación entre las dosmetodología, validando la efectividad y la viabili-dad de poder implementar la estrategia pedagógicamas acorde en la tecnología mecatrónica. Se trataentonces de una investigación experimental en don-de se determina con mayor confiabilidad las rela-ciones causa efecto para lo cual se formara dos gru-pos que se les aplicara dos tipos de metodología deenseñanza: robótica pedagógica y tradicional, en eltranscurso de la aplicación se analizara y se evaluaralos resultados del trabajo realizado con los estudian-tes durante y después de terminar la prueba pilotocon el fin de definir la metodología a desarrollar enla tecnología mecatrónica del instituto tecnológicopascual bravo.

Sin embargo este trabajo no es el primero en sugenero en desarrollarse pues en las últimas décadasen el sector educativo colombiano ha existido in-tentos de cambiar el modelo de aprendizaje, pasan-do de una enseñanza magistral (educación tradicio-nal) a una enseñanza con tutores apoyados en los


medios tecnológicos que estén a su alcance (educa-ción activa). Para ello se ha tratado de dotar a dife-rentes centros educativos de salas de cómputo(TICS) y se ha cambiado el método de evaluaciónde las materias; estas características se acentuaronmás en la década de los 90s del siglo pasado, de estaforma se busca que el proceso de enseñanza tengalas herramientas tecnológicas y pedagógicas acor-des, pues a través del conocimiento es que cual-quier individuo podrá mejorar su calidad de vida;esto concuerda con la misma constitución de Co-lombia (articulo 67 y 70) que contempla a la edu-cación como un derecho de la persona y un deberdel estado de promoverlo y fomentarlo. Debido ala importancia de la educación, los gobiernos de laépoca han tratado de cambiar sus delineamientos,esto se ve reflejado en la ley 115 que va en conso-nancia con la constitución colombiana y los avan-ces de la educación a nivel mundial de enlazar lasnuevas corrientes pedagógicas con la tecnología, detal forma que la calidad de la educación sea óptimay que contribuye con gran fuerza en el desarrolloindustrial del país (Noguera, 2002). Sin embargohasta el momento los cambios metodológicos sehan hecho sin la compenetración adecuada, y lopeor es que no se ha enfocado la educación hacia eldesarrollo de una cultura investigativa y muchomenos se le ha dado las pautas para poder ejercer-lo; son muy pocas las personas que han tenido ac-ceso a esta información, pues sólo se empieza aconocer en los últimos años de la educación supe-rior. Como ya se ha observado que el gobierno tie-ne una gran preocupación sobre la evolución de laeducación y no menos preocupada se encuentra lasociedad, en especial las entidades oficiales y priva-das dedicadas al manejo de la industria colombia-na; pues, gran parte de ellos entiende que el desa-rrollo tecnológico de la industria depende de la ca-lidad de la educación que reciben los futuros profe-sionales y a la vez que la educación superior se con-vierta en un verdadero polo de desarrollo tecnoló-gico, que sirva como soporte a la industria colom-biana (De Ferranti, 2003).

La incorporación de nuevas tecnologías a la educa-ción en nuestro país comienza sólo ahora a ser con-siderada como tema de interés, posiblemente porla dificultad que se reconoce para que las institu-ciones educativas estén suficientemente dotadas con

las herramientas requeridas, en número y en cali-dad; también, por la forma clásica como el docentea través de la metodología tradicional, no incluyeotros tipos de medios con los cuales se obtengan,de una forma lúdica y de interacción con el dicente,resultados satisfactorios que permitan una mayorconnotación de una formación en investigación(Ministerio de educación nacional, 2004).

El tema entonces se inscribe en el campo de la re-novación de estrategias pedagógicas por medio detecnologías, a partir de la robótica pedagógica ytradicional, que permitan elevar la calidad de laeducación en Colombia y particularmente en elInstituto Tecnológico Pascual Bravo en la tecnolo-gía mecatrónica.

Este tipo de proyectos enfocados a nuevas tecno-logías aplicadas a la educación desarrollados enColombia, están basados en la tecnología de la in-formática, los indicios de trabajos de investigacióndesarrollados en el tema se remontan a la década delos 80s del siglo pasado con trabajos basados en ellogo con un marco teórico de orientación piagetianaque marco el comienzo del uso de tecnología en laeducación, en 1984 se realiza el primer simposiointernacional de informática educativa realizado enargentina, en Colombia se empieza a estudiar eltema debido al interés de la presidencia de generaruna comunidad académica y el desarrollo de even-tos como compuexpo y foros organizados porASCUN, además se desarrolla el primer simposiocolombiano de informática, educación y capacita-ción en donde la experiencias de los expositoresgiran alrededor de aplicaciones con el LOGO , afinales de los ochentas Colciencias financia un li-bro enfocado a la informática educativa, y se creala primera revista de informática educativa por launiversidad de los andes y Colciencias .A partir de1992 se crea la red iberoamericana de informáticaeducativa en donde el nodo colombiano es uno delos miembros mas activos, también se realiza elprimer congreso nacional de informática educati-va, a partir de allí se han desarrollado trabajos inte-resantes sobre informática educativa tales como:Ambiente computarizado para el aprendizajeautodirigido del diseño, Posibilidades y limitacio-nes para el fortalecimiento de la capacidadinstitucional en ciencia y tecnología en las institu-


ciones educativas: El caso de la escuela HonorioVillegas, La tecnología como influenciamotivacional en ambientes educativos marginados,entre otros (Henao, 2000)..

En la actualidad, el municipio de Medellín desarro-lla un programa sobre talleres de robótica denomi-nado Aula taller explora, en la Universidad EAFITse tienen cursos de Robótica para principiantes yavanzados, en la UPB Medellín se tienen semille-ros para niños entre 8 y 10 años; en la Universidadde Antioquia se desarrolla un semillero de Robó-tica enfocado a estudiantes de último año de cole-gio y primeros semestres de universidad.

ContenidoMarco Teórico

Robótica pedagógica

El desarrollo de la robótica pedagógica consiste enuna constante construcción de tecnofactos didácticos que permitan a través de la experimen-tación constatar las teorías y los conceptos de laciencia y reconocer los fenómenos quecoadyuvaron a la generación de nuestra actual tec-nología, toda esta actividad debe ser complemen-tada con su formación académica.

A través de este proceso se busca que los estudian-tes desde muy temprana edad comiencen a tenerun perfil investigativo en donde a partir de la expe-rimentación se generen nuevas reglas, nuevas teo-rías concebidas por ellos mismos y de conocer lasteorías actuales, es decir no se trata de imponerles la teoría ya establecida por la ciencia si no que losestudiantes la descubran en el transcurso de la ex-perimentación, por lo tanto a través de esta disci-plina se desarrolla una orientación en la enseñan-za de la ciencia y la tecnología basado en la escuelapedagógica activa en donde se enfoca mas en la ad-quisición de los métodos que en la adquisición delconocimiento, buscando de esta forma que el estu-diante adquiera herramientas que le permitenaprender el conocimiento requerido en el momen-to propicio.” (González, 1999)

Se debe tener claro que la robótica pedagógica apli-cada en este caso concreto, se desarrollara partien-do de la adquisición de experiencias en el desarro-llo y automatización de juguetes. Pedagógicamente

existe la intención de motivar a jóvenes estudian-tes mediante la aproximación de el juguete mecáni-co de la infancia al juguete intervenido por lasensorica, la programación de funciones y los con-troles, sintetizando es una intervención de jugue-tes que permiten modelar y resolver problemas confundamento en la automatización.

La principal bondad al aplicar este método, es latransversalidad curricular pues la robótica (temade trabajo) no solo se enmarca en la mecánica, laelectrónica y la informática sino también en la len-gua materna con su literatura, las lenguas extranje-ras en su tecnología de punta, en las ciencias socia-les por su historia, en la física por los fenómenosque intervienen en su funcionalidad, en la mate-máticas por sus cálculos de diseño y desarrollo,entre otros y en el desarrollo de la docencia puespermite explorar el conocimiento y llevar al estu-diante al aprendizaje a través de la solución de pro-blemas (automatización de juguetes) a través demontajes de equipos y de modelos mecánicos –electrónicos (Sánchez C., 2004: Eduteka).

Tradicional

La mecánica de la escuela tradicional es enseñar unagran cantidad de conocimientos enfocados a unplan de estudio cuantitativo teniendo como con-secuencia un aprendizaje acumulativo. La priori-dad es la generación de un aprendizaje individualde los estudiantes creando costumbres como me-morizar los temas, esperar ordenes del profesor,mínima capacidad de análisis, y rivalidad entre es-tudiantes; el elemento didáctico por excelencia esla exposición de los temas de la asignatura.

Una de las características de la metodología tradi-cional es darle toda la importancia a los resultadosdel aprendizaje, se ignora el análisis de la evolucióndel proceso de aprendizaje, ya que no tiene en cuen-ta los vínculos que se generan entre: maestro alum-no, alumno alumno, alumno currículum, alumnoconocimiento entre otros, el alumno es consideradoun individuo aislado que es el objeto de enseñanzadel conocimiento necesario para su desenvolvimien-to en la sociedad en todos los niveles.

El maestro de la Escuela Tradicional no intentaenriquecerse de información leyendo diversos li-


bros para dar sus clases, debido a que tiene la infor-mación básica de los cursos a impartir, llega al sa-lón de clases con el propósito de realizar dictadoso escribe la teoría en el tablero, los alumnos copiansin antes dar una explicación del contenido de latemática, pues solo el maestro es el que sabe y ense-ña .(González 1999)..

Resultados

Para lograr una mayor efectividad en el proyectose debe buscar la adecuada documentación en lostemas mas desconocidos por su corto tiempo deconcepción, por lo tanto se realiza una búsquedade información sobre teorías referidas a la metodo-logía de enseñanza activa.

Búsqueda bibliográfica sobre educación activa (ro-bótica pedagógica)

Inicialmente se ha desarrollado un rastreo biblio-gráfico donde se quiere mostrar el estado actual dela robótica pedagógica en nuestro país, realizadoen las principales universidades de la ciudad deMedellín como primera instancia, luego en el país,en todos los casos se verifico la existencia en docu-mentales, artículos de revista, Libros, Memorias deproyectos de grado, Videos o información impresaen cualquier medio audiovisual.

Para realizar la búsqueda en la ciudad de Medellín,se tomo como referencia las siguientes institucio-nes:

Tabla 1 - Bibliografía regional específica

Luego de evidenciar la falta de documentación desoporte del tema en estas instituciones, se definióevaluar la búsqueda bibliográfica como documen-tación asociada a uno de los temas en mención como son robótica y pedagogía pero cuyo fin seorienta la tecnología en función de la educación elcual produjo el siguiente resultado

Tabla 2 - Bibliografía regional heterogénea

U de A 0 0 0 0

U N 0 0 0 0

ITM 0 0 0 0

UPB 0 0 0 0

U C C 0 0 0 0

EIA 0 0 0 0

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U de A 3 3 0 0U N 0 2 0 0ITM 1 4 0 1

CDUPB 2 0 0 0U C C 1 0 0 0EIA 0 4 0 0

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Por lo anterior se puede deducir que la existenciade un posible discurso al respecto es inexistente ypor lo tanto se encuentra en construcción para laciudad, por lo cual se requiere una ampliación delhorizonte, para esto se amplio la búsqueda a nivelnacional en cuyo caso se evaluaron las siguientesinstituciones.

Tabla 3 bibliografía nacional

Bogota (instituciones U.Javeriana, UN, ECI, U Andes)

Cali (Instituciones U.Valle,Santiago de Cali, ICESI)

Barranquilla (institucionescorp. Univ de la costa, U.Atlantico, Udel caribe)

Pereira (Tecnológico dePereira)

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CT

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1

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0

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0

0

0

0


El anterior cuadro relaciona bibliografías a nivelnacional orientada a información sobre la tecnolo-gía en función de la educación

En forma reciente se hallaron Artículos en uni-versidades que no se tomaron para el estudio perose consideran relevantes, escritos por Mónica Ma-ría Sánchez Colorado en su tesis de Maestría enIngeniería Eléctrica, Universidad de los Andes (Sep-tiembre de 2003) los cuales son:

“Ambientes de aprendizaje con robótica pedagógi-ca”

“Implementación de Estrategias de Robótica Peda-gógica en las Instituciones Educativas”

A nivel internacional se encontraron trabajos en:

Argentina, Universidad Nacional denominado“Método aplicando la robótica pedagógica: ense-ñanza de la ciencia y de la tecnología a través de larobótica” Autor: Ing Daniel Héctor Nacif;

México, universidad nacional autónoma de Méxi-co, artículo denominado “robótica pedagógica:Desarrollo de entornos de aprendizaje con tecno-logía” autor Enrique Ruiz-Velasco Sánchez CESU-UNAM, Marielle Beauchemin Colegio VanierQuebec Canadá ,Arturo Freyre Rodríguez Facul-tad de Ciencias –UNAM entre otros.

Chile, universidad Metropolitana de Ciencias de laEducación, articulo denominado La robótica edu-cativa como una innovativa interfaz educativa en-tre el alumno y una situación-problema, autorMariela Chavarria y Antonio Saldaño.

Hasta la fecha no se han encontrado libros que serefieran a la temática “robótica pedagógica” ,

Conclusiones

1) El proyecto esta enfocado a determinar la efec-tividad de las metodologías y estrategias acti-vas comparándolo con la metodología tradi-cional.

2) Se busca determinar a través de los procedi-mientos pedagógicos la manera de adecuarlosa la idiosincrasia de nuestra comunidad sin quese pierda la esencia de los métodos ejecutados.

3) El semillero SAURO será el laboratorio deanálisis para determinar la eficiencia de la ro-bótica pedagógica y su posible implementaciónen el currículo.

4) Los resultados de este trabajo se integraran alas asignaturas de la tecnología mecatrónica delInstituto Tecnológico Pascual Bravo.

5) El desarrollo del proyecto tiene como fin quelos estudiantes desarrollen su aprendizaje conun perfil mas autodidáctico y una formaciónacadémica con tendencia hacia la investigaciónaplicada.

6) La implementación de este proyecto busca eva-luar e ilustrar métodos efectivos de enseñanzaque promueven el desarrollo de las capacida-des intelectuales, investigativas y caracterís-ticas sensoriales del estudiante.

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CARACTERIZACIÓN DE LA ADMINISTRACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DEMÁQUINAS HERRAMIENTAS C.N.C INSTALADA EN EL VALLE DE ABURRÁ

Carlos Mario Tamayo Domínguez ([email protected])

María Isabel Ardila Marín ([email protected])

Docentes Investigadores Tecnológico Pascual Bravo,

Institución Universitaria, Medellín

ResumenEl sector metalmecánico, como repuesta a los diagnós-ticos que sobre éste se han realizado en los últimos años,adquiere en Antioquia cerca de 80 equipos con tecno-logía de punta de última generación, es decir C.N.C(Control Numérico Computarizado). El presente ar-tículo los resume, relacionando las variables que afec-tan la administración y el control de la tecnología.

Palabras claveGestión, optimización, desgaste, mantenimiento,conf iabi l idad.

AbstractThe engineering sector, in answer to the diagnoses thathave been performed on it in recent years, acquiredin Antioquia about 80 teams with the latest technologyof last generation, in C.N.C (computer numerical con-trol). This article summarizes them, relating the va-riables that affect the management and controlt e chno l o gy .

KeywordsManagement, optimization, wear, maintenance,re l iabi l i ty

INTRODUCCIÓN

Desde el año 2002 el ITPB viene acompañando elsector metalmecánico de Antioquia participandoactivamente en el denominado “Grupo promotorde la fabricación nacional” de ANDI y ACOPI,alternando con otras instituciones y empresas enpro de la competitividad y el desarrollo de la in-dustria nacional.

La tecnología de punta para el proceso de máqui-nas herramientas consiste en la aplicación C.N.C(Control Numérico Computarizado), al lograr pro-

cesos controlados vía computador, con una rebajade tiempos y garantía de calidad considerables.Tecnología ésta adquirida por el sectormetalmecánico como respuesta a los requerimien-tos de sus clientes, y manifestados en los estudios ydiagnósticos realizados por diferentes entidades.

La utilización de la tecnología C.N.C requiereconfiabilidad por calidad de energía, personal alta-mente calificado, capacitado en programación yaspectos técnicos, es decir lubricación, mecanismos,metrología, seguridad, máquinas herramientas, re-des, transmisiones y rodamientos entre otros. Lagestión y administración implica mantenimientopreventivo, dada la precisión requerida además deaspectos logísticos como almacenamiento de mate-riales, distribución de planta, manejo de la conta-bilidad pues cambia el costo de fabricación, uso dela información y en general las variables para unadecuado y competitivo desempeño. Es necesarioidentificar las variables que intervienen en la ade-cuación de la tecnología C.N.C en las empresas yque pueden dificultar su aprovechamiento máxi-mo para el logro de la competitividad y producti-vidad como proveedores confiables de la industriacolombiana y del exterior.

CAPACIDAD TECNOLÓGICA DELSECTOR METALMECÁNICO

El sector metalmecánico representa para el país el20.7% del empleo directo (Planeación Nacional2006), y para Antioquia es la mayoría de la ocupa-ción del personal técnico, dicho sector ha sido diag-nosticado por entidades como ECOPETROL (1),SENA (2), PRO ANTIOQUIA - CTA (3),SURATEP (4), CÁMARA DE COMERCIO (5),ANDI (6), coincidiendo éstas en la necesidadde actualizarse tanto en tecnología dura comoblanda.


Las máquinas herramientas C.N.C representan unainversión en tecnología de punta para el sectormetalmecánico buscando dar respuesta a los diag-nósticos enunciados, y ser competitivos como pro-veedores de la industria local que se proyecta cadavez mas a la exportación, requerimiento éste queobliga a sus proveedores a trabajar con planeaciónen tiempos de entrega, optimizar los inventarios,costos y garantizar los niveles de calidad y especi-ficaciones acordadas con sus clientes.

1) ECOPETROL UIS CER. Centro de EstudiosRegionales dependencia de la Universidad In-dustrial de Santander Estudio a escala nacio-nal “Programa de servicios de confiabilidad,sector metalmecánico”. 2004, 2005.

2) MESA SECTORIAL DEL SENA,“Metodologías y sistemas de formación parael sector metalmecánico en Colombia. 2005,2006 y 2007 con la universidad de Metz (Me-todología de Formación para el trabajo) deFrancia.

3) PRO ANTIOQUIA y CTA (Centro de Tec-nología de Antioquia), realizan en el primersemestre de 2005 para la Alcaldía de Medellín,un estudio: “Diagnóstico y modelo de desarro-llo del sector metalmecánico”.

4) SURATEP entrega en el encuentro sobre elsector metalmecánico a finales de octubre de2005 los resultados sobre los riesgos y proble-mas de salud ocupacional, “Análisis deaccidentalidad, jornada sector metalmecánico,regional Antioquia, 2005”.

5) LA CÁMARA DE COMERCIO esta llevan-do a cabo un estudio similar al nivel de diag-nóstico del sector metalmecánico, enfocada afortalecer las MIPYMES metalmecánicas en losaspectos más débiles de acuerdo a cada empre-sa apadrinada, es el proyecto “plan padrino”,mayo a septiembre 2006.

(6) ANDI: “100 productos para exportación delsector productivo colombiano”, 2006.

Considerando que la voz del cliente es quien de-manda para lograr el indicador fundamental de lacapacidad operativa y su correspondiente progra-mación de producción, se concluye que los diag-nósticos enunciados se convierten en el estudio demercado (enfoque teoría de sistemas), que orientaal sector mencionado en la adquisición del primerfactor productivo MAQUINARIA. La mediciónde la capacidad instalada, es encontrar el punto deequilibrio en cuanto a la utilización de dicha tec-nología (FEDEMETAL, 2000).

La planeación en el suministro de los equiposC.N.C. implica además de los trámites legales, apo-yo técnico ofrecido por los proveedores en cuantoa extraer la información del sistema computarizado,su instalación, operación y mantenimiento.(ECOPETROL, CER, 2004).

Además, un plan de certificación del personal,dotación de herramientas, conocimientos enmetrología para verificar acabados, capacitaciónpara programas de diseño de ingeniería, rutas delubricación, manejo y almacenamiento de hojas devida de los equipos, revisiones diarias, frecuenciade cambio de repuestos, registro de paros no pro-gramados y control de suministros.

La preparación locativa de la instalación para losequipos C.N.C es otro aspecto de obligatorio cum-plimiento, desde el año 2002 se anunciaba la nece-sidad de tener dotados los circuitos eléctricos de lasinstalaciones, y ya para el 2005 es una realidad, se-gún el RETIE (Reglamento Técnico de Instalacio-nes Eléctricas. Integra las resoluciones 180398 del7 de abril de 2004 y 180498 del 29 de abril de 2005)dada la existencia de la zona de riesgo de tormentaseléctricas.


Figura: “Densidad de descargas a tierra”GHCC Scientifics Study Lightning from Space (en linea) Consultada 3 de mayo de 2007

http://thunder.msfc.nasa.gov/bookshelf/docs/ghcc_scientists_driscol.html

Colombia se encuentra en una zona expuesta a des-cargas atmosféricas, deben estar protegidas las ins-talaciones que se encuentren dotadas de componen-tes electrónicos, y que incurren en riesgos por so-bre tensiones atmosféricas, es decir tarjetas electró-nicas deterioradas y el consecuente problema deadquisición y existencia de repuestos. La instala-ción eléctrica debe estar bajo normas del RETIE, yevitarse la combinación del circuito con tomas parasoldadura, e identificar y adecuar la subestación,medir la capacidad de ésta, considerar el manteni-miento del transformador, seguridad en la instala-ción del cableado y el manejo de canastillas, etc.

La adecuación física de la instalación implica la se-ñalización de la “Zona de respeto” para el opera-rio, adecuado manejo de materiales, y sitios de al-macenamiento, vigilar el estado de pisos, señala-ción de tuberías, códigos de colores, avisos paraevacuación de personal, ubicación de piezas termi-nadas y en proceso.

Los sistemas de refrigeración de piezas o llamada“Taladrina”, es otra variable necesaria para ser re-visada, la refrigeración en el mecanizado a altasvelocidades implica un acelerado deterioro de laherramienta de corte y como consecuencia la no-reproducibilidad. El uso de canecas de reciclaje y

materiales de desecho, utilización de uniformes delpersonal, sitio para comidas del mismo, manejo dela comunicación, y en general aspectos que son tam-bién necesarios para ser normalizados.

Los aspectos de mejoramiento antes enunciados yplasmados en los estudios sobre el tema están sien-do trabajados con el acompañamiento de la acade-mia, mediante tesis de grado y semestres de indus-tria en las diferentes empresas partícipes de los diag-nósticos, para garantizar el máximo aprovecha-miento de la tecnología dura recién adquirida.

DESARROLLO DELSECTOR METALMECÁNICO

La industria metalmecánica como proveedor derepuestos representa para la manufactura colom-biana un sector transversal para la continuidad dela operación, por esto despierta interés del estadocolombiano aumentar su capacidad operativa ygarantizar la calidad de su producción, para ello seestablece el “sistema de compras estatales”. El plannacional de desarrollo 2002 a 2006, busca elevar yextender la competitividad sistémica del país, y crearcondiciones para el desarrollo regional sustentable.(ECOPETROL, 2001)


La ley 590 del año 2000 denominada “Sistema decompras estatales”, tiene como fundamento el apo-yo al fortalecimiento industrial, “Es de vital im-portancia y relevancia, la formulación e implemen-tación de un programa que incentive la participa-ción de las MIPYMES en los procesos de comprade bienes y servicios que llevan a cabo las entida-des o empresas del orden estatal”. (Ministerio deComercio Industria y Turismo, Republica de Co-lombia, Fomipyme).

La tecnología C.N.C inicia a conocerse entre losusuarios y clientes del sector metalmecánico a tra-vés de eventos como el “segundo congreso de fa-bricación de bienes de capital” realizado en Barran-cabermeja en el año 2001, organizado por ECO-PETROL, con el objetivo de “promover el desa-rrollo industrial del país a partir de la fabricaciónde bienes de capital y servicios de ingeniería conmentalidad exportadora” (Dr. José Luís Saavedraen su discurso de instalación), en dicho evento seprograma dos conferencias sobre el tema: “Diseñoy Fabricación de Equipos y Partes Asistidos porComputador”, por el Ingeniero Camilo RodríguezIsaza, Gerente de Negocios para LatinoaméricaUGS, y “Máquinas herramientas C.N.C y la inter-fase CAD/CAM/CAE. Ventajas competitivas”,por el Ingeniero Luís Guillermo González, Espe-cialista en Control Numérico. Imocom. (ECOPE-TROL, 2001)

Los congresos de bienes de capital se encaminan aferias de subcontratación, impulsadas por ANDI,ACOPI y U de A, en el año 2002 y 2004 en elpalacio de exposiciones y convenciones de la ciu-dad de Medellín, con resultados evidentes, segúnresalta el informe presentado a la alcaldía de Mede-llín. (CTA, 2004).

La productividad lograda con la tecnología C.N.Cse alcanza con un promedio de costo a unidad dehora de trabajo casi 4 veces a los equipos conven-cionales, y 190 veces menor en tiempos de proce-so. (Argumentos de ventas de las empresas HERRA-TEC e IMOCOM).

El medio académico comienza a prepararse paraatender el sector metalmecánico en cuanto a certi-

ficación del personal, asesoría en montaje, compra,instalación, supervisión y mantenimiento de la tec-nología dura adquirida, apartes de las conclusionesdel estudio de confiabilidad del sector metalmecá-nico en Colombia (ECOPETROL, UIS, 2004), ycorroborado por el estudio de mesas sectoriales delSena.

La compañía SURATEP entrega en el encuentrosobre el sector metalmecánico a finales de octubrede 2005 los resultados sobre los riesgos y proble-mas de salud ocupacional, “Análisis de accidentali-dad, jornada sector metalmecánico, regional An-tioquia, 2005”, de acuerdo al informe en el 2004 sepresentan 380.000 accidentes que tienen como causala falta de seguridad en el trabajo, 400 que generaninvalidez y 1180 mortales, en Medellín en el año2005 se presentaron 1476 accidentes lo que repre-senta 4 diarios. (SURATEP, 2005), concluyendoque este es un sector de alto riesgo. Se inicia enton-ces una normativa al respecto para garantizar elbienestar laboral del trabajador.

La institución universitaria ITPB realiza en el año2005 un estudio “capacidad tecnológica de las empre-sas constituidas como prodes de Medellín para respon-der al programa de sustitución de importaciones”,encontrando nacientes empresas para verificar cali-dad de repuestos y metrología, proveedores estos quese aúnan a las cadenas de bienes de capital. En dichoaño se realiza una feria industrial de MIPYMES conlos desarrollos más importantes al nivel de sustituciónde importaciones para las empresas del Valle deAburrá.

La empresa ECOPETROL a través de la UIS reali-za en el año 2002 un estudio a escala nacional “Pro-grama de servicios de confiabilidad, sector metal-mecánico”. UIS CER1, con el objetivo de medir lacapacidad de los diferentes sectores para garantizarcalidad y entrega como proveedores en Colombia.

Para Antioquia se evalúan 33 proveedores, en di-cho trabajo se investiga el nivel de capacitación delos gerentes de cada empresa, el control de mante-nimiento, de metrología, capacidad de trabajo, etc.Encontrando falencias en este sentido. El desarro-llo del sector metalmecánico se ha caracterizado

1 Centro de Estudios Regionales dependencia de la Universidad Industrial de Santander


por una educación técnica y tecnológica, con esca-so nivel ingenieril; situación esta que se entiendedebido a que dichos empresarios lograban su nivelde estudio técnico con el Sena y con el ITPB. Gra-cias a estos resultados la universidad EAFIT ofreceel curso “Gerencia en fabricación de bienes de ca-pital “, con una promoción de doce graduandos enel año 2003.

La entidad Pro Antioquia y el CTA (Centro de Tec-nología de Antioquia), realizan en el primer semestrede 2005 para la Alcaldía de Medellín, un estudio:“Diagnóstico y modelo de desarrollo del sector metal-mecánico”, allí queda planteada la urgente necesidadde incentivar el desarrollo de proveedores en cada unade las líneas de fabricación, y concretar un modelo decrecimiento por parte de las empresas usuarias del ser-vicio. (CTA, 2005)

La Cámara de Comercio lleva a cabo un estudiosimilar al nivel de diagnóstico, enfocada a fortale-cer los MIPYMES metalmecánicas en los aspectosmás débiles de acuerdo a cada empresa apadrinada,es el proyecto “plan padrino”, logrando involucrara la gran Industria en el acompañamiento y desa-rrollo del proveedor. (Cámara de Comercio deMedellín, 2004)

La universidad EAFIT realiza en el año 2005 dos te-sis de grado “estado actual de la gestión de manteni-miento de las pymes del sector metalmecánico del va-lle de aburra” y “gestión del desarrollo de manteni-miento en las pymes del sector metalmecánico delValle de Aburra: estado actual y proyección de los in-dicadores de gestión” como temas de monografía paraoptar al titulo de ingenieros mecánicos, concluyen enla carencia de indicadores de gestión y productividad,ausencia de planes de mantenimiento, sistemas deinformación, aspectos técnicos y de administración.

Los estudios anteriores evidencian las debilidadesy fortalezas del sector metalmecánico y deja un cla-ro panorama de la urgente necesidad de plantearalternativas para mejorar su competitividad, prio-rizando en las inversiones de mayor cuantía, es decirlos equipos C.N.C, y que representan al nivel depérdidas un efecto exponencial para su improduc-tividad.

MANTENIMIENTO DE LAS MÁQUINASDE CONTROL NUMÉRICO

El mantenimiento industrial se define como un con-junto de técnicas utilizadas para garantizar un ade-cuado funcionamiento tanto de las instalacionescomo de la maquinaria productiva, por medio deluso de un conjunto de disposiciones de orden técni-co, de medios y actuaciones, obteniendo así la máxi-ma disponibilidad y eficiencia en el cumplimientode los planes de producción (Rey, 1996, 1-3).

Los trabajos desarrollados en el mantenimientoaumentan el nivel de rendimiento y la disponibili-dad de los equipos, a la par con los gastos de explo-tación de estos. Por esto el fin de un departamentode mantenimiento industrial debe ser la obtencióndel equilibrio óptimo entre los factores producti-vos, los cuales garantizan un balance para maximi-zar el logro de dicha rentabilidad (Kelly y otro,1998, 1).

El mantenimiento es más necesario en la medidaque aumenta el grado de automatización de la plan-ta; considerando el estado de calibración y ajusteen que debe estar el equipo, cada máquina involu-crada en una cadena productiva debe ser conserva-da de manera que no falle, pues un solo paro causaun trauma general, aumentado matemáticamentede acuerdo a la programación y capacidad de di-chos equipos.

La filosofía de mantenimiento, implica la adapta-ción de herramientas propias de gestión, por me-dio del uso de los factores productivos tanto indi-vidual como conjuntamente en una forma eficaz yeficiente, ya sea aplicándolos de manera correcti-va, programada, preventiva, predictiva o una com-binación de ellas, definiendo objetivos concretosque se desean lograr con cada una de las variablesrelevantes del mantenimiento, utilizando el con-cepto de servicio al cliente y centrando la organi-zación en el desarrollo de habilidades y competen-cias adquiridas por el recurso humano, para poderasí satisfacer los requerimientos del usuario de man-tenimiento interno y/o externo; todo esto llevadoa cabo con el diseño de estrategias de planeación yel control de su ejecución a través de indicadoresgerenciales de mantenimiento (Mora, 1999, 42).


PRODUCTIVIDAD DELSECTOR METALMECÁNICO

El desarrollo tecnológico de los equipos C.N.C esun cambio considerable, así, por ejemplo, si parala mecanización total de un número de piezas fue-ra necesario realizar las operaciones de fresado,mandrilado y perforado, es lógico que se alcanza-ría la mayor eficacia si este grupo de máquinas he-rramientas estuvieran agrupadas, pero se lograríauna mayor eficacia aún si todas estas operacionesse realizaran en una misma máquina. Esta necesi-dad, sumada a numerosos y nuevos requerimien-tos que día a día aparecen obliga la utilización denuevas técnicas que reemplazan al operador huma-no. (Trabajos14@2005)

El tiempo total de fabricación se disminuye, debi-do a la rebaja en la mecanización, en virtud de ladisminución de los tiempos de desplazamiento envacío y de la rapidez de los posicionamientos quesuministran los sistemas electrónicos de control.Adicionalmente la reducción de controles y dese-chos, debido fundamentalmente a la gran fiabili-dad y repetitividad de una máquina herramientacon control numérico.

La automatización presenta también desventajas ysi no se tiene bajo control, puede implicar crecien-tes costos de producción por el alto porcentaje depiezas rechazadas, demoras en la producción, esca-sez de mano de obra, condiciones peligrosas de tra-bajo. Los factores que se deben estudiar con cuida-do son el alto costo inicial del equipo, los proble-mas de mantenimiento y el tipo de producto. (Aran-da@2004)

La productividad del sector metalmecánico, repre-sentada en la actualización tecnológica en este casomediante la adquisición de tecnología CNC impactade manera notoria logrando una capacidad opera-tiva superior y considerando la posibilidad de tra-bajar y programar a 24 horas estamos ante un po-tencial de desarrollo que va cada vez más en creci-miento.

CONCLUSIONES

• Los equipos C.N.C deben ser operados por per-sonal competente, preparados en planeación ycon un nivel de conocimientos adecuado parapoder entender una tecnología con un ingredien-te alto de informática y mecatrónica. Requiereproyectar los tecnólogos a prepararse en dichatecnologías como posibles plazas de prácticaprofesional o bien los futuros operarios califi-cados de dichas máquinas.

• El control numérico computarizado posibilitala garantía de la reproducibilidad del producto,para ello es necesario tener bajo control situa-ciones como la herramienta, el operario, y lascondiciones de operación en general.

• Para la institución universitaria ITPB esta situa-ción significa seguir a la vanguardia y conservarel liderazgo ante el sector industrial. Antioquiacomo capital industrial de Colombia ha tenidoen el sector metalmecánico en su gran mayoríaegresados de la Institución, y de alguna formaesperan de esta, el apoyo a la gestión empresa-rial.

• Los factores productivos a saber: TecnologíaBlanda, Dura, Recursos Naturales, Sistema deinformación, Capital, Grupos de trabajo, Espa-cio Físico, Personal, de acuerdo al enfoque sis-témico teoría de original de los autores DavidRicardo y Michael Porter, contemplan las va-riables de control para la productividad del sec-tor metalmecánico, al tener resuelto el tema demaquinaria y tecnología dura de punta eviden-cia su capacidad operativa como proveedoresconfiables de la industria colombiana.

• El acompañamiento de la academia, es funda-mental para el desarrollo del sector productivo,aunando esfuerzos para lograr así que la investi-gación aplicada al sector metalmecánico Antio-queño sea objetivo primordial para el grupoGICOMA (Grupo de Investigación en Controlde Mantenimiento) de la Institución Universi-taria I.T.P.B


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.com/trabajos6/etic/etic.shtml)Trabajos14@2005Disponible en internet : www.monografias .com/

trabajos14/contro/control.shtmlTrabajos16@, 2005Disponible como: (www.monografias .com/traba-

jos16/industria-ingenieria.shtml)


CONTROLADOR PROPORCIONAL PARA UN AUTOCLAVE

José Alfredo Palacio FernándezCll 41 a sur #32-13 Envigado Colombia, [email protected],

tel. (+574) 3323493

ResumenSe verificarán los modelos estáticos y dinámicos simu-lados en trabajos anteriores al ser combinados y poste-riormente se obtendrá la respuesta ante la presenciade un controlador realimentado y agregando una po-larización.

Palabras claveControlador, dinámico, actuador, modelo, estático,polarizador, error, lazo.

AbstractThe static and dynamic models will be verified andsimulated in combined tasks

previous to the being and later the answer will beobtained before the presence of a

realimentado controller and adding a polarization.

KeywordsController, dynamic, actuator, model, static,polarizador, error, bow.

1. INTRODUCCIÓN

En primera instancia combinaremos los modelosestaticos y dinámicos obtenidos previamente (Pa-lacio, 2007) y se analizará la salida si el modelo es-tático se ubica antes de la parte dinámica y vicever-sa. Luego se agregará un control proporcional contres valores alejados entre sí y explicar el efecto paracada uno y para los modelos lineal y no lineal. Alfinal agregaremos una polarización comoprealimentador que equivale a una entrada cons-tante para un controlador de lazo abierto y sin lazoabierto.

2. DESARROLLO

2.1 Combinación de los modelos dinámico y está-tico

El modelo aproximado no lineal para el autoclavees de tipo Sigmoide(1) (Palacio, 2007) se puedeaproximar a un modelo lineal (2)(Ogata,1998)

1)y(u)-12.6=2.419541814744(u-9.697) (2)

Donde A=3.0044267, B=16.710176,C=8.8160151, D=1.6024156.

Empleando Matlab y partiendo de algoritmos tra-bajados previamente (Betancur, 2007).En la figu-ra1, se graficaron conjuntamente la entrada y lasalida con la componente estática antes del la partedinámica y viceversa. Si se ubica primero el mode-lo estático, la respuesta temporal es más rápida. Enel primer arranque en zona no lineal se observauna respuesta diferente para la conmutatividad delos sistemas y en la parte lineal las pendientes y eltiempo de respuesta difieren un poco. Pero se es-coge para el análisis posterior el que posee respues-ta más rápida en zona lineal que en este caso es elque se obtuvo con el modelo estático antes delmodelo dinámico.

yB

1 e

u C�

D

��

��

��

� ��

�

� �

A�

Fig.1 Conmutatividad de los sistemas.

En la figura 2 para un Kp = 0.2, el error en estadoestable es demasiado grande y más aún en el mode-lo estático no lineal.


En la figura 3 el error disminuye en mayor pro-porción para el modelo lineal pero en la figura 5 sepuede observar que ambos modelos oscilan a par-tir de Kp = 2 y valores superiores de Kp harían elsistema inestable.

Para los valores de Kp escogidos los valores de lasseñales de salida siempre se encuentran enmarcadosen el intervalo permisible por el actuador de4-20mA.

Fig 2. Respuesta a los modelos con Kp=0.2

Fig 3. Respuesta a los modelos con Kp=1

Fig 4. Respuesta a los modelos con Kp=2

2.1 Adición de una polarización sin controlde lazo abierto.

Para una ganancia del controlador de 0.2 y 1 conlos que se obtuvieron las curvas de las figuras 5 y 6,el error en estado estable mejora bastante en elpunto de operación para el modelo lineal. Pero enla periferia del punto de operación, el modelo nolineal posee mejor respuesta en estado estable. Si laganancia Kp aumenta más, ambos sistemas oscilanen el punto de operación aunque el modelo no li-neal sigue presentando error en estado estable (fi-gura 7 ). La mejor ganancia que controla el procesoes Kp=1.

Fig. 5 Con polarización y Kp= 0.2

Fig. 6 Con polarización y Kp=1

Fig. 7 Con polarización y Kp=2


2.1 Adición de prealimentación de lazo abierto

La prealimentación de lazo abierto mejora la res-puesta para el sistema lineal y no lineal en estadoestable tanto en el punto de operación como en lasperiferias. Tiene un sobrepaso mayor pero estabilizamás rápidamente el sistema comparando para Kp=2de las figuras 7 y 11.

Fig. 8 Sistema lineal completo

Fig.9. Agregando prealimentación y Kp = 0.2

Fig. 10. Agregando prealimentación y Kp = 1

Fig. 11. Agregando prealimentación y Kp = 2

Fig. 12. Polos como función de Kp

El por que al aumentar Kp hace que oscile el sistemase puede apreciar en el diagrama de polos y ceros dela figura 12 en la que se puede para valores grandesde Kp los polos originales en lazo abierto -2.43 y -2.27 pasan del eje real negativo al positivo con loque se vuelve inestable pero mientras esto sucede, laforma como se acerca al eje es mediante complejos


conjugados cada vez mayores asta que el sistema sedesestabiliza. Los polos repetidos en s=-10 no inter-fieren en la inestabilidad del sistema.

2. CONCLUSIONES

La ganancia proporcional por si sola, no logra con-trolar plantas de orden cuatro.

Agregar un polarizador mejora la respuesta del

sistema controlado.

Con una ganancia de lazo abierto se logra un erroren estado estable prácticamente cero para un mode-lo estático lineal para el punto de operación perocrece rápidamente a medida que se aleja de dichopunto.

El diagrama de polos y ceros explica lo que sucede alagregar una ganancia Kp al proceso.

REFERENCIAS

Palacio, J. (2007). Tarea 1_Características del mode-lo dinámico para una autoclave.

Procesos continuos, T1_P_C.zip. En línea [http://www.geocities.com/pascual_bravo/ tareas] con-sultado en mayo de 2007.

Betancur, Manuel J. (2007). Algoritmos para laIdentificación, Matlab_ProCont.zip. En línea

[http://amasd.upb.edu.co/postautomatica/procesos_continuos.html] consultado en mayode 2007.

Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de Contro Moderna.Edo. de México. 1998. Pág. 111


CONVENIENCIA DEL USO DEL GAS NATURALEN PROCESOS DE ESTERILIZACIÓN CON VAPOR

Alvaro Delgado Mejía1, Juan Fernando Madrigal Mesa

2

1 Ingeniero Mecánico, Docente investigador Tecnológico Pascual Bravo, Institución Universitaria2 Ingeniero en Instrumentación y Control, Docente investigador Tecnológico Pascual Bravo, Institución Universitaria

ResumenEn este artículo se presentan los resultados de un pro-yecto de investigación que muestra la convenienciade emplear un proceso de combustión con gas natu-ral, como sustituto de la electricidad, en un procesode esterilización con vapor húmedo. Para tal fin seefectuaron una serie de ensayos en un equipo comer-cial, donde se midieron los consumos energéticos parael caso eléctrico y para el caso de combustión general;al llevar estos consumos a costo de operación del equi-po, puede establecerse la indiscutible ventaja de em-plear recursos fósiles para estos procedimientos en lu-gar de energía eléctrica, de por sí de mayor calidad.

La diferencia a favor del gas natural no solo se vereflejada en el menor costo de operación del equipo,sino además en un menor tiempo del proceso de este-rilización, lo que permitiría una mayor frecuenciade utilización y por lo tanto una mayor productivi-dad del mismo. Las conclusiones obtenidas se han res-paldado con un análisis estadístico, cuyos principalesresultados se muestran al final.

Palabras claveAutoclave, esterilización, uso racional de la energía,gas natural

AbstractThis paper presents the results of a research projectthat shows the utility of using a combustion processwith natural gas as a substitute for electricity in aprocess of wet steam sterilization. For this purpose aseries of tests conducted in a commercial team, whichmeasured the energy consumption for the electric caseand the overall combustion event, to bring thisconsumption to cost to operate the computer, you canset the indisputable advantage of using fossil resourcesfor these procedures instead of electricity, already ofhigher quality.

The difference in favor of natural gas is reflected notonly in the lowest cost to operate the equipment butalso in less time in the sterilization process, allowingmore frequent use and therefore greater productivitythereof. The conclusions obtained have been backedby statistical analysis, the main results were shownlast.

K e ywo rd sAutoclave, sterilization, Rational energy use, Natu-ral gas

INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia la combustión ha jugadoun papel trascendental en el desarrollo de la cultu-ra material y la calidad de vida. Con el descubri-miento del fuego el hombre pudo disponer del ca-lor en un sitio determinado y en cualquier instantepara la calefacción y atenuar las inclemencias delclima, para cocción de alimentos lo cual favorece-rá la diversificación de su canasta alimenticia y sumetabolismo, para la fusión de los metales que lepermitió la fabricación de artefactos aplicables enmúltiples actividades (agricultura, caza y defensa).

Con la aparición de la máquina de vapor a partirde finales del siglo XVIII el carbón se estableciócomo el principal soporte del paradigma energéti-co para esa época. No obstante, la combustión se-guiría siendo en el siglo XIX el fenómeno que ga-rantiza la liberación en forma de calor de la ener-gía primaria, para usarse directamente o transfor-marse a otras formas de energía, incluida la eléctri-ca, que prácticamente se ha convertido en la formaesencial de energía, ya que la mayor parte de elec-trodomésticos, sistemas de iluminación, motoresde maquinaria industrial, etc, funcionan gracias aella.


No obstante esta dependencia de la energía eléctri-ca, se tienen algunas aplicaciones tanto domésticascomo industriales, en las que sería mucho mejorutilizar una fuente de energía primaria, como laquema de combustibles fósiles, en lugar de desper-diciar una forma de energía de mayor calidad comola eléctrica. Entre estas aplicaciones se tienen losprocesos cocción de alimentos y de calentamientode fluidos, como es el caso de un proceso de esteri-lización con vapor saturado de agua.

Aunque desde hace mucho tiempo se ha probadola ventaja de emplear combustibles fósiles (carbón,gasolina, diesel, gas natural, GLP entre otros) enesta oportunidad se quiere mostrar las bondadesdel gas natural vs la electricidad, no con la inten-ción de desacreditar la electricidad, sino para resal-tar el hecho de que se puede tener un proceso deesterilización más barato, en menor tiempo y prác-ticamente con la misma eficiencia de esterilización,ya que esta es independiente de la fuente de energíaempleada.

A continuación se describen los equipos e instru-mentos utilizados en los ensayos, así como la for-ma en que se determinaron las variables que per-mitieron hacer las respectivas comparaciones en-tre una y otra fuente energética

EL AUTOCLAVE O ESTERILIZADOR

El equipo de esterilización con vapor que se utilizópara las pruebas, es un recipiente cilíndrico de alu-minio fundido, con una capacidad de 24 litros, elcual tiene incorporada en su parte inferior (dentrodel recipiente) una resistencia eléctrica sumergibleque se encarga de vaporizar constantemente aguadurante el tiempo que dure la sesión de esteriliza-ción, que usualmente oscila entre 20 y 30 minutos.Para las pruebas en modo de combustión no seenergizó la resistencia sino que el recipiente se ubi-có sobre un quemador de gas natural que hizo lasveces de fuente de calor para la vaporización delagua. Las principales características técnicas delequipo son:

Marca: All AmericanFabricante: Wisconsin Aluminum FoundryModelo 25X – 120 pressure sterilizer

Material: AluminioCapacidad bruta: 24 litrosAltura: 425 mmDiámetro interior 321 mmEspesor: 3.2 mm (1/8 pulg)Peso: 11.8 kg (sin agua y sin los implementos a es-terilizar)Voltaje de operación: 115 V AC +/- 10%Frecuencia de operación 50/60 HzCorriente eléctrica nominal: 8.75 amp.Potencia nominal consumida: 1050 WTemperatura de trabajo: 5 a 40 ºC

QUEMADOR DE GAS NATURAL

Tipo: quemador de baja presión de aire inducidoPotencia térmica: 8 kWCabezal de tambor cilíndrico con 3 filas de orifi-cios radiales

QUEMADOR DE GAS NATURAL

Tipo: quemador de baja presión de aire inducidoPotencia térmica: 7 kWCabezal de tambor cilíndrico con 2 filas de orifi-cios radiales

METODOLOGÍA DE LOS ENSAYOS

Para el ensayo en modo eléctrico, luego de haberllenado el equipo con la cantidad de agua sugeridapor el fabricante y tras cerrar herméticamente launidad, con el selector de potencia en la posición 7y con la válvula de control abierta, se procede apasar el interruptor de paso de corriente eléctrica ala posición “ON”, y en este momento se comienzaa medir el tiempo del proceso de esterilización,durante el cual se monitorean a ciertos intervalosde tiempo las variables de voltaje de suministro,corriente eléctrica y potencia consumida.

Aproximadamente a los 38 minutos se empieza aobservar producción de vapor a través de la válvu-la de control; esta situación se mantiene duranteun tiempo aproximado de 5 minutos con el fin degarantizar la total evacuación del aire que pudieraestar dentro del esterilizador y que podría afectarlas condiciones de esterilización. Cabe recordar quela eficiencia del proceso de esterilización con va-


por depende en gran medida de la cantidad de aireque pudiera haber quedado adentro del recipiente,ya que este al mezclarse con una mezcla saturadade vapor de agua puede disminuir la temperaturade saturación a valores en los que no se garantizauna esterilización completa.

A continuación se procede a cerrar la válvula decontrol, ante lo cual comienzan a aumentar pro-gresivamente la presión y temperatura dentro delequipo hasta llegar a las condiciones de esteriliza-ción, que para la altitud a la que se encuentra laciudad de Medellín son aproximadamente 120 kPamanométricos y 120 ºC (alrededor de 18 psig y250º F según el indicador del equipo de esteriliza-ción).

Como tanto la presión y la temperatura siguenaumentando constantemente, se comienza a inte-rrumpir y permitir sucesivamente el paso de co-rriente eléctrica al equipo con el fin de que la pre-sión se mantenga en torno a los 120 kPa (17 psig)pero sin aumentar demasiado de manera que se al-cance una condición de operación peligrosa (Elsensor de presión del equipo tiene marcada unazona roja a partir de los 21 psig que indica una con-dición de operación peligrosa que podría hacer sal-tar la válvula de seguridad). Esta acción se efectúamanualmente y se tiene en cuenta que el tiempodurante el cual el interruptor de paso de corrienteeléctrica está en la posición “OFF” no se contabili-za para el cálculo de consumo de potencia eléctricapero si para el tiempo de esterilización, el cual sepredeterminó en 20 minutos.

Una vez alcanzado el tiempo de esterilización seprocede a apagar definitivamente la unidad y se dapor concluido el ensayo. Luego se totaliza el tiem-po durante el cual el equipo estuvo demandandocorriente eléctrica y se calcula el consumo eléctri-co o potencia como el de un sistema eléctrico pura-mente resistivo:

Donde V es el voltaje de suministro, I la corrienteeléctrica en Amperios y la potencia eléctrica estáen Watts.

Por su parte el consumo de Electricidad se obtienecomo:

Donde t es el tiempo en horas medido durante elensayo, la potencia eléctrica es la que se calculó enel paso anterior y el consumo viene dado en Watts– hora.

De esta forma el costo de operación del equipo enuna sesión de esterilización típica se obtieneinvolucrando el valor del kW-hora que tiene esti-pulado en nuestro caso las Empresas Públicas deMedellín ESP, para cada uno de los estratos que setienen.

Como se mencionó antes, el equipo fue diseñadode fábrica para trabajar en modo eléctrico, peropara los ensayos en modo de combustión se susti-tuyó la energía eléctrica por calor originado en lallama de un quemador, utilizando como combusti-bles el gas natural.

Aunque el obviar la alimentación eléctrica implicaque la resistencia eléctrica está inoperante, no afec-ta para nada las variables de presión y temperaturaque indica el equipo de esterilización, ya que elproceso de vaporización del agua dentro del reci-piente se efectúa de la misma manera, sólo que conotra fuente de energía.

En estas condiciones el procedimiento es totalmenteanálogo al descrito en el apartado anterior, con laúnica diferencia de que en vez de cortar el suminis-tro de energía eléctrica para evitar una presurizaciónfuera del margen de seguridad del equipo, lo que sehace es interrumpir el paso de gas al quemador,mediante una válvula de paso; es decir que el con-trol del proceso sigue siendo ON – OFF manual.

El consumo energético con gas, para fines de com-paración con el caso eléctrico, se obtiene de la si-guiente manera:

donde el caudal en m3/s de gas se obtiene de medi-ciones hechas durante el ensayo y PCi no es másque el poder calorífico del combustible expresadoen base volumétrica (kJ/m3).

*Potencia Eléctrica V I�

tiempoEléctricaPotenciaConsumo *�

* 1Costo deoperación Consumo Valor de kW H�

PCigasdeCaudalEnergéticoConsumo *�


De esta forma el consumo energético de gas asíobtenido queda en kW y permite ser comparadocon el consumo eléctrico para determinar la con-veniencia o no del uso de combustibles gaseososcomo sustitutos de la electricidad en aplicacionesque involucran el calentamiento de sustancias,como es el caso de la esterilización con vapor.

Para comparar costos, se hace necesario emplear lasiguiente relación:

Donde nuevamente el consumo de gas son los m3gastados en el proceso de esterilización en modode combustión y que se obtuvieron mediante me-

diciones, y el costo de gas natural es el que se tieneestipulado por parte de Empresas Públicas de Mede-llín ESP, para cada uno de los estratos.

RESULTADOS OBTENIDOSY CONCLUSIONES

A manera de resumen se lista la siguiente tabla conlos datos promedios de consumo para cada sesiónde esterilización empleando las 3 fuentes de ener-gía estudiadas. Tales resultados corresponden a unatarifación para el estrato 3, aunque se obtienen re-sultados de igual magnitud incluso para el estrato 6o el industrial.

31* mdeValorgasdeConsumooperacióndeCosto �

Fuente energética

Eléctricocombustión de GLPcombustión de GN

Costo promedio ($)

225.38211.58146.9

Varianza ($)

13.28294.0324.125

Al efectuar un análisis de varianza simple(ANOVA), a los datos obtenidos se tratará de pro-bar la validez de la siguiente hipótesis:

Ho = el costo de operación promedio del equipode esterilización es el mismo empleando como fuen-te de energía la electricidad, el GLP o el gas natural

Rechazar esta hipótesis equivale a afirmar que porlo menos una de las fuentes energéticas arroja uncosto de operación significativamente distinto alde las otras dos.

Los resultados del ANOVA arrojan lo siguiente:

Niveles(Fuente de energía)

Eléctricocombustión de GLPcombustión de GN

FACTOR(Costo del proceso de esterilización, $)

R1223.2201.4146.4

R2230.2219.2145.7

R3222.6214.1150.3

R4222.5221.8147

R1228.4201.4145.1

(Los valores anotados corresponden a los del estrato 3)

Los resultados del ANOVA arrojan lo siguiente:Como el valor de F obtenido es mayor que el valortabulado para el estadístico de prueba F 0.05,2,12se concluye que con un 95% de confiabilidad serechaza la hipótesis nula (Ho) y por lo tanto se

infiere que alguna de las fuentes energéticas es dife-rente en términos estadísticos a las otras, para nues-tro caso la o0eración del equipo de esterilizacióncon gas natural como fuente de energía.


Origen delas variaciones

Entre gruposDentro de los grupos

Total

Suma decuadrados

17555.088445.756

18000.844

Grados delibertad

212

1 4

Promedio delos cuadrados

8777.54437.1433333

F

236.296377

Probabilidad

2.3058E-10

Valor críticopara F

3.88529031

Según los resultados del análisis estadístico ante-rior pueden sacarse las siguientes conclusiones:

• El tiempo promedio de operación del equipopara una sesión de esterilización típica de 20 mi-nutos, empleando electricidad, combustión conGLP y combustión con gas natural, fue respec-tivamente de 86 minutos, 62 minutos y 69 mi-nutos.

Para el caso de utilizar como fuente energéticala combustión, bien sea de GLP o de gas natu-ral, se observa una reducción en el tiempo totalde operación de entre el 20 y 30%; esto de por sírepresenta una mejora significativa, por cuantose tiene una mayor rapidez del proceso de este-rilización y a la vez se permite una mayor fre-cuencia de utilización del equipo, lo que de al-guna manera mejora la productividad del mis-mo.

• El tiempo total del proceso de esterilizaciónmencionado en el apartado anterior, estáinfluenciado enormemente por la inercia térmi-ca, es decir por qué tan rápido el agua alcanza elpunto ebullición dentro del esterilizador, inde-pendiente de la fuente de energía utilizada. Delos resultados se puede establecer que el tiemponecesario para alcanzar la zona verde o zona deesterilización es menor con GLP, seguida porel gas natural y por la energía eléctrica respecti-vamente, lo cual puede explicarse en términosdel mayor poder calorífico del GLP respecto algas natural, a pesar de la menor eficiencia decalentamiento del sistema de combustión com-parado con el eléctrico.

• En términos de energía consumida en cada se-sión de esterilización, se observa que para el casoeléctrico se consumen en promedio 1250 W-H,para el caso de combustión con GLP se consu-men en promedio 2500 W-H y para el caso de

combustión con gas natural el promedio de con-sumo es de 2120 W-H.

En esta oportunidad se infiere que la electrici-dad sería la mejor opción ya que presenta elmenor gasto energético, comparada tanto conel GLP y con el gas natural, sin embargo cuan-do este consumo se lleva a costo económico escuando se establece la diferencia a favor de lacombustión como se explica en el siguiente nu-meral.

El mayor consumo energético con GLP y gasnatural puede explicarse al tener en cuenta lasenormes pérdidas de calor por conducción,convección y radiación que se tienen en estaconfiguración, lo cual da como resultado que laeficiencia del proceso de combustión esté alre-dedor del 70%. Además la fuente de calor eléc-trico se encuentra dentro del equipo mismo deesterilización, mientras que la llama sólo estáen contacto con la parte inferior externa delequipo, de ahí que una buena solución podríaser tratar de aislar el cuerpo cilíndrico del auto-clave con un material con baja conductividadtérmica (lana mineral por ejemplo).

• Cuando se comparan los costos de operacióndel equipo en una sesión típica de esterilización,se observa que la mejor opción es la de la com-bustión con gas natural, la cual arroja en pro-medio un costo de $147, contra $211 y $225 quese obtienen para la combustión de GLP y deelectricidad, respectivamente.

Como se mencionó antes, estos valores corres-ponden al promedio de las tarifas que manejaEmpresas Públicas de Medellín (estrato #3), sinembargo se tendrían ordenes de magnitud simi-lares si se emplearan únicamente las tarifas delestrato 6 o las del sector industrial (ver anexo7).


Aunque el ahorro con gas natural sería mayoral 50% comparándolo con el caso eléctrico, senota que para el GLP el diferencial es de sólo7%, que no deja de ser algo de ahorro. No obs-tante, de los resultados estadísticos se apreciacomo la información relativa al GLP fue la quepresentó mayor varianza, por lo que sería reco-mendable depurar dichos datos de consumo paradefinir si esta es la verdadera tendencia o si porel contrario se presentó algún evento o factorque arrojara tales resultados.

De todas formas, aunque no se tenga disponibi-lidad de gas natural por red, que puede ser elcaso de municipios fuera del área metropolita-na, una muy buena opción sería remplazar laelectricidad con GLP o propano, que es másasequible que el gas natural al ser comercializa-do en pipetas de diferentes denominación (20,40 y 100 libras).

• Aunque hoy día es usual encontrar tomas decorriente eléctrica en casi cualquier parte, el he-cho de poder hacer funcionar un equipo de es-terilización con las características mencionadas,con gas natural o GLP, expande aún más el cam-po de acción de estos procesos, los cuales noson exclusivos únicamente del sector médico yhospitalario, sino también de algunos procesosalimenticios e industriales.

BIBLIOGRAFÍA

MONTGOMERY, Douglas C., “Diseño y Análi-sis de Experimentos”, 2ª edición, EditorialLimusa S.A, México D.F, 2003.

www.wafo.com, página web de la compañia“Winsconsin Alluminum Foundry”

www.eeppm.com/epmcom/contenido/tarifas,página web de las Empresas Públicas de Medellín

EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN, Geren-cia del Gas. “Guía para el diseño e instalaciónde redes eléctricas de gas”, Medellín, 1997.


ANEXO 1. ESQUEMA DEL MONTAJE PARA UNA SESIÓN DE ESTERILIZACIÓN

EN MODO ELÉCTRICO

EN MODO CON COMBUSTIÓN


ANEXO 2. TABLAS DE DATOS PARA LAS MEDICIONES

tiempo Voltaje Corriente PotenciaObservación

(HH:MM:SS) Voltios Amperios Watts

0:00:00 115 8.23 946 Inicio del ensayo00:37:45 115 8.23 952 Comienz producción de vapor00:42:00 115 8.22 950 Se cerró la válvula de control01:04:00 115 8.22 949 Comienza proceso de esterilización01:07:00 115 8.20 943 Interruptor en posición OFF01:08:00 115 8.20 943 Interruptor en posición ON01:11:10 115 8.21 943 Interruptor en posición OFF01:12:40 115 8.21 943 Interruptor en posición ON01:15:00 115 8.21 951 Interruptor en posición OFF01:16:00 115 8.21 951 Interruptor en posición ON01:19:00 115 8.21 951 Interruptor en posición OFF01:20:15 115 8.21 943 Interruptor en posición ON01:22:30 115 8.21 943 Interruptor en posición OFF01:24:00 115 8.21 943 Interruptor en posición ON01:25:00 115 8.19 941 Fin del ensayo

Tiempo total del proceso 01:25:00Voltaje promedio 115 VCorriente promedio 8.21 APotencia consumida (medida) 946.1 W (en promedio)

tiempo de consumo* 78.7 minutosPotencia consumida (calculada) 1238.61 W-HConsumo Eléctrico 122.5 $ para el estrato 1 [3]

147.0 $ para el estrato 2223.2 $ para el estrato 3262.6 $ para el estrato 4315.1 $ para el estrato 5315.1 $ para el estrato 6

* es el tiempo durante el cual el equipo estuvo demandando energía eléctrica(es decir mientras el interruptor estuvo en la posición ON)

INSTITUTO TECNOLÓGICO PASCUAL BRAVO

Proyecto de investigación: ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO EN MODO DUAL

Ensayo # 1 (Modo eléctrico)Fecha: Agosto 9 de 2006

(ELECTRICIDAD vs COMBUSTIBLE GASEOSO) DE UN EQUIPO DE ESTERILIZACIÓN CON VAPOR



Tiempo Presión Temperatura CaudalObservación

(HH:MM:SS) kPa ºC (L/s)

0:00:00 2.0 24.0 516 Inicio del ensayo00:30:00 2.0 24.0 ------------ Comienza producción de vapor00:35:00 2.0 24.0 ------------ Se cierra la válvula de control00:51:30 2.0 24.0 ------------ Comienza proceso de esterilización00:55:30 2.0 24.0 ------------ Válvula en posición OFF00:58:15 2.0 24.0 ------------ Válvula en posición ON01:02:30 2.0 24.0 ------------ Válvula en posición OFF01:04:10 2.0 24.0 ------------ Válvula en posición ON01:10:00 2.0 24.0 ------------ Válvula en posición OFF01:12:00 2.0 24.0 741 Fin del ensayo

Tiempo total del proceso 01:12:00Presión promedio 2.0 kPaTemperatura promedio 24.00 ºCdensidad promedio del gas 0.78 kg/m3

Volumen de gas consumido 225 Ltiempo de consumo* 65.4 minutosCaudal consumido (medido) 5.73E-05 m3/sPotencia consumida (calculada) 2135.2 W-H

Costo del gas 69.1 $ según la tarifa para el estrato 180.9 $ según la tarifa para el estrato 2

146.4 $ según la tarifa para el estrato 3146.4 $ según la tarifa para el estrato 4175.6 $ según la tarifa para el estrato 5175.6 $ según la tarifa para el estrato 6

* es el tiempo durante el cual el equipo estuvo consumiendo gas(es decir mientras la válvula de paso estuvo abierta)



Ensayo # 1 en modo Combustión con Gas NaturalFecha: Agosto 16 de 2006


Tiempo Presión Temperatura Caudal Observación(HH:MM:SS) kPa ºC (L/s)

0:00:00 3.2 23.0 42 Inicio del ensayo00:24:00 3.2 23.0 ------------ Comienza producción de vapor00:27:20 3.2 23.0 ------------ Se cierra la válvula de control00:38:15 3.2 23.0 ------------ Comienza proceso de esterilización00:39:40 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición OFF00:41:30 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición ON00:43:10 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición OFF00:46:15 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición ON00:47:30 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición OFF00:50:20 3.1 23.0 ------------ Válvula en posición ON00:52:15 3.0 23.0 ------------ Válvula en posición OFF00:55:15 3.0 23.0 ------------ Válvula en posición ON00:56:30 3.0 23.0 ------------ Válvula en posición OFF00:58:35 3.0 23.0 ------------ Válvula en posición ON01:01:00 3.0 23.0 121 Fin del ensayo

Tiempo total del proceso 01:01:00Presión promedio 3.1 kPaTemperatura promedio 23.00 ºCdensidad promedio del gas 1.53 kg/m3

Volumen de gas consumido 79 Ltiempo de consumo* 49.2 minutosCaudal consumido (medido) 2.68E-05 m3/sPotencia consumida (calculada) 2515.5 W-Hmasa consumida de gas 0.1208 kgCosto del gas 201.4 $ En relación con el de una pipeta de 40 Lb

* es el tiempo durante el cual el equipo estuvo consumiendo gas(es decir mientras la válvula de paso estuvo abierta)



Ensayo # 1 en Modo Combustión con GLPFecha: Agosto 9 de 2006



EL CONTROL EN INVERNADEROS

José Alfredo Palacio Fernández, profesor de microcontroladores y asesor de proyectos de grado


Cll 41 a sur #32-13 Envigado Colombia, [email protected], tel. (+574) 3323493.

Grupo GARPE (Grupo de Automatización, Robótica y Pedagogía, TPBIU)

ResumenPara implementar el control de cultivos agrícolas eninvernaderos, se requiere de una serie de sensores,actuadores y métodos de control que varían en preci-sión, costo y complejidad. En este artículo se recopilaalgunos de estos elementos con una explicación generalde los mismos.

Palabras ClaveSensores, control, automatización, actuadores, inver-nadero, cultivo, proceso.

AbstractTo implement the control of agricultural crops ingreenhouses, requires a series of sensors, actuators andcontrol methods that vary in accuracy, cost andcomplexity. This article collects some of these elementswith a general explanation of them.

Key WordSensors, control, automation, actuators, greenhouse,cultivation, process.

I. INTRODUCCIÓNLos cultivos agrícolas en invernaderos se desarro-llan de forma manual lo que conlleva una dedica-ción permanente del agricultor y en ocasiones nose establece un control exacto de los niveles de hu-medad, temperatura, concentración de CO2, circu-lación del aire, luz, etc. Para solventar estos incon-venientes, diversas entidades de investigación acadé-mica y/o comercial, han desarrollado elementosdiscretos y procesos mediante los cuales se mejoranlos niveles de calidad de los productos, se apoya elseguimiento o trazabilidad del mismo y se mejorala producción.

II. Sensores aplicados a la agriculturaPara ejercer un control sobre un proceso, debemosobtener los valores de la variable física, lo cual selogra empleando sensores que transforman los nive-les de la variable en señales de corriente o voltajellevados a niveles estándar a la entrada del contro-lador.

A. Sensores de humedad en sólidosEl nivel de humedad en sólidos es una de la varia-bles en los procesos agrícolas que deben ser contro-ladas debido a que su exceso en algunas especiespuede ocasionar falta de oxigeno, con ello una de-tención en el crecimiento y posterior muerte de lasraíces y la falta de humedad ocasiona deshidrata-ción caso que es difícil de remediar [1]. Existen dife-rentes métodos para determinar los niveles de hu-medad que van desde los más económicos basadosen la conductividad entre dos electrodos que pue-den ser dos varas de hierro hasta los más costososcomo las sondas de neutrones.

Secado térmicoEs el método más antiguo y se emplea para com-probar los demás sistemas y consiste en calentar elmaterial asta que no se libere más agua [2]. Una for-ma es pesando el material seco y después de hume-decerlo; el problema es que no se puede repetir enel mismo lugar se deben hacer pruebas en terrenoindependiente. Este método se conoce como méto-do galvanómetro directo

Método de conductividadMétodo basado en la colocación de dos electrodosen el material entre los cuales se genera una mayoro menor conductividad debido al aumento en lahumedad. Va acompañado de un puente dewheatstone (Figura 1) para acondicionar la señal.


Figura 1 Puente wheatstone que acondiciona la señalproveniente de los electrodos para la medición de hu-medad .

El problema de alimentar la señal con polarizaciónDC es la posible generación de electrolisis entrelos electrodos por lo que se recomienda generaruna señal oscilante [3]

Método de capacitancia

Los dieléctricos en los terrenos cultivados se en-cuentran entre 2 y 4 en frecuencias mayoresa200Mhz mientras que el del agua es 80 se debetener en cuenta que el dieléctrico a menores fre-cuencias se incrementa y se hace variable.

Así la capacitancia es más alta si hay mayor nivelde humedad

A. Sensores de temperatura

Debido al restringido límite del rango de tempera-turas que se pueden presentar al interior de un in-vernadero que va desde 0 a unas pocas decenas degrados Celsius, (depende también de la región delpaís donde se trabaje) podemos emplear sensoresbasados en semiconductores como son:

Sensor de salida análoga LM335

Es un sensor semiconductor de temperatura queentrega 10mV por cada grado Kelvin y opera a unequivalente en grado Celsius entre -40°C y 100°Crango en el cual están incluidas las temperaturasextremas en un invernadero.

Este sensor debe estar acompañado de un ajuste deganancia y de cero para dar una referencia en esca-la Centígrada [4].

Sensor de salida análoga LM35

Este sensor entrega una salida de 10mV/°C.

Es lineal, no requiere calibración externa y su ran-go de trabajo va de -55°C a 150°C. Para que traba-je a full escala el circuito debe estar referenciado ala salida a una fuente negativa de voltaje (ver figura2) con R=Vs/50uA. El rango real de trabajo delLM35 va entre 2°C a 150°C con referencia de sali-da a tierra (ver figura 2) [5].

Figura 2. Salida del sensor a full escala

Figura 3. Salida del sensor a escala de 2°C a 150°CSensor de salida digital ADT7317

Es un sensor fabricado por Analog Device® y quetrabaja con varios protocolos de comunicación se-rial entre ellos SPI e I2C manja conversión análogaa digital de 10 bit con una resolución de 0.25°C .opera entre -40°C y 120°C [6]

Se puede trabajar con sensores tipo Termocuplapero estos no son lineales y requieren una referen-cia de punta fría para poder calibrar el sensor a latemperatura real [7]. Además son muy costosas encomparación al las mencionadas anteriormente.

A. Sensores de C02

Las plantas usan el CO2 para la fotosíntesis, sien-do el crecimiento hasta un 30 % más rápido si elgas se encuentra en niveles de 1500 a 1800 ppm


(partes por millón). El CO2 se encuentra de formanatural en la atmósfera en niveles de 320 a 500 ppm.Las concentraciones superiores al 0,3% resultantóxicas para los cultivos.

Los niveles aconsejados de CO2 dependen de laespecie o variedad cultivada, de la radiación solar,de la ventilación, de la temperatura y de la hume-dad. El óptimo de asimilación está entre los 18 y23º C de temperatura, descendiendo por encimade los 23-24º C. Respecto a la luminosidad y hu-medad, cada especie vegetal tiene un óptimo dis-tinto.[8]

Es por eso que se debe ejercer un control sobreesta variable. Algunos de los sensores que hay en elmercado son:

Sensor TGS4160

Este sensor posee internamente un termistor quedebe mantener una temperatura específica parapoder tener una buena detección esta temperaturase logra al conectar un voltaje (VH) entre dos ter-minales de entrada empleados para dicho fin. Elsensor se debe medir empleando una alta impedan-cia lo cual se logra adicionando al circuito un am-plificador de alta impedancia superior a los 100G&!uno de estos amplificadores puede ser el TLC271de Texas Instrument y la salida de este debe serállevada a un microcontrolador que procese o acon-dicione los valores del sensor. La figura 4 [9] mues-tra la conexión que se realiza con el amplificadoroperacional como seguidor de voltaje.

Figura 4. Sensor de CO2 TGS4160

Transmisor GMT220

Es un transmisor industrial de CO2 de señales entre0 y 20 voltios o 4 a 20 mA diseñado con normaIP65 que asegura la protección contra el polvo y elagua. Que pueden ser muy comunes en los inver-naderos.

A. Sensores de luz

La luz es fundamental para la fotosíntesis de lasplantas la cual, proporciona la energía mediante lacual las plantas sintetizan los alimentos. Para me-dir la intensidad lumínica se pueden emplearfotoceldas, las cuales varían la impedancia de acuer-do al nivel de intensidad lumínica. Es importanteaumentar el día de luz interno pues algunas plantasmejoran su producción con luz más de 12 horasdiarias o luces cíclicas que simulan varios días en lanoche.

III. Actuadores empleados en los invernaderos.

De acuerdo a las variables sensadas, se debe ejercerun control de acuerdo a cada producto agrícolaagrícola. Algunos elementos secundarios de con-trol (actuadores) son:

Válvulas: encargadas del control de la cantidad deriego requerida dependiendo si es por goteo o poraspersión y esta puede ser ON-OFF o proporcio-nal tipo electroválvula.

La firma la firma Queen Gil, destaca la su nuevacinta de riego por goteo, con goteros (aberturas)cada 10 cm (10 goteros por cada metro de cinta).Un total de 4 litros/hora por metro a base de solo0,4 litros por gotero y hora. [10]. Aparte del riego,se debe mantener una atmosfera con condicionesde humedad optimas; esto se puede lograr emplean-do nebulizadores los cuales, mediante aspersión porpresión de partículas de agua de orden a 10micras,mantienen una atmosfera similar a la neblina. Estahumedad no se debe llevar a la saturación.

También en las heladas presentadas en las madru-gadas en algunas regiones de Colombia se debentener sistemas de calefacción por caldera o por ca-lefactor de combustión directa que además generaCO2 los cuales no deben superar estándares detoxicidad para las personas y las mismas plantas.

Para la homogenización de las condicionesclimáticas, se precisa de ventiladores y controlar laapertura del techo o paredes del invernadero du-rante cierto tiempo del día.

El control de temperatura puede ser de tipo on-offllevando los actuadores a valores que mantengan latemperatura deseada. La calefacción también pue-de estar enterrada en el suelo pues este requiere tam-


bién un rango de temperatura óptima en las raícespara que estas crezcan más rápido y puedan absor-ber más nutrientes

IV. Métodos de control en invernaderos

Para determinar el método de control a emplear,se debe tener conocimiento sobre el modelo delproceso. El cual es representado medianteecuaciones matemáticas.

Un modelo propio para un invernadero se puedellevar a espacio de estados (2)[11] no lineales debi-do a la heterogeneidad de las variables presentesaplicando balance de energía y masa mediante latemperatura y humedad relativa presentes en elcultivo

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(2)

Donde r es la densidad del aireui : Volumen del invernaderoxi : Humedad absolutaFu: Flujo de renovación del vapor de agua en elaireCsat: Coeficiente de saturación del aireE : Evaporación del cultivofog : NebulizaciónCp: Calor especifico del aireQs : Energía solar suministrada al aireQcc : Perdidas de energía por convección y con-ducciónQm: Intercambio de energía con la masa térmicaQv: Intercambio de energía debido a la ventilaciónQe: Perdidas de energía debida a laevapotranspiración del cultivoQn : Perdidas de energía por nebulización.Ai: Superficie del invernaderoQsm: Energía almacenada por la masa térmica du-rante el díaQf: Perdidas hacia el fondo del suelo

La figura 5 muestra un modelo MIMO del sistema:

Figura 5 modelo de entrada y salidas

Otro método de control es el que tiene en cuentalos niveles óptimos de nutrientes, luz y dimensio-nes del producto el cual, mediante algoritmosgenéticos y redes neuronales determina la produc-ción óptima [13].

Utilizando redes neuronales (figura 5) y algoritmosgenéticos para controlar el radio de las hojas (RTH)y el diámetro tallo (DT). La ecuación a optimizares (3) y relaciona el cociente entre RTH y DT y laproporción de nutrientes como combinación filialgenética.

Donde NC (k) es la concentración de nutrientesen la muestra k.

Para la implementación, el estado de la planta delsemillero fue dividido en 4 pasos:

1) Trasplante2) Vegetación después del trasplante3) Floración del primer racimo4) Colocación del primer fruto para el primer

racimo y floración del segundo racimo y losvalores de RTH(k)/DT(k) en el último paso(paso 4).

Los valores de la concentración de nutrientes NC1,NC2, NC3 o NC4. La función objetivo fue dadapor el valor promedio de RTH/DT en el últimopaso (paso 4), N3L + 1 _ k _ N en su respuesta


dinámica (1)(N3L+1 : primer día del paso 4) rela-cionado con el esquema de red neural de la siguien-te figura:

Figura 5. Esquema en red neuronal para el control deun cultivo

5. El problema de optimización es encontrar laconsigna para la concentración de nutrientesNC1, NC2, NC3, y NC4, ayudados por elmétodo de algoritmos genéticos los cualesmaximizan F(NC).

V. CONCLUSIONES

En el mercado hay infinidad de sensores aplicablesa la agricultura los cuales los cuales varían en cos-to, precisión y facilidad de adquisición de las seña-les.

Para controlar alguna variable de un proceso agrí-cola, se pueden aprovechar los actuadores natura-les así como artificiales interactuando entre sí.

El desarrollo del controlador, puede resultar com-plejo dependiendo del tipo de control escogido yel número de entradas que se deseen controlar.

REFERENCIAS

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http://www.analog.com, consultada en abril de2008

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Puerta,C., Agricultura, Revista Agropecuaria, 17Madrid, 1999

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Hashimoto,Y. Murase, H., Morimoto, T. andTorii T., Intelligent system for agriculture injapan. Control System, 21(5):71–81, 2001.


“ESTUDIO DE LA APLICABILIDADDE LA FIBRA DE LA PENCA DE LA PIÑA (PALF)

EN MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS –COMPOSITES–”

Ing. NATHALIA MERIZALDE TOLEDO

Investigadora principal

Ing. EFRAÍN MARTÍNEZ MENESES

Co-investigador


Resumen

La imperante necesidad mundial de desarrollar pro-ductos con nuevo materiales cuyo componenteecológico esté acompañado del social, genera el con-cepto conocido como “Desarrollo Sostenible” para elplaneta. Innovar en los procesos y en los componentesde los composites o materiales plásticos reforzados, esquizás, sólo un pequeño aporte a éste propósitoambiental ista.

La biodregradabilidad de los materiales constituyen-tes del plástico reforzado es uno de los tantos tópicosque se han estudiado durante años, uno de estos com-ponentes, el que concierne a la presenta investigación,es la carga de refuerzo, que hasta hace relativamentepoco, era considerada solo de origen sintético, eproactualmente, el entorno ecologista que rodea los desa-rrollos de nuevos materiales para la ingeniería, obli-ga a los investigadores y científicos a introducir basesfibrosas de origen natural y estructura celulósica comorefuerzo a los composites.

Esta investigación estudiará la fibra extraída de lapenca de la piña PALF (Pineapple Leaf Fiber) en ma-teriales plásticos reforzados. La PALF es un desperdi-cio agrícola, el cual es rico en celulosa, económico ycon potencial de reforzamiento polimérico debido asu contenido de celulosa alrededor del 71%. Ademássu fácil manipulación de la superficie, la hace muyatractiva como opción para el estudio de las propieda-des mecánicas que pueden ser obtenidas.

La fibra será obtenida del municipio de Barbosa-Antioquia, donde el cultivo de la piña es tradicionaly si es necesario, se recurrirá a otras regiones colom-bianas con cultivos de piña o potencialidad para susembrado .

Palabras clave:Composite, material plástico reforzado, matriz,polímero, fibra natural,

AbstractThe great necessity on the world wide to developmentproducts made with new materials, which should havespecial ecological and social components that generatethe most important concept about the environmentknown as “Holding development” for the planet. Thecontribution in the environmental purpose, is basedin the new designs of the process and the composite´sc omponen t s .

The biodegradability of the compounds materials ifthe reinforced plastics is one of the many topics that ithas studied for ages; one of the these components is thereinforce charge or fíiber, that is the research issue.The fiber was just considerate originally synthetic;nowadays, the ecological world trend about the newmaterials development for the engineering, make theinvestigators and scientists to put in reinforced plastics,natural origin fibers bases with cellulosic structure ascomposites reinforce.

This investigation will study the PALF (Pineapple LeafFiber) use in reinforced plastic materials. ThePineapple Leaf Fibre” (PALF) is an agro-waste whichis rich in cellulose, relatively inexpensive and has thepotential for polymer reinforcement, due to 71%cellulose content And the easy manipulation of thesurface, this makes it a very attractive option for aexperimental study of the mechanical properties thatcan be obtained.

Theoretically this research will show the feasibility ofthe production of polymers reinforced with PALF.That will be obtained in Barbosa-Antioquia, where


the pineapple harvest is traditional and if is necessary,PALF will be obtained from others Colombian places.

Keywords:Composite, plastic reinforced raw, matriz, polymer,natural fiber.

INTRODUCCIÓN

En un contexto general actualizado, la industria delplástico ha realizado grandes desarrollos en la utili-zación de fibras naturales para reforzar lospolímeros obviando el uso de resinas sintéticas yremplazándolas por fibras con un desempeño igualo mayor pero que posean como valor agregado elhecho de ser de origen orgánico y que esto a lapostre soporte menores costos con altos rendimien-tos y la gran posibilidad de realizar una contribu-ción significativa a los problemas ambientales cau-sados por el bajo porcentaje de biodegradabilidadde las resinas sintéticas.

En la fase inicial se propone compilar toda la infor-mación precedente y actual en trabajos realizadoscon fibras de la hoja de la piña (PALF) y fibrassimilares que se han estado usando como refuerzocon óptimos resultados, de esta manera se tiene laposibilidad de tomar una decisión acertada en elmomento de elegir el proceso más adecuado, tantopara la obtención de la fibra de refuerzo y de laresina, como del composite final; sin obviar el diag-nóstico cuantitativo de la probabilidad de la fabri-cación industrial de acuerdo a la producción enkilogramos (rendimiento) de esta fruta en la regióny en el país. Información que requiere una obser-vación in-situ del proceso de siembra, cosecha ymanejo de residuos del cultivo de ésta fruta.

Países como Colombia, ubicados en el trópico ycon una producción importante de frutos exóticoscomo la piña, se convierten sin lugar a dudas encandidatos ineludibles para el estudio de la fabrica-ción de polímeros reforzados con la fibra de estaplanta (y otras con similares características que porahora no competen a nuestros intereses), la cual,debido a su elevado contenido de celulosa ofrece

altas posibilidades de ser transformada en carga derefuerzo en los llamados composites.

En éste tipo de investigaciones, donde el problemase cataloga como teórico-práctico, uno de los pro-pósitos se destina al progreso, que para nuestro casoson dos, el primero, es el desarrollo socio-econó-mico de los cultivadores de piña variedad peroleraen la región de Barbosa-Antioquia, y segundo, re-ducir los costos en la producción industrial de loscomposites y en la afectación medioambiental, yaque el costo generado por la utilización de produc-tos combustibles en la fabricación de resinas sinté-ticas, se ve reflejado directamente en la nobiodegradabilidad del producto resultante y obvia-mente en el costo ambiental que esto implica.

Si bien todo progreso es generado a partir de lastecnologías, ellas deben convertirse en sostenibles.En este proyecto, los propósitos mencionados sedefinen a través del desarrollo tecnológico, basa-do en el aprovechamiento de los subproductos ob-tenidos en la cosecha de dicho cultivo; es decir, seoptimiza su eficiencia, para mejorar la calidad devida de quienes se usufructúan de este tipo de plan-taciones y contribuir al posicionamiento de losproductos llamados “de la cuna a la cuna”1. Es deconsiderar, que en la actualidad, tales residuos or-gánicos, simplemente se dejan descomponer sobremetros cuadrados de tierra que pudiesen ser em-pleados como áreas de nuevos sembrados, mien-tras se espera la nueva cosecha en otra área culti-vada.

El desarrollo que se pretende, requiere una explo-ración en materiales orientada a dos aspectos; elprimero, encaminado a la elección del método másadecuado para la obtención de la fibra y su trata-miento, y el segundo relacionado con la investiga-ción sobre las diferentes bases poliméricas (plásti-cas), aptas para la construcción del laminado.

Un estudio profundo en esta materia con un pre-vio diagnóstico del mismo, permitirá entonces vis-lumbrar mas acertadamente la viabilidad de este tipode desarrollos que en otras regiones del mundo fun-ciona a la perfección, pero que igualmente debe

1 Término empleado en ciencia de los materiales para aquellos, que siendo transformados en productos, puedan ser devueltosa la tierra con una biodegradabilidad del 100%


Si se apela a las reglas del mercadeo, en donde laoferta obedece a la demanda, entonces, Colombia,debe buscar alternativas que pueda ofrecer a losmercados mundiales (incluyendo el nacional), don-de las exigencias no son condescendientes con ab-solutamente ningún producto. Aquí, es donde pro-yectos de desarrollo sostenible como éste, concu-rren en el mismo nivel de la necesidad.

La industria textil y la de los plásticos, ambas, con-sideradas unas de las más tecnológicamente avan-zadas del mundo y además generadoras de grandescantidades de emisiones contaminantes, está en eldeber de buscar soluciones que aporten tanto desa-rrollo ambientalmente amigable, como el genera-do por sus agentes contaminantes.

Fibras con características similares a las que poseePALF, han sido ampliamente empleadas para eltratamiento en la fabricación de laminados tipocomposite para diferentes usos finales; con lo ante-rior, y considerando lo tradicional del cultivo depiña en la región en cuestión (Barbosa-Antioquia),cabe la posibilidad de desarrollar procesos de estetipo para incentivar y propender por el progresode la misma.

NECESIDAD MUNDIAL(PRODUCTOS COMPATIBLES CON

DESARROLLO SOCIAL, ECONÓMICO YAMBIENTAL)

EN COLOMBIA (BÚSQUEDA DE ALTERNATIVAS PARASUPLIR REQUISITOS DE NECESIDADES MUNDIALES –

RESPONDER A LA COMPETITIVIDAD)

EN BARBOSA - ANTIOQUIA (OPORTUNIDAD PARAEL DESARROLLO DE COMPOSITES A PARTIR DE LA

PALF)

EN LA ACADEMIA (ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DELA OPORTUNIDAD)

contextualizarse a las condiciones dadas por el en-torno.

La optimización de los procesos en la industria tex-til, es por naturaleza una constante en la ecuacióndel desarrollo de nuevos productos con recursosque permitan la competitividad que hoy en día estádefinida por componentes sociales, económicos ymedioambientales. El hecho de tener en nuestropaís una condición tropical que favorezca el desa-rrollo de diversos productos derivados de la natu-raleza, permite la exploración de nuevos procesosque incluyan todo aquello que se considere comosubproducto, desperdicio o desecho y que al sersometido a diferentes procedimientos, genere ob-jetos igualmente útiles al ser humano, pero queadicionalmente conserven la teoría de la elabora-ción de productos con recursos renovables yambientalmente sostenibles.

El hallar oportunidades de desarrollo en las regio-nes de nuestro país, se convierte en una necesidadque invita a los gobiernos, a la academia y a la in-dustria a participar de ellas. La utilización de la fi-bra extraída de la penca de la piña (PALF) variedadperolera en el refuerzo de composites, es quizá unaoportunidad, no solo para la industria como tal,sino también para esos otros componentes queconstituyen la competitividad, la cual es excluyen-te para aquellos productos que no cumplen conestándares internacionales de conservacióndel medio ambiente, sustentabilidad y ge-neración de desarrollo social en las regio-nes donde se promueve el progreso.

La necesidad de fabricar productosambientalmente amigables, es un requi-sito mundial, al cual, Colombia nopuede ser ajeno, por tanto, buscaroportunidades económicas rentables yque posean características debiodegradabilidad o reciclabilidad, se haconvertido, no solo para Colombia, sino,para los países del mundo en una premisapara el desarrollo. Por tanto, investigacio-nes de este tipo, deben ser consideradas de in-terés para los gobiernos, pues son los ápices parael desarrollo y por ende, la permanencia de susproductos en el mundo.


Evidentemente, la consecución de informaciónconstituye uno de los más importantes elementosen la realización de una investigación, y aunque seencuentren en abundancia y diversas índoles quehacen alusión a algunos tópicos de nuestro proyec-to, su existencia no garantiza la pertinencia y utili-dad para las especificaciones de éste, por lo queentonces, se requiere, no sólo tener acceso a tal in-formación, sino interpretarla y considerar su rele-vancia para el proyecto. Las diferentes fuentes, tan-to primarias, como secundarias, están encabezadas,como se demostrará posteriormente, por informa-ciones de carácter técnico-tecnológico fundamen-tadas en artículos científicos bastante serios y reco-nocidos internacionalmente.

METODOLOGÍA

Diseño y técnicas de recolección de información.

La recolección de datos previa, como informaciónde soporte, está basada en dos ápices:

El primero, consistente en recolectar informaciónin situ, es decir, en Barbosa en su área rural y urba-na, de donde se obtienen datos verídicos medianteobservación grupal (ambos investigadores) del en-torno y de la situación de los cultivadores (en lavida real). Además de las consultas a las respectivassecretarías de agricultura para obtener informaciónestadística de los cultivos en la región, y en generalde Antioquia.

El segundo, basado en las informaciones obtenidasde libros, artículos, internet y oros medios, cuyaselección de contenidos permite obtener las fichasbibliográficas.

Detección de literatura escrita

El rastreo bibliográfico en la ciudad se realiza enlas diferentes bibliotecas donde es posible encon-trar gran variedad de material y trabajos realizadospor estudiantes y profesores de ellas, donde se des-tacan algunos relacionados con polímeros peropocos con el refuerzo a base de fibras orgánicas eneste sentido se puede considerar que este trabajointegrará investigaciones realizadas de manera se-parada, por un lado los grandes estudios sobre resi-nas sintéticas y por otro lado los realizados sobrefibras naturales, teniendo en cuenta además las prue-bas ya establecidas sobre resistencia de materiales

que nos permitirán en la instancia final del procesoinvestigativo determinar las rutas viables para ca-racterizar el material resultante y ofrecer condicio-nes especificas de trabajo en los campos interesa-dos en remplazar las fibras sintéticas (como refuer-zo) por fibra natural con óptimos resultados derendimiento. Algunas dificultades son evidentespara la consecución de datos actualizados en nues-tra región, entidades como la Secretaria de Agri-cultura y el ICA, no poseen información recientesobre los cultivos de piña sembrada y mucho me-nos discriminada por variedad. La informaciónobtenida data del 2005, la correspondiente al 2006todavía no ha sido validada por la Secretaria deAgricultura, por esta razón se hizo un sondeo don-de se obtuvo información de campo a la que másadelante se hará referencia, cabe anotar además quela búsqueda en la web arrojó buenos resultados aldescubrir algunos trabajos similares en la INDIAcon resultados positivos lo que refleja que la rutapuede ser igual de exitosa, la información obtenidadespués de ser seleccionado lo más relevante paranuestro proyecto quedo registrada en las fichas bi-bliográficas.

Información de campo

La información obtenida en la Secretaria de Agri-cultura Departamental no esta actualizada, por lotanto, se decide confrontar tales datos con una visi-ta in situ a algunas de las parcelas con cultivo depiña y a la Secretaría de Agricultura Municipal(Barbosa), intentando conseguir con ello, obteneruna información más fidedigna, pero infortunada-mente, en allí tampoco tienen datos estadísticos dela cantidad de piña sembrada. Poseen sin embargo,números telefónicos de cultivadores, los cuales secontactaron para obtener datos de primera manoque proporcionaran una aproximación real a lacantidad de producción de piña y la extensión delos cultivos.

Análisis y clasificación de la información

Parámetros de clasificación

En el proyecto hay tres tópicos o categorías (varia-bles y constantes) de pertinencia que son: La Fibrao carga de refuerzo, el polímero o matriz y el compositeo material reforzado Sub-categorías


CATEGORÍA SUBCATEGORÍA

CA

US

A

FIBRA O CARGA DE

REFUERZO

Obtención de la fibra

Producción de la fibra

Propiedades Físicas y

Químicas de la fibra

MATRIZ O POLÍMERO

Obtención del polímero

Producción del polímero

Propiedades físicas y químicas del

polímero

EF

EC

TO

COMPOSITE O

PLÁSTICO REFORZADO

Obtención del Composite

Producción del Composite

Propiedades físicas y químicas del

Composite

Clasificación de la información

La clasificación radicará entonces en hacer men-ción de la categoría y subcategoría a la cual perte-nece cada información recopilada

Para efectos prácticos se han tabulado cada uno delos datos recopilados de manera tal que permitatener un manejo puntual de la información. La si-guiente es una acotación de algunos apuntes rela-cionados en la tabulación mencionada.

Porcentaje de pertinencia:

Después de analizar cada texto y dato obtenido enla recopilación bibliográfica fruto del trabajo derastreo bibliográfico y de ubicar en la matriz lasrespectivas constantes del proceso y de componen-tes, el porcentaje de pertinencia es la variable queva a representar el grado de importancia en cadaítem de nuestro proceso investigativo de manerafácil pues es un término de manejo continuo enprocesos domésticos y científicos.

Población y muestras

El universo o población seleccionado para este pro-yecto está dado por el municipio de Barbosa-Antioquia, de donde, para obtener la muestra omuestras (penca de piña para la elaboración de las

probetas) se hará una selección simple al azar –muestra aleatoria al azar- en las diferentes parcelaso plantaciones del cultivo de piña, situadas en elárea comprendida dentro del municipio de Barbosaincluyendo veredas y corregimientos.

Técnicas de análisis

La información obtenida del rastreo bibliográfico,después de una depuración dada por la lectura yselección de los investigadores, se registra en las fi-chas bibliográficas y se determina para ella losparámetros de análisis de pertinencia (dada en por-centaje) en la investigación.

Para la información derivada de las mediciones alas probetas, ésta deberá ser registrada, tabulada ygraficada estadísticamente, para establecer compa-raciones y deducir conclusiones para cada probetao conjunto de ellas.

Guía de trabajo de campo

Aquí, el trabajo de campo tiene tres derivaciones;la primera se trata del área rural, donde inicialmen-te se hace un sondeo del sitio y sus cultivos con laayuda de la secretaría de agricultura del municipio,más adelante, se hacen visitas al azar a algunos cul-tivadores para realizar un diagnóstico previo de loscultivos y las condiciones de vida de sus agriculto-


res; las impresiones y datos deberán ser registradosy analizados en un diario de campo. La segunda,relacionada con el sitio donde se prepara la probe-ta, allí deberán de haber condiciones controladasde fabricación de las muestras que serán sometidasa los ensayos respectivos; y la tercera, hace referen-cia al laboratorio donde se realizarán tales pruebas,allí se obtendrán datos numéricos de carácter con-

tinuo y deberán ser registrados y tabulados ade-cuadamente.

RESULTADOS

A continuación se presentan los resultados obteni-dos en la búsqueda de información para determi-nar la factibilidad del objeto de esta investigación:

NOMBRE VEREDAHECTÁREAS (Ha)

CULTIVADAS

Oscar Olarte Aguas claras 10

Oscar Marín Aguas claras-Tablazo 7

Marco Zapata Tablazo-Popalito 10

TOLTAL Ha CULTIVADAS 27

Tabla de cultivadores y hectáreas cultivadas (Datos secretaria agricultura Barbosa)

A continuación, se tabula y grafica la información obtenida de la Secretaría de Agricultura Departamen-tal para el resto del departamento.

Municipio

Área Plantada enhectáreas

Volumenproducción en

toneladas

Rendimientopromedio Kg/ha

BARBOSA 28.5 570 20.000,0

PUERTO BERRIO 7 0 0

TOLEDO 12 83,5 7.198,3

MUTAT Á 44 1183 36.400,0

TOTAL

DEPARTAMENTO91,5 1836,5 25.296,1



CLASIFICACIÓN DE INFORMACIÓN EN CATEGORÍAS Y SUBCATEGORÍAS

Ficha # CATEGORÍA SUBCATEGORÍA TÍTULO

1 FIBRA Propiedades

POTENTIALITY OF PINEAPPLE LEAF FIBRE ASREINFORCEMENT IN PALF-POLYIESTER COMPOSITE:SURFACE MODIFICATION AND MECHANICALPERFORMANCE

2 FIBRA Propiedades

ESTUDY ON THE MECHANICAL PROPERTIES OFJUTE/GLASS FIBER-REINFORCED UNSATURATEDPOLYESTER HYBRID COMPOSITES: EFFECT OFSURFACE MODIFICATION BY ULTRAVIOLET RADIATION

3 FIBRA PropiedadesINTERFACE MODIFICATION AND MECHANICALPROPERTIES OF NATURAL FIBER-POLYOLEFINCOMPOSITE PRODUCTS

4 COMPOSITEObtención, producción,propiedades. Termoplásticos Reforzados

5 COMPOSITE Producción Procesamiento de Plásticos

6 COMPOSITE ObtenciónElaboración de espumas epóxicas reforzada con fibrasvegetales

7 COMPOSITE PropiedadesOptimization of mechanical properties of Colombian naturalfiber reinforced polypropylene employing taguchi method

8 COMPOSITE ObtenciónNuevas alternativas en composites: polipropileno reforzadocon fibras de fique, banano y plátano

9 COMPOSITEObtención, producción,propiedades

Fiber reinforced composites : materials, manufacturing, anddesign

10 COMPOSITE PropiedadesAnálisis de los refuerzos mixtos de fibras de vidrio y fibrasen la escayola, como alternativa a los refuerzos monofibras(homogéneos)

11 COMPOSITE PropiedadesElectrotecnia. Métodos de ensayos normalizados paradeterminar las propiedades de flexión de plásticos reforzadosy no reforzados y de materiales aislantes eléctricos


Plástico Reforzado


Nuevos Materiales

14 FIBRA ObtenciónMicrobial Degumming of Pineapple (Ananas comosus var.Formosa) and Banana (Musa sapientum var. Cavendish)Fibers

15 COMPOSITE PropiedadesStress Relaxation Behavior of Short Pineapple FiberReinforced Polyethylene Composites

16 COMPOSITE PropiedadesEffect of Strain Rate and Temperature on the Tensile Failureof Pineapple Fiber Reinforced Polyethylene Composites

17 COMPOSITE PropiedadesComportamiento ambiental de materiales compuestosreforzados con fibra de fique.

18 FIBRA Producción Pineapple fiber production.

19 FIBRA ProducciónInterfacial and mechanical properties of environment-friendlygreen composites made from pineapple fibers andpoly(hydroxybutyrate-co-valerate) resin

20 FIBRA PropiedadesMelt Rheological Behavior of Short Pineapple Fiber-Reinforced Low-Density Polyethylene Composites

21 FIBRA Propiedades, Producción Properties and Processing of the Pineapple Leaf Fiber

22 COMPOSITE ProducciónShort pineapple-leaf-fiber-reinforced low-density polyethylenecomposites

23 COMPOSITE ObtenciónChemical modification of pineapple leaf fiber: Graftcopolymerization of acrylonitrile onto defatted pineapple leaffibers

24 FIBRA PropiedadesPerformance of pineapple leaf fiber-natural rubbercomposites: The effect of fiber surface treatments

25 COMPOSITE PropiedadesAgeing studies of pineapple leaf fiber-reinforced polyestercomposites

26 COMPOSITE PropiedadesIR and X-ray diffraction studies of raw and chemically treatedpineapple leaf fiber (PALF)

27 COMPOSITE PropiedadesMechanical properties of pineapple leaf fiber-reinforcedpolyester composites

28 COMPOSITE PropiedadesEvaluación de las propiedades de la interfase fibra-matriz enel sistema resina epoxi-fibra de fique


CONCLUSIONES

La revisión de los conceptos, actualizaciones res-pecto al objeto de estudio y el soporte cognitivopropio de los investigadores, permite establecer losiguiente:

1. En la región en cuestión, Barbosa-Antioquia,los niveles de producción de piña y por consi-guiente de PALF, son relativamente bajos, loque permite deducir entonces, que se deben te-ner en cuenta otras regiones del país como porejemplo Mutatá en Antioquia y la región delos Santanderes.

2. La información de campo presentada aquí, de-berá ser ampliada si se considera lo descrito enel punto 1.

3. Debido a que inicialmente la recolección de lahoja de la piña sería manual, esto podría quizásretrasar y encarecer el proceso, por lo que sehace necesario explorar modalidades de reco-lección y extracción de la fibra de la hoja.

4. De acuerdo con los conceptos y los estudioscientíficos realizados a nivel mundial como an-tecedentes, se concluye que los métodos de fa-bricación de composites son factibles técnica-mente en el medio industrial colombiano, locual permite a su vez, desarrollar la fase experi-mental de la investigación y estudiar la manerade industrializar el producto resultante.

5. Las informaciones y datos estadísticos, dan cer-teza de la viabilidad de mercado mundial paralos plásticos reforzados con PALF.

6. Ciertamente existen dos incertidumbres, queson la permisividad de la industria para permi-tir la fabricación de las probetas y la disponibi-lidad de los laboratorios con los equipos paralas pruebas.

7. Por último, se debe anotar, que dado que esuna investigación experimental, los procesos in-termedios pueden alterar la ruta inicialmentedescrita, pero no los objetivos originales de lainvestigación.

BIBLIOGRAFÍA

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Morton Jones, D. H. Procesamiento de Plásticos.Limusa, Inglaterra, 2002

ARIZA HURTADO,Jairo Medina Zea, Litci. Ela-boración de espumas epóxicas reforzada con fibrasvegetales la Memorias de la 9 Jornadas de Investi-gación en Ingeniería, Ciencias Sociales y Cienciasde la Salud. CIDI, (2004) Universidad PontificiaBolivariana.

GUTIERREZ GIL, Iván. Zuluaga Gallego.Robin.Cruz Riano. Javier. Gañan Rojo, Piedad.Restrepo, Adriana. Optimization of mechanicalproperties of Colombian natural fiber reinforcedpolypropylene employing taguchi method. CIDI(2004). la Memorias de la 9 Jornadas de Investiga-ción en Ingeniería, Ciencias Sociales y Ciencias dela Salud. Universidad Pontificia Bolivariana.

GUTIERREZ GIL, Iván. Gañan Rojo, Piedad. Nue-vas alternativas en composites: polipropileno re-forzado con fibras de fique, banano y plátano.CIDI (2004). la Memorias de la 9 Jornadas de In-vestigación en Ingeniería, Ciencias Sociales yCiencias de la Salud. Universidad PontificiaBolivariana.


LA PLANTA VIRTUAL

Edgar Mario Rico Mesa, José Alfredo Palacio, Juan Carlos Salazar López Luis Alberto Osorio,

Orlando Carrillo Perilla

Grupo GEPAR, Universidad de Antioquia

ResumenEn este artículo se mostrara los pasos a seguir para laimplementación de un modelo matemático para undeterminado sistema, con el fin de demostrar que lossistema didácticos virtuales pueden ser aplicados em-pleando dispositivos de bajo coste que solo manejanoperaciones de 8 bit a partir de los cuales se puede re-producir cálculos de gran envergadura. A través deesta publicación se pretende mostrar las bondades quepresenta utilizar dispositivos simuladores de plantas,también se describe las partes que comprende el siste-ma didáctico de simulación de plantas (planta vir-tual) y a la vez se hace énfasis en la eficiencia paraencontrar los parámetros más óptimos para el contro-lador, lo que permite que los estudiantes pueda mani-pular, interpretar y diseñar las teorías de control.

Palabras clave:Planta, Control, Excitación, Respuesta del sistemadinámico, Punto de referencia

AbstractIn this paper we show the steps for implementing amathematical model for a given system, in order todemonstrate that virtual learning system can beapplied using low-cost devices that only handle 8 bitoperations from the calculations which can reproducemajor. Through this publication aims to show theadvantages presented by using plant simulatorsdevices, also described the parties comprising thesimulation training system of plants (virtual ground)while the emphasis is on efficiency in finding theparameters optimal controller, which

allows students to manipulate, interpret and designcontrol theories.

K e ywo rd sPlant, Control, Excitation , Dynamic system response, Set point

1. INTRODUCCIÓN

El control de un proceso industrial es la mejor op-ción para aumentar en forma vertiginosa la pro-ducción de la empresa y por lo tanto es esta unatarea muy delicada que requiere de un estudio se-rio y detallado para obtener una mejor produc-ción; las plantas virtuales generalmente se han rea-lizado a través de simulaciones y también existendispositivos construidos por multinacionales cuyaconsecución posee alto costo, que puede ser aplica-do en determinadas plantas industriales, por lo cualse plantea un sistema más flexible y de mas bajocosto que permita apoyar las actividades de apren-dizaje de los estudiantes. La teoría que se utilizópara lograr dicho objetivo corresponde a libros decontrol digital y a las notas de clase de Control II eInstrumentación Industrial dictados en la universi-dad de Antioquia

Las etapas que conforman la planta virtual son: lainterfaz gráfica de Labview y el procesamiento delos datos en el microcontrolador, adicionalmentese implemento una interfaz analógica y una tarje-ta de adquisición de datos, en este artículo se des-criben cada una de las etapas que se deben tener encuenta, para poder simular una planta en tiemporeal y a la vez ejercer un control adecuado por par-te del estudiante.

2. DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA

Figura 1 Diagrama de bloque del sistema de plantav i r tua l


Para la creación del sistema didáctico que se plas-ma de forma general en la figura 1 se utilizó elmicrocontrolador MC68HC08GP32 de la Motorola(MICROCONTROLADOR) el cual se comportacomo una determinada planta que a partir de cier-tos cálculos matemáticos predice el comportamien-to de la planta real , se utilizó un controlador PIDindustrial a través del cual se buscó diseñar losparámetros más adecuados para el control de laplanta, se implemento una etapa de conversiónpara obtener un voltaje análogo buscando simulara un sensor que chequea el comportamiento de laplanta, una tarjeta de adquisición de datos (daq) queservirá de enlace entre el control y la planta, por lotanto las señales de excitación y respuesta de la plan-ta serán voltajes análogos y para ello se utilizará elconversor análogo digital y un puerto digital delmicro controlador.

La planta tiene las siguientes características: las se-ñales que maneja varían entre cero y cinco voltios,el sistema de mayor complejidad que puede simu-lar es de orden nueve (nueve ceros y nueve polos),los valores de los coeficientes del sistema poseencinco cifras significativas. Por lo tanto se mostraraa continuación una breve descripción del sistema yse presentaran algunas consideraciones técnicas.

2.1 DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE:

Se utilizó como elemento primario (lazo derealimentación) un ‘sensor’ un conversor digitalanálogo que produce voltaje análogo, cuya canti-dad en un período de tiempo es equivalente a lamagnitud de la variable física que se quiere simularde un sistema real, también se empleo un canal adcdel microcontrolador que chequea la excitación quese quiere aplicar a la planta virtual, la tarjeta deadquisición de datos es propio de los recursos dellabview.

3. DESCRIPCIÓN DEL ALGORITMO

La manera más óptima de obtener un buen con-trolador sin poner en peligro la producción de unsistema industrial es la implementación desimuladores en tiempo real. Para dar una idea so-bre el modelado de un proceso industrial se mos-trará a continuación los criterios más importan-tes para su construcción.

Existen varios métodos empleados para la identifi-cación del sistema, el cual se va a simular en tiem-po real:

La identificación de sistemas tiene por objeto obte-ner el modelo de un sistema dinámico a partir dedatos experimentales

Figura 2 señales de entrada, salida y perturbacionesde un sistema

Según la figura 2 se puede definir:

u(t) excitaciónv(t) perturbacióny(t) respuesta del sistema dinámico

3.1 TIPOS DE MODELOS

3.1.1 Modelo gráfico

El modelo del sistema está dado a través de unagrafica el cual se puede dar implementando undiagrama de bode o excitando el sistema con unescalón, de esta forma se aprecia la respuesta delsistema.

3.1.2 Modelo matemático

Son aquellos modelos que describen el comporta-miento del sistema a partir de ecuaciones diferen-ciales (sistemas continuos) o de ecuaciones de dife-rencias (sistemas discretos), son utilizados para pre-decir y diseñar sistemas dinámicos. Existen dosmodos para construir este modelo:

3.1.2.1 Matemáticamente

Es un método analítico en el cual se utilizan lasleyes físicas y ecuaciones de balance para describirel comportamiento dinámico de un fenómeno

3.1.2.2 Identificación del sistema

Es un método experimental en el cual se realizanalgunas pruebas sobre el sistema que permiten


obtener los datos necesarios para estimar el valornumérico de los parámetros del modelo repre-sentativo del sistema.

De los anteriores el método más adecuado y prác-tico es el método matemático por identificación delsistema el cual se explicará más en detalle a conti-nuación

3.2 PROCEDIMIENTO PARA LA IDENTIFI-CACIÓN

La obtención de un modelo a partir de datos expe-rimentales conlleva las siguientes etapas fundamen-tales:

3.2.1 Recolección de datos

Los datos de entrada y salida se pueden obtenermediante un experimento diseñado específicamentepara la identificación del sistema en este caso elusuario va a determinar las señales que va a medir ,el tipo de señales de excitación y el momento demedición, para luego seleccionar los datos que pro-porcione la máxima información posible del siste-ma

3.2.2 Selección del modelo

Este paso se realiza a partir de un grupo de mode-los, del cual se elegirá el más adecuado y represen-tativo del sistema. Este paso es sin duda es el másimportante y decisivo para la identificación delsistema, se deben combinar el conocimiento pre-vio del sistema y las características de los modelos

3.2.3 Validación del modelo

La evaluación de calidad del modelo se basa en de-terminar cómo se desempeña el modelo cuando setrata de reproducir con él los datos en la mediciónexperimentales, si su comportamiento es deficien-te entonces el modelo es rechazado.

3.3 MÉTODO DE IDENTIFICACIÓN NOPARAMÉTRICO

Los métodos de identificación no paramétricos secaracterizan porque los modelos son curvas o fun-ciones. Entre estos métodos están: análisis transi-torio, análisis de frecuencia, análisis de correlación,y análisis espectral.

El método más utilizado es el análisis transitorio yse utiliza como modelo el correspondiente a la res-puesta del sistema ante una entrada en escalón.

Planta de primer orden con retardo. La función detransferencia corresponde a una planta de primerorden con retardo se expresa de la siguiente manera

En donde K es la ganancia de la planta, t es la cons-tante de tiempo y q es el retardo o tiempo muerto.El procedimiento experimental para estimar elmodelo consiste en abrir el lazo de control antesdel elemento final de control y luego crear un pe-queño y rápido cambio en escalón en el proceso.

La respuesta del sistema se grafica y sobre la curvaobtenida se hace el análisis para estimar los valoresde ganancia, la constante de tiempo, el retardo delproceso. Para lograr lo anterior se procede de lasiguiente forma:

Se determina el punto de operación del proceso yse aplica al sistema, en lazo abierto, un cambio enescalón de magnitud apropiada. Esta operación sedebe realizar varias veces, cubriendo toda la zonalineal del proceso, luego se promedian los valoresobteniendo así una información confiable.

1)(

��

��

S

eKSG

S

�

�

Figura 3 curvas de reacción

En las curvas obtenidas, se eligen dos puntos re-presentativos. Por lo general, estos puntos son aque-llos para los cuales la respuesta alcanza el 28.3 % yel 63.2% de su valor final (ver figura 3); estos pun-tos se presentan cuando los tiempos transcurridosa partir del momento de aplicación del escalón sonrespectivamente:q+t/3=t1q+t/3=t2


Resolviendo simultáneamente dichas ecuaciones sehallan los valores de q y t

El valor K se obtiene como la razón entre el cam-bio de la variable de salida y el cambio de lavariable manipulada, ya conocida las incógnitas.

Se ha construido el modelo del sistema, tambiénexisten. Modelos matemáticos para sistemas de or-den superior los cuales poseen un diseño similaral sistema de primer orden sin embargo la mayo-ría de los sistemas reales su comportamiento sepuede aproximar al modelo de primer orden.

3.4 IDENTIFICACIÓN PARAMÉTRICA

Algunas técnicas de diseño de sistemas, incluyen-do el método de lugar de raíces y el de asignaciónde polos requieren de un modelo paramétrico delsistema. Este tipo de modelo es particularmenteimportante en sistemas de control adaptivo, en loscuales los parámetros de la planta deben ser esti-mados en línea para estimar el controlador corres-pondiente. Los métodos más utilizados poseen unalto contenido matemático como son el métodode mínimos cuadrados y el método de mínimoscuadrados recursivo

4. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE

El sistema está formado por:

• Un programa en computador hecho en Labviewque está formado por la interfaz gráfica, interfazde entrada de datos al microcontrolador, y elcontrolador PID

• Un programa hecho en assembler que contienela función de transferencia del sistema a simu-lar.

4.1 PROGRAMA EN LABVIEW

La interfaz se desarrolló de tal forma que sea ami-gable y didáctico para el estudiante, los módulos orutinas de los que está compuesto se encuentran:

4.1.1 Rutina de conversión transformada Laplace-z

Se implementó una rutina para la conversión delas funciones de transferencia de la transformadade Laplace a la transformada z, ya que la inmensa

mayoría de autores de libros de control manejanlas funciones de transferencia de las plantas en tér-minos de Laplace para lo cual se utilizó la trans-formada bilineal que consiste en reemplazar cadatérmino de s por la siguiente expresión:

En donde t es el tiempo de muestreo de la planta.

4.1.2 Interfaz de entrada de datos

Se realizó una rutina para modificar la planta quese va a simular buscando manipular todo tipo deprocesos industriales, para lograrlo se utilizó elpuerto serial implementando el protocolo RS 232entre el computador y el micro controlador.

4.1.3 El controlador

Se adaptó un controlador PID industrial produ-cido por la National Instruments.

4.2 PROGRAMA EN ENSAMBLADOR

El programa consta de las siguientes partes:

4.2.1 Recepción de datos

Se busca obtener a través de la recepción los coefi-cientes de la función en términos de la transforma-da z y la excitación del sistema a simular

4.2.2 Procesamiento de la información

A partir de los datos entrados al microcontroladorse realiza la conversión de la transformada z a unaecuación en diferencias (sistema discreto) utilizan-do la siguiente ecuación para la k-esima iteración

)( ikxaza i −⋅=⋅ −

Donde a e i son valores numéricos y x es la varia-ble en tiempo discreto, además se le da solución ala ecuación planteada utilizando rutinas de suma,resta, división, multiplicación de punto flotantecon cinco cifras significativas para ello se utilizarala técnica de punto fijo.

4.2.3 Transmisión de los datos

Se transmite hacia el Labview el dato (respuesta delsistema) que corresponde al cálculo de cada itera-

)1(

)1(2

��

�zt

zS


ción de la ecuación en diferencia que será interpre-tado como la reacción de la planta ante cualquierexcitación aplicada sobre el sistema.

El sistema descrito anteriormente nos permiteaprender de manera didáctica los conceptos teóri-cos del control tradicional y la teoría de la inteli-gencia artificial fundamentales para mejorar la pro-ductividad de los procesos industriales.

5. CONCLUSIÓN

1) Una de las ventajas de utilizar simuladores deplantas reales es la posibilidad de generar erro-res en el proceso de búsqueda del controladormas óptimo, esto será predicho por el simula-dor, y de esta manera el estudiante aprende aidentificar los procedimientos para el desarro-llo del sistema de control sin generar ningúntipo de daños en la planta real.

2) El dispositivo puede ser controlado por cual-quier técnica de control conocida pues estamaneja señales que son estándar en la indus-tria lo que permite que los estudiantes conoz-can los parámetros de trabajo típicos reales delas plantas.

6. BIBLIOGRAFÍA

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Cintex 13 2008